Усилитель: что мешает звучать правильно? (часть 2)

для раздела Лаборатория

Окончание. Начало здесь.

Оглавление

Что дают радиолампы?

Если отвечать на вопрос прямо, то ничего хорошего. Радиолампы спроектированы для работы на относительно высоких напряжениях, обладают большим внутренним сопротивлением и довольно низким коэффициентом усиления. Гм, откуда же взялся этот ренессанс, почему современная теория усилителей так тяготеет к этому очевидному выкидышу прошлого, радиолампам? Для начала, попробуем разобраться, чем отличаются радиолампы и транзисторы. Микросхемы состоят из тех же транзисторов, поэтому сравнение радиоламп с ними довольно беспредметно.

Радиолампы.

К сожалению, у меня отсутствуют PSPICE модели советских радиоламп. Точнее, действует принцип «Неуловимого Джо», они не нужны. Но если захотите использовать, можно воспользоваться библиотеками, любезно представленными сайтом next-tube. Однако надо бы как-нибудь прокомментировать рассуждения. По свойствам, ближайшим аналогом радиоламп в триодном исполнении являются полевые транзисторы со встроенным каналом, JFET. Давайте возьмем BF245A, благо он есть в библиотеке PSPICE.

Вначале посмотрим зависимость тока стока от напряжения на затворе. Схема включения обычная:

310x175  4 KB





На затвор подается управляющее напряжение от +0.5 до -1.5 вольта. Устанавливать большее положительное напряжение нельзя, откроется встроенный паразитный диод (который, естественно, отсутствует в радиолампах). Устанавливать же меньше -1.5 вольта смысла нет, транзистор закрывается полностью.

427x337  5 KB

Если сильно утрировать, то можно сказать, что изменение управляющего напряжения приводит к линейному изменению тока стока. Давайте попробуем собрать усилительный каскад.

321x215  5 KB

При этом на стоке будет следующая картинка:

425x335  5 KB

Во-первых, у выходного напряжения размах 3.2 вольта, что говорит о коэффициенте усиления 32 (управляющее напряжение 0.1 вольта). Во-вторых, особо сильных искажений не заметно, скорее их просто не видно. Посмотрим спектр:

423x336  4 KB

Отчетливо видна вторая гармоника, что говорит об асимметрии, и присутствие небольшой третьей гармоники.

Сравним с транзистором. Для примера возьмем нечто обычное, например 2N3904 (npn, 60 вольт, hFE=80). Анализировать зависимость тока коллектора от напряжения на базе как-то глупо, налицо будет явный релейный эффект. Впрочем:





427x336  5 KB

Обратите внимание, шкала тока логарифмическая!

Теперь подадим синусоидальный сигнал на вход и посмотрим, что станет на выходе. У транзистора большее усиление, чем было в схеме на JFET, поэтому я несколько уменьшу величину управляющего напряжения для сохранения прежнего выходного сигнала.

407x362  14 KB

На схеме отражены три варианта подачи сигнала:

  • Зеленый – источник напряжения с очень низким внутренним сопротивлением.
  • Синий – через резистор с сопротивлением, равным входному сопротивлению транзистора (при этом токе эмиттера).
  • Черный – входной сигнал является токовым, то есть с бесконечным внутренним сопротивлением.
  • Красный – образцовый сигнал, без искажений.

Входное сопротивление R3 для второй схемы подбиралось такой величины, чтобы на нём падало такое же переменное напряжение, что и на базе транзистора. Таким образом, номинал резистора R3 равен входному сопротивлению усилительного каскада. Теперь взглянем на форму сигнала:

428x336  6 KB

Для начала, вычислим коэффициент усиления транзистора в этом включении. Девиация выходного напряжения составила 7.822 вольта при управляющем 8 мВ, или 7.822/0.008 = 977. Интересно. Обратите внимание, даже для столь низкой частоты (всего лишь 1 кГц) существует задержка распространения сигнала вход-выход. Особенно этот неприятный момент заметен для случая источника сигнала с очень большим внутренним сопротивлением (черный график).

Перейдем к анализу спектра:

426x335  6 KB





Интересно, даже очень! Увеличение внутреннего сопротивления источника сигнала уменьшает уровень второй гармоники, на третьей сказывается меньше, но что творится с гармониками большего номера – их уровень возрастает! И, что особо неприятно, величина гармоник уже мало зависит от их номера, спектр искажений огромен. Но хотя в PSPICE и используются довольно точные модели, не стоит идеализировать результаты симуляции.

Предварительный вывод – радиолампы, по сравнению с транзисторами, обладают:
1. Низким коэффициентом усиления.
2. Очень большим входным сопротивлением.
3. Существенным внутренним сопротивлением.
4. Отсутствует напряжение смещения управляющего вывода.
5. Невозможна структура с противоположной проводимостью.

Про существенные размеры, старение эмиссии, необходимость накала и времени на выход в рабочий режим пока забудем – это явные недостатки, но не столь критичные.

При беглом взгляде на список создается впечатление, что лишь две позиции из пяти говорят в пользу радиоламп. Большое входное сопротивление – это бесспорный плюс, как и отсутствие смещения, но и остальные свойства - скорее их достоинство, чем недостаток. Впрочем, пройдемся по всем пунктам.

Радиолампы спроектированы для работы