Acrobacias de cascatas de lâmpadas. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Amplificadores de potência de tubo

 Comentários do artigo

Todo mundo que está pelo menos um pouco familiarizado com circuitos valvulados sabe que os estágios de amplificadores valvulados geralmente se distinguem por sua extrema simplicidade e um pequeno número de elementos. Esse fator, juntamente com a linearidade natural das válvulas, costuma ser citado como argumento ao tentar explicar o fenômeno da superioridade do som do tubo sobre o som do transistor. Deve-se admitir que tal explicação é muito convincente do ponto de vista do senso comum. Além disso, é tão frequentemente confirmado na prática na análise de circuitos dos melhores componentes de áudio de tubo que poucas pessoas pensam em tentar desafiá-lo.

O principal lema dos desenvolvedores da tecnologia da lâmpada é o seguinte: quanto mais simples, melhor e mais confiável (infelizmente, o conceito de "mais barato" não está incluído aqui, embora logicamente pareça sugerir a si mesmo). Então, vamos olhar para um estágio de amplificação resistivo convencional de baixa potência em um triodo com um cátodo comum. O resistor de carga do ânodo, o resistor de polarização automática do cátodo, o resistor de fuga da grade e o próprio triodo - isso, na verdade, é toda a cascata. Mais precisamente, sua versão básica (Fig. 1).

Fig. 1

O resto são elementos de comunicação com outros estágios, ou bloqueando o feedback de corrente negativa local (desviando o resistor catódico com um capacitor), ou um divisor no circuito catódico para uma organização mais complexa da polarização, ou filtros de desacoplamento para circuitos de potência , ou circuitos de correção. Normalmente, mesmo tendo todos esses componentes adicionais não torna o estágio de amplificação do tubo muito mais complicado do que o que vemos na fig. 1. Tudo é extremamente claro e simples (à primeira vista). Sabe-se que o ganho de estágio no meio da faixa de frequência é (na ausência de feedback negativo local): K=-R_a/ (R_i+R_a) (levando em consideração a resistência de entrada do próximo estágio R_{entrada 2} em vez de R_a R é usado_n.eq=R_a|| R_{entrada 2}, e a resistência de saída Z_O=R_iOnde=SR_i - fator de amplificação de tensão da lâmpada; S - inclinação; R_i - resistência interna da lâmpada; R_a - resistência de carga anódica.

Sabe-se que para tal estágio de triodo, o ganho real é geralmente (0,6-0,8) e depende de R_a, bem como outros parâmetros de estágio: corrente de repouso, largura de banda, taxa de variação, linearidade, tensão de saída máxima não distorcida, corrente de saída máxima. Geralmente R_a várias vezes maior que R_i, enquanto é possível obter valores aceitáveis ​​dos parâmetros listados. Mas as possibilidades de uma cascata em um triodo são limitadas, e uma vez que, na busca de um parâmetro, outros, não menos importantes, costumam sofrer, o grau de liberdade para variar os valores de resistência da carga anódica e auto-polarização catódica é pequeno.

O mesmo pode ser dito para a tensão de alimentação do ânodo e a corrente quiescente, já que quase todas as lâmpadas "soam" melhor na borda da dissipação de energia do ânodo (embora nem sempre). No entanto, mesmo dentro desses "limites de criatividade" relativamente estreitos, não é tão fácil encontrar o modo ideal de operação de uma determinada lâmpada em uma determinada cascata, levando em consideração as cascatas anteriores e subsequentes. Neste caso, o modo ideal é entendido como o modo que proporcionará o melhor som, e não gravará parâmetros ou belos oscilogramas. Talvez seja a contradição mútua dos vários parâmetros do estágio de amplificação e a ambiguidade de sua dependência dos mesmos fatores que são a razão da fraca correlação entre os valores digitais desses parâmetros e a qualidade do som.

