Войти
Технические характеристики и подробная информация о клапанном усилителе звука, включая историю его разработки.
Клапаны ( также известные как вакуумные лампы) - это устройства с очень высоким входным импедансом (почти бесконечным в большинстве схем) и устройствами с высоким выходным импедансом. Это также высоковольтные / слаботочные устройства.
Характеристики вентилей как устройств усиления имеют прямое значение для их использования в качестве усилителей звука, в частности, для усилителей мощности требуются выходные трансформаторы (OPTs) для преобразования высоковольтного слаботочного сигнала с высоким выходным сопротивлением в сильноточный сигнал низкого напряжения, необходимый для управления современными громкоговорителями с низким импедансом (см. транзисторы и полевые транзисторы которые являются устройствами с относительно низким напряжением, но могут напрямую нести большие токи).
Другое следствие заключается в том, что, поскольку выход одного каскада часто смещен на ~ 100 В относительно входа следующего каскада, прямое соединение обычно невозможно, и каскады должны быть соединены с использованием конденсатор или трансформатор. Конденсаторы мало влияют на характеристики усилителей. Межкаскадная трансформаторная связь является источником искажений и фазового сдвига, и ее избегали с 1940-х годов для высококачественных приложений; трансформаторы также увеличивают стоимость, объем и вес.
Следующие схемы представляют собой только упрощенные концептуальные схемы, для реальных схем также требуется сглаженный или регулируемый источник питания, нагреватель для нитей (подробности зависят от того, подходят ли выбранные типы клапанов. с прямым или косвенным нагревом), а катодные резисторы часто обходятся и т. д.
Каскад усиления с общим катодом на триоде Основным каскадом усиления для лампового усилителя является автоматический смещенный общий катодный каскад, в котором анодный резистор, клапан и катодный резистор образуют делитель потенциала на шинах питания. Сопротивление клапана изменяется в зависимости от напряжения на сетке относительно напряжения на катоде.
В конфигурации с автоматическим смещением «рабочая точка» достигается установкой потенциала постоянного тока входной сети равным нулю вольт относительно земли через резистор высокого номинала «утечки в сеть». Анодный ток устанавливается значением напряжения сетки относительно катода, и это напряжение теперь зависит от значения сопротивления, выбранного для катодной ветви схемы.
Анодный резистор действует как нагрузка для схемы и обычно в 3-4 раза превышает анодное сопротивление используемого типа клапана. Выходной сигнал схемы - это напряжение на стыке анода и анодного резистора. Этот выходной сигнал изменяется в зависимости от изменений входного напряжения и является функцией усиления напряжения клапана «mu» и значений, выбранных для различных элементов схемы.
Практически все схемы предусилителей звука построены с использованием каскадных каскадов с общим катодом.
Сигнал обычно передается от каскада к каскаду через разделительный конденсатор или трансформатор, хотя в необычных случаях используется прямое соединение.
Катодный резистор может быть или не может быть шунтирован с помощью конденсатора. Обратная связь также может подаваться на катодный резистор.
Усилитель мощности на несимметричных триодах Простой усилитель мощности SET может быть построен путем каскадного соединения двух каскадов с использованием выхода трансформатор в качестве нагрузки.
Два триода с катодами, соединенными вместе, чтобы сформировать дифференциальную пару. Эта ступень имеет возможность отменять синфазные (одинаковые на обоих входах) сигналы, и, если она работает в классе А, также имеет то преимущество, что имеет возможность в значительной степени отклонять любые изменения питания (поскольку они одинаково влияют на обе стороны дифференциальной ступени), и, наоборот, полный ток, потребляемый каскадом, почти постоянен (если одна сторона потребляет более мгновенно, а другая потребляет меньше), что приводит к минимальному отклонению прогиба шины питания и, возможно, также к межкаскадным искажениям.