Então, se você está perseguindo a máxima linearidade, você deve aumentar o valor da carga anódica, que, a partir de um determinado valor, afetará negativamente a largura de banda, as propriedades dinâmicas da cascata e o ganho, que, com um alta resistência à carga, começa a diminuir, pois diminui a corrente quiescente e a inclinação da lâmpada. Além disso, a capacidade de sobrecarga da cascata também cai drasticamente. Assim, o preço da linearidade ultra-alta também é proibitivo, já que você tem que pagar com a qualidade do som do aparelho como um todo. Acontece que pagamos com qualidade de som pela linearidade, e não vice-versa, como deveria ser.

Isso lembra a fábula de Krylov "O cisne, o lagostim e o lúcio", só que o cisne neste caso não é um pássaro (e não um general), mas o fator de amplificação, o câncer é a linearidade da cascata, e o pique ... Em uma palavra, as coisas ainda estão lá. Onde esses personagens intratáveis ​​estão em relativa paz e harmonia. Portanto, se um estágio no triodo não puder fornecer a amplificação necessária, um segundo estágio deve ser instalado. E para obter boas propriedades dinâmicas, às vezes é preciso se contentar com um ganho modesto, reduzindo a carga anódica e aumentando a corrente quiescente do estágio. Mesmo no estágio de amplificação mais simples, muitas sutilezas e fenômenos difíceis de explicar surgem quando se trata do "julgamento final" - ouvir.

Então, vamos resumir: no estágio do amplificador em um triodo de tubo, vários parâmetros, cada um dos quais tem um efeito tangível na qualidade do som de todo o dispositivo, estão em contradição mútua e zelo excessivo ao "puxar" um desses parâmetros inevitavelmente leva à deterioração de outros. No entanto, existe uma maneira de sair desse círculo vicioso.

Afinal, até agora falamos sobre o estágio de amplificação em um único triodo. E se você combinar dois triodes no mesmo palco? Isso, é claro, vai contra o conceito de máxima simplicidade, mas às vezes, em vez de aumentar o número de cascatas simples, você pode resolver o mesmo problema complicando (e não muito significativo) uma cascata. Dependendo do tipo de tarefa definida, você pode escolher uma das opções para uma cascata tão complicada em dois triodes. Devo dizer que existem muitos deles e eles foram inventados há muito tempo. Por exemplo, um cascode (Fig. 2) permite um aumento acentuado no ganho e ao mesmo tempo banda larga e, portanto, junto com os pentodos, encontrou ampla aplicação em receptores de televisão e rádio. Algumas empresas mundialmente famosas usam cascodes em dispositivos de amplificação de frequência de áudio (por exemplo, Sonic Frontiers).

Fig. 2

Pode-se argumentar sobre a conveniência do uso de cascodes em equipamentos de áudio, e os oponentes disso geralmente se referem ao fato de que as características de saída dos cascodes degeneram de triodo para pentodo. É sim. Mas, afinal, os pentodos nem sempre são ruins - a questão não é o que usar, mas como e onde. Sem dúvida, na maioria dos casos, o triodo é preferível, mas em circuitos individuais (na maioria das vezes auxiliares), o pentodo não tem igual. Por exemplo, graças à alta e R_i o pentodo é inigualável em fontes de corrente estáveis, exceto para transistores de efeito de campo de porta isolada. Mas este é um mundo completamente diferente e, embora empresas como a Audio Research tenham tido algum sucesso no desenvolvimento e implementação de topologias híbridas, pessoalmente não tenho dúvidas de que, se pentodos fossem usados ​​em vez de MOSFETs, muitos de seus produtos soariam muito mais musicais. E vamos lembrar os gravadores profissionais da era de ouro da gravação de som magnético dos anos 50 e 60 (por exemplo, Telefunken). Muitos deles tinham um pentodo EF86 (semelhante ao 6Zh32P) no primeiro estágio do amplificador de reprodução.

Mas voltemos das tentativas de anistia dos pentodos condenados à prisão perpétua por muitos audiófilos aos triodos puros. A próxima cascata que veremos é muito parecida com um cascode. Estes também são dois triodos, um dos quais está "empoleirado" nos ombros do outro. Sim, esse "circo de tubo" causa um sorriso cético em muitos e, provavelmente, pode ser seguido por uma torrente de comentários moralizantes como "um homem - desculpe, um triodo - deve andar sobre a terra!" Mas de uma forma ou de outra, esta cascata merece atenção, pois proporciona uma melhoria tangível simultânea em vários parâmetros importantes: estabilidade de modo, linearidade, impedância de saída, banda larga, capacidade de sobrecarga e sensibilidade à interferência e ondulação da tensão de alimentação do ânodo. No que diz respeito ao som, todos sabem que os amplificadores Audio Note e Saga Audio Designs não soam tão mal assim! São essas empresas que são mais frequentemente usadas como estágio de entrada ou driver, mostradas na Fig. 3a. É mais frequentemente chamado de SRPP (SRPP - Shunt Regulated Push Pull).

Arroz. 3a

Não deixe que a decodificação desta abreviação o engane: o "push-pull" aqui é expresso apenas nos sinais antifase dos triodos superiores e inferiores. Com o mesmo sucesso, um circuito clássico de dois triodos conectados em cascata poderia ser chamado de "push-pool" - há também um sinal antifase. Assim, SRPP não é um nome completamente correto que se enraizou na literatura. Você também pode ver a abreviatura TTSA (Two Tube Series Amplifier - um amplificador de série de dois tubos), embora possa servir como um rótulo geral para todos os estágios de uma configuração vertical, incluindo cascodes. Em russo, nossa cascata é chamada de forma simples e clara: uma cascata amplificadora com carga dinâmica. E é esse nome que reflete com mais precisão sua essência (aquele caso raro em que o idioma russo acabou sendo mais conciso que o inglês). Há também um nome russo mais exótico - uma cascata com "resistores eletrônicos" no circuito de carga do ânodo (TV Voishvillo. Dispositivos de amplificação. M., Svyaz, 1975).

Assim, em vez do resistor de carga de ânodo usual, a cascata SRPP tem um segundo triodo no circuito do ânodo, cuja polarização da grade é definida pelo resistor R_k2. Quando uma meia onda positiva do sinal aparece na grade V1, a corrente do triodo inferior aumenta, o que leva a um aumento na queda de tensão no resistor R_k2, e isso, por sua vez, reduz a corrente do triodo superior V2. Há uma tendência para uma corrente de ânodo estável, que agora é menos dependente de mudanças no sinal de entrada do que em um estágio de amplificação resistiva convencional. Carga combinada - triodo V2 e resistor R_k2 - em termos de suas propriedades, começa a se aproximar de uma fonte de corrente estável.

O que há de bom nisso? Sabe-se que uma fonte de corrente estável tem uma alta resistência interna, que é igual ao infinito para uma fonte de corrente ideal (isso, claro, é uma abstração matemática). E agora lembre-se que a cascata de triodo é mais linear, quanto maior sua resistência à carga. Não é possível resolver este problema de frente, como mencionado acima (aumentando arbitrariamente a carga anódica), pois outros parâmetros igualmente importantes da cascata sofrem. Resta apenas "enganar" o triodo crédulo V1, enquanto sua resistência à carga "dobra": para corrente contínua é pequena e igual a (R_k2+R_ivk2), que garante o modo normal da cascata sem aumentar a tensão da alimentação do ânodo, e para corrente alternada (ou resistência de carga dinâmica) pode ser muito maior e é determinada pelo valor de R_k2 e ganho de tensão do triodo superior: R_{n. barulho}=R_k2(1 +)+R_i(V2).

Isso permite obter um ganho ligeiramente maior do estágio SRPP em comparação com o estágio de amplificação convencional. E como o sinal de saída é retirado do cátodo V2, a resistência de saída é muito menor. Na realidade, no caso em que tal cascata opera em uma carga de resistência relativamente baixa, pode-se obter um ganho muito significativo tanto em ganho quanto em largura de banda. Sim, e as propriedades dinâmicas, desde que haja uma corrente quiescente suficiente da cascata, podem ser obtidas muito impressionantes (aqui é importante levar em consideração não apenas a velocidade da cascata, mas também quão grande a corrente do sinal pode ser fornecida à carga).