Два силовых клапана (могут быть триодами или тетродами), приводимые в действие по-разному, чтобы сформировать двухтактный выходной каскад, управляя нагрузкой двухтактного трансформатора. Этот выходной каскад намного лучше использует сердечник трансформатора, чем несимметричный выходной каскад.
Пара с длинным хвостом Длинный хвост представляет собой нагрузку с постоянным током (CC) в качестве подачи общего катода на дифференциальную пару. Теоретически более постоянный ток линеаризует дифференциальный каскад.
CC может быть аппроксимирован резистором, понижающим большое напряжение, или может быть сгенерирован активной схемой (на основе клапана, транзистора или полевого транзистора )
пара с длинным хвостом также может использоваться в качестве разделителя фазы . Он часто используется в гитарных усилителях (где он упоминается как «фазоинвертор») для управления силовой частью.
В качестве альтернативы паре с длинным хвостом гармошка использует один триод в качестве переменного сопротивления в делителе потенциала, образованном Ra и Rk по обе стороны от клапана.. В результате напряжение на аноде изменяется точно и противоположно напряжению на катоде, обеспечивая идеально сбалансированное разделение фаз. Недостатком этого каскада (сравните с дифференциальной парой «длинный хвост») является то, что он не дает никакого усиления. Использование двойного триода (обычно восьмеричного или нового) для формирования входного буфера SET (обеспечивающего усиление) для последующего питания фазоделителя гармонической формы - это классический двухтактный интерфейс, за которым обычно следуют драйвер (триод) и (триод или пентод) выходной каскад (во многих случаях сверхлинейный) для формирования классической двухтактной схемы усилителя.
Двухтактный усилитель мощности Показанная схема двухтактного выхода представляет собой упрощенный вариант топологии Вильямсона, который состоит из четырех каскадов:
Триодный стек Каскод (сокращение фразы «каскад-катод») является двухступенчатым усилитель, состоящий из усилителя крутизны, за которым следует буфер тока. В схемах клапана каскод часто состоит из двух последовательно соединенных триодов, один из которых работает как общая сеть и, таким образом, действует как регулятор напряжения, обеспечивая почти постоянное анодное напряжение для другого, который работает как общий катод. Это улучшает изоляцию ввода-вывода (или обратную передачу) за счет устранения эффекта Миллера и, таким образом, способствует более высокой полосе пропускания, более высокому входному импедансу, высокому выходное сопротивление и более высокое усиление, чем у однотриодного каскада.
Тетрод имеет экранную сетку (g2), которая находится между анодом и первой сеткой и обычно служит, как каскод , чтобы устранить эффект Миллера и, следовательно, также обеспечивает более широкую полосу пропускания и / или более высокое усиление, чем у триода, но за счет линейности и шумовых характеристик.
A пентод имеет дополнительную подавляющую сетку (g3) для устранения изгиба тетрода . Это используется для повышения производительности, а не для дополнительного усиления и обычно недоступно извне. В некоторых из этих клапанов используются выровненные сетки для минимизации тока сетки и пластины пучка вместо третьей сетки, они известны как «тетроды пучка ».
Было реализовано (и многие пентоды были специально разработаны для этого), что, привязав экраны к сетке / аноду, тетрод / пентод снова стал триодом, что сделало эти клапаны поздней конструкции очень гибкими. Тетроды с «триодной перевязкой» часто используются в современных конструкциях усилителей, которые оптимизированы по качеству, а не по выходной мощности.
В 1937 году Алан Блюмлейн создал конфигурацию между тетродом с триодной перемычкой и обычным тетродом, который соединяет дополнительную сетку (экран) Тетрод к отводу от OPT частично между анодным напряжением и напряжением питания. Этот электрический компромисс дает усиление и линейность, равные лучшим характеристикам обеих крайностей. В инженерной статье 1951 года, опубликованной Дэвидом Хафлером и, они определили, что, когда отвод экрана был установлен примерно на 43% анодного напряжения, возникало оптимизированное состояние в выходном каскаде, которое они назвали ультра- линейный. К концу 1950-х годов эта конструкция стала доминирующей конфигурацией высококачественных усилителей PP.
впервые разработал тип усилителя, известный как «бестрансформаторный выход » (OTL). В них используются параллельные клапаны для согласования с импедансом динамиков (обычно 8 Ом). Эта конструкция требует наличия большого количества клапанов, работающих в горячем состоянии, и поскольку они пытаются согласовать импедансы способом, принципиально отличным от трансформатора, они часто имеют уникальное качество звука. Триоды 6080, разработанные для регулируемых источников питания, были типами с низким импедансом, иногда использовавшимися без трансформатора.
В некоторых ламповых усилителях используется топология несимметричный триод (SET), в которой используется коэффициент усиления устройство класса A. Наборы чрезвычайно просты и имеют небольшое количество деталей. Такие усилители дороги из-за требуемых выходных трансформаторов.
Этот тип конструкции приводит к чрезвычайно простому спектру искажений, содержащему монотонно затухающую серию гармоник. Некоторые считают, что эта характеристика искажения является фактором привлекательности звука, производимого такими конструкциями. По сравнению с современными конструкциями, комплекты SET используют минималистский подход и часто имеют всего два каскада: однокаскадный триодный усилитель напряжения, за которым следует триодный каскад мощности. Однако используются вариации с использованием некоторого активного источника тока или нагрузки, которые не считаются каскадом усиления.
Типичным клапаном, использующим эту топологию в (редко) текущем промышленном производстве, является 300B, который дает около 5 Вт в режиме SE. В редких усилителях этого типа используются такие лампы, как 211 или 845, мощностью около 18 Вт. Эти клапаны представляют собой передающие клапаны с ярким излучателем и имеют нити из торированного вольфрама, которые при подаче питания светятся, как лампочки.
См. Параграфы ниже относительно мощных имеющихся в продаже усилителей SET, предлагающих без труда до 40 Вт, после разработки выходных трансформаторов для преодоления вышеуказанных ограничений.
На рисунках ниже изображен коммерческий усилитель SET, а также прототип усилителя для любителей.
Коммерческий усилитель SE
Опытный любитель сконструировал усилитель SET
Одной из причин того, что SET (обычно) ограничивается низким энергопотреблением, является чрезвычайная сложность (и, как следствие, расходы) создания выходного трансформатора, который может работать с пластиной ток без насыщения, избегая при этом чрезмерно больших емкостных паразитов.
Использование дифференциальных («двухтактных») выходных каскадов нейтрализуетпостоянный ток смещения, протекающий через выходной трансформатор каждым из выходных клапанов по отдельности, что значительно снижает проблему насыщения сердечника и, таким образом, облегчает создание более мощных усилителей при одновременном использовании меньшей, более широкой полосы пропускания и более дешевых трансформаторов.
Отключение дифференциальных выходных клапанов также в значительной степени устраняет (доминирующие) продукты гармонических искажений четного порядка выходного каскада, что приводит к меньшему THD, хотя теперь в нем преобладают гармоники нечетного порядка и больше не монотонны.
В идеале подавление искажений четного порядка идеально, но в реальном мире это не так, даже с близко подобранными клапанами. PP OPT обычно имеют зазор для предотвращения насыщения, хотя и меньший, чем требуется для несимметричной схемы.
С 1950-х годов подавляющее большинство высококачественных ламповых усилителей и почти все ламповые усилители большей мощности были двухтактными.
Двухтактный выходной каскад может использовать триоды для наименьшего Z out и наилучшей линейности, но часто используются тетроды или пентоды, которые дают большее усиление и мощность. Многие выходные клапаны, такие как KT88, EL34 и EL84, были специально разработаны для работы в режиме триода или тетрода, и некоторые усилители можно переключать между этими режимами. После Вильямсона большинство коммерческих усилителей использовали тетроды в «ультралинейной» конфигурации.