Por estas razões, a cascata SRPP encontrou aplicação em circuitos amplificadores de vídeo, onde era necessário garantir o valor máximo do produto, bem como em circuitos flip-flop de alta velocidade (A.P. Lozhnikov, E.K. Sonin. Amplificadores Cascade. M., Energia, 1964), provavelmente muito antes de alguém ter a ideia de experimentá-lo em circuitos de amplificação de frequências de áudio. Suas vantagens são especialmente pronunciadas ao operar em circuitos onde a capacitância de carga parasita é bastante grande (esta categoria inclui alguns circuitos de acionamento que operam em um grande número de lâmpadas de saída conectadas em paralelo ou em lâmpadas únicas com alta capacitância de entrada dinâmica). Na fig. 3b mostra a dependência do ganho da cascata SRPP no triodo duplo 6N3P (=35,R_i\u5,8d XNUMX kOhm) da resistência de carga equivalente em vários valores de R_k2 (a curva 1 corresponde a uma cascata convencional com um cátodo comum, o resto - SRPP: 2 - em R_k2=360 Ohms; 3-R_k2=560 Ohms; 4-R_k2\u820d 3 Ohm) Na fig. XNUMXc mostra a dependência da resistência de saída da cascata SRPP no valor de R_k2. Na fig. 3d são dadas para comparação as características transitórias da cascata SRPP (superior) e a cascata convencional (inferior) em 6N3P (curva 1 - em C_н\u5d 2 pF; XNUMX-C_н\u15d 3 pF; XNUMX-C_н\u30d 4 pF; XNUMX-C_н=55pF).

Arroz. 3b

Arroz. 3c

Arroz. 3g

No entanto, SRPP não é o sonho final. E por esta razão: embora a carga anódica combinada da cascata, como já mencionado, adquira algumas propriedades de uma fonte de corrente estável, mas devido aocaracterística dos triodos, V2 não tem a "potência de amplificação" para compensar suficientemente a queda de tensão em R_k2causada por uma mudança na corrente do sinal. Existem duas maneiras de resolver este problema: ou usar um pentodo em vez de um triodo como V2, ou aumentar o nível do sinal na grade V2. O primeiro caminho leva ao circuito mostrado na Fig. 4, e o segundo - para o chamado "SRPP reforçado", que também é obtido mais complicado (Fig. 5).

Fig. 5

O fato é que para aumentar significativamente o nível do sinal na grade V2 simplesmente aumentando o resistor R_k2 falha, pois a posição do ponto de operação da cascata também depende do valor do mesmo resistor, e se você se empolgar dessa maneira além da medida, poderá perder todas as vantagens da cascata SRPP (em primeiro lugar, a capacidade de sobrecarga se deteriorará). Mas você pode ir mais longe no caminho de enganar triodos crédulos, agora "enganando" V2 também: organize para ele o viés de grade necessário usando um divisor (R_k2 R_a), que substituirá R_k2, o que dará mais liberdade em variar o nível do sinal em sua grade (que será proporcional ao resistor inferior do divisor), e aplicar este sinal através do capacitor C_a.

O ganho de tal cascata já pode ser feito bem próximo de o triodo inferior (não devemos esquecer que é ele quem continua sendo o principal "ator" que determina o funcionamento da cascata, e todo o resto serve apenas para criar as melhores "condições de trabalho" para ele). Portanto, a cascata amplificada de SRPP na literatura estrangeira é chamada de "Mu Follower" - "repetidor". E novamente, esse nome espetacular é um tanto arbitrário, já que o SRPP aprimorado, embora seja selecionado bastante próximo em termos de ganho ao valor triodo inferior, mas ainda não o "repete". Além disso, deixa a possibilidade, usando um pentodo como lâmpada superior e complicando ainda mais o circuito, reduzir ainda mais a distância entre o ganho real e o valor lâmpada inferior, enquanto reduz a impedância de saída já baixa e expande a faixa dinâmica. Esta cascata (Fig. 6) nas páginas da revista "Glass Audio" é chamada de "(-cascade" (Allan Kimmel. The Mu Stage//Glass Audio, 1993, N2).