Каскады PP на чистом триоде класса A достаточно линейны, чтобы они могли работать без обратной связи, хотя и скромный NFB для уменьшения искажений, уменьшения Z out и контроля может быть желательно усиление. Однако их энергоэффективность намного ниже, чем у класса AB (и, конечно, класса B); значительно меньшая выходная мощность доступна при том же анодном рассеивании.
Конструкции PP класса A не имеют искажений кроссовера, и искажения становятся незначительными при уменьшении амплитуды сигнала. Результатом этого является то, что усилители класса A очень хорошо работают с музыкой с низким средним уровнем (с незначительными искажениями) с мгновенными пиками.
Недостатком работы силовых клапанов класса А является сокращенный срок службы, поскольку клапаны всегда полностью включены и все время рассеивают максимальную мощность. На клапаны усилителя сигнала, не работающие на высокой мощности, это не влияет.
Регулировка источника питания (изменение доступного напряжения в зависимости от потребляемого тока) не является проблемой, поскольку средний ток по существу постоянен; Усилители AB, потребляющие ток в зависимости от уровня сигнала, требуют внимания к регулировке питания.
Усилители классов B и AB более эффективны, чем класс A, и могут обеспечивать более высокие уровни выходной мощности от данного источника питания и набора ламп.
Однако цена за это заключается в том, что они страдают от кроссоверных искажений более или менее постоянной амплитуды независимо от амплитуды сигнала. Это означает, что усилители классов AB и B производят самый низкий процент искажений при почти максимальной амплитуде с более низкими характеристиками искажений на низких уровнях. По мере перехода схемы от чистого класса A через AB1 и AB2 к B искажения кроссовера разомкнутого контура ухудшаются.
Усилители классов AB и B используют NFB для уменьшения искажений разомкнутого контура. Измеренные спектры искажений от таких усилителей показывают, что процент искажений резко снижается за счет NFB, но остаточные искажения смещаются в сторону более высоких гармоник.
В двухтактных усилителях класса B выходной ток клапана, который должен обеспечивать источник питания, находится в диапазоне от почти нуля для нулевого сигнала до максимума при максимальном сигнале. Следовательно, для линейной реакции на переходные изменения сигнала источник питания должен иметь хорошее регулирование.
В несимметричном режиме можно использовать только класс A, иначе часть сигнала будет отключена. Управляющий каскад для клапанных усилителей классов AB2 и B должен быть способен подавать некоторый ток сигнала на сети силовых клапанов («мощность привода»).
Смещение двухтактного выходного каскада можно отрегулировать (на этапе проектирования, обычно не в готовом усилителе) между классом A (что дает наилучшую линейность разомкнутого контура) через от классов AB1 и AB2 до класса B (обеспечивая максимальную мощность и КПД от данного источника питания, выходных клапанов и выходного трансформатора).
Большинство коммерческих ламповых усилителей работают в классе AB1 (обычно пентоды в ультралинейной конфигурации), жертвуя линейностью разомкнутого контура по сравнению с более высокой мощностью; некоторые работают в чистом классе A.
Типичная топология для усилителя PPвероятно, чем с выходным трансформатором.
Современные OTL часто более надежны, лучше звучат и дешевле, чем многие подходы с трансформаторными вентилями.
В некотором смысле эта ниша является подмножеством OTL, однако она заслуживает отдельного рассмотрения, поскольку в отличие от OTL для громкоговорителей, которая должна преодолевать крайности способность схемы клапана подавать относительно высокие токи при низких напряжениях в нагрузку с низким импедансом, некоторые типы наушников имеют сопротивление, достаточно высокое для нормальных типов клапанов, чтобы разумно работать в качестве OTL, и, в частности, электростатические громкоговорители и наушники, которые могут приводиться в действие непосредственно при сотнях вольт но минимальные токи.
Еще раз, есть некоторые проблемы безопасности, связанные с прямым приводом для электростатических громкоговорителей, которые в крайнем случае могут использовать передающие клапаны, работающие при напряжении более 1 кВ. Такие системы потенциально смертельны.
Портал электроники 