Fig. 6

As características estruturais desta cascata oferecem amplas oportunidades para escolher as correntes quiescentes das lâmpadas superior e inferior. As correntes neste caso podem ser diferentes, uma vez que a polarização do pentodo é definida por um divisor separado (R_k2, R'_k2), o que também contribui para uma diminuição ainda maior da resistência de saída (e, obviamente, para equalizá-la para as meias-ondas positivas e negativas do sinal de um nível suficientemente alto, quando o efeito "push-pull" pode se manifestar, isto é, a inclinação das bordas dianteira e traseira de um pulso retangular no caso geral pode ser diferente).

O valor da carga anódica do triodo R_a também pode variar dentro de certos limites. O pentodo, por outro lado, pode ser considerado um seguidor de cátodo com um coeficiente de transmissão muito próximo da unidade. Assim, qualquer mudança no valor instantâneo da tensão no ânodo, ou terminal inferior do resistor R_a, é rastreado com alta precisão pelo seguidor de cátodo no pentodo V2, aparecendo no terminal superior R_a, e, portanto, a queda de tensão em R_a quase constantemente e não depende do sinal - esta é a fonte real (não ideal, é claro, mas muito próxima) de corrente estável.

Claro, aqueles que sofrem de alergias ao pentodo também podem usar um triodo como V2, mas obterão parâmetros mais modestos. Um seguidor de catodo triodo normalmente tem um ganho de K de cerca de 0,9, enquanto um pentodo pode facilmente fornecer 0,995 ou mais. Agora vamos pegar R_a igual a 6,8 kOhm e calcule a resistência dinâmica da carga anódica da cascata: R_{n. barulho}=R_a/(1-K). No nosso exemplo R_{n. barulho triodo.}\u68d XNUMX kOhm e R_{n. barulho reprimido.}\u1,36d 20 MΩ. A diferença é de XNUMX vezes! Os seguidores do cátodo, aliás, também gozam de uma reputação nada impecável entre os audiófilos tecnicamente alfabetizados. Mas, no entanto, de acordo com o mesmo Allan Kimmel, em tal esquema, um seguidor de cátodo em um pentodo é exatamente o que você precisa.

Em geral, pentodos em seguidores de cátodos dão resultados muito melhores tanto em termos de parâmetros (menor impedância de saída e atenuação) quanto em termos de som. Além disso, Allan Kimmel escreve que ele experimentou por um longo tempo com todas as cascatas de tubos descritas acima de todas as maneiras possíveis, e todas elas, sendo implementadas corretamente, soam muito bem e o melhor de tudo - precisamente-cascata. É especialmente bom como driver, triodes de saída "balançando" com um pequeno, exigindo uma grande oscilação de tensão do sinal. Os parâmetros obtidos por Kimmel-cascata (Fig. 7) são muito, muito impressionantes: impedância de saída 100 ohms, oscilação do sinal de saída 215 V com um coeficiente harmônico de 0,7% e uma tensão de alimentação do ânodo de 300 V, faixa de frequência por nível (-3dB) 0,28 Hz - 1MHz.

Fig. 7

O triodo é o conhecido 6DJ8 (semelhante ao 6N23P), ambas as metades paralelas, o que tem um efeito positivo na resistência de saída (como escreve Kimmel, ele também fez isso porque não conseguiu aceitar o fato de que metade do triodo "pendurado em marcha lenta"). Pentodo - 12GN7 (analógico é desconhecido, mas isso não é importante: qualquer pentodo com um, capaz de operar na corrente quiescente necessária, que é fácil de determinar com base no modo de corrente recomendado 6N23P; 6Zh9P certamente se mostrará bem). Mas esse não é o fim da história. No N5 1996 da Glass Audio, Allan Kimmel publicou um artigo intitulado "A Direct-Coupled Mu Stage" (-cascata com conexão direta), na qual trouxe uma obra de arte de circuitos ainda mais perfeita (Fig. 8).

Fig. 8

É difícil dizer se a ideia de criar essa cascata pertence a ele ou se ele a emprestou da antiga literatura da lâmpada (afinal, muitas vezes acontece que muitas inovações acabam sendo duas vezes mais antigas que seus "inventores "). Seja como for, a ideia é muito original: se as cascatas anteriores lembravam uma "pirâmide viva" em uma arena de circo, então esta se baseia em acrobatas aéreos com um trapézio voador. Capacitor C perdido_a, a conexão entre o ânodo do triodo e a grade de controle do pentodo é agora galvânica; ao mesmo tempo, uma fonte de energia de grade de tela estabilizada flutuante é introduzida, e o ânodo do triodo também recebe energia dele. Inicialmente, neste esquema, o objetivo era excluir a cadeia R que "carrega" a saída da cascata_э C_э, embora sua influência não tenha sido de forma alguma dramática.

De uma forma ou de outra, os recordes dos parâmetros do estágio anterior (Fig. 7) foram quebrados: a impedância de saída diminuiu para 80 Ohms, a oscilação máxima da tensão de saída não distorcida atingiu 269 V com um coeficiente harmônico de 0,9% e o mesma fonte de ânodo (300 V), a faixa de frequência acabou devido à ausência de um capacitor de transição C_a agora começa com F_н(-3dB)=0,15Hz, F_в(-3 dB) permaneceu o mesmo: 1 MHz. Para não rebobinar o transformador de potência, Kimmel encontrou uma solução muito engenhosa para organizar uma fonte flutuante: instalou um pequeno transformador incandescente e o ligou "de trás para frente", aplicando uma tensão alternada de 6,3 V no enrolamento secundário e conectou uma ponte retificadora e um estabilizador de transistor simples ao enrolamento primário , do qual os 75 V necessários são removidos. Este método não padrão também é bom porque uma fonte de alimentação tão compacta pode ser colocada próxima à nossa cascata, evitando assim a sinal de "roaming" ao longo dos longos fios de conexão que levam a uma fonte de energia comum. Embora, se houver um bom desacoplamento, esse problema provavelmente possa ser resolvido da maneira tradicional - usando um transformador de potência com um enrolamento separado.

Assim, consideramos vários circuitos de tubo, cada um deles caracterizado por uma configuração vertical. Existem outras cascatas verticais, mais notavelmente os seguidores de cátodo complexos (como o seguidor de cátodo de White).

Como neste caso estávamos falando sobre estágios de amplificação de tensão, não tocaremos nos seguidores de cátodos neste artigo. Esta é uma vida separada com suas próprias feridas e remédios para elas. Além disso, os tipos considerados de cascatas de amplificação em muitos casos eliminam completamente a necessidade de seguidores de cátodo, combinando as propriedades de um amplificador e um buffer (assim como o famoso shampoo Pantin Pro-Vee com condicionador - dois em um!).

Como muitas vezes acontece, cada cascata subsequente tem parâmetros melhores que a anterior, mas ao mesmo tempo se torna mais difícil. Mais para dentro da floresta - mais detalhes. Portanto, gostaria de aconselhar os leitores que decidem tentar algo deste artigo "pelo som" a não serem maximalistas e não mirar imediatamente na versão "mais legal" dos esquemas acima, mas começar simples. Quem sabe, talvez em um projeto específico de um amplificador ou outro dispositivo, algum circuito intermediário em termos de complexidade e parâmetros soará melhor. Pessoalmente, à primeira vista, a coisa mais próxima de mim (até agora apenas especulativamente) é o circuito SRPP com um pentodo.

Autor: Artur Frunjyan; Publicação: cxem.net

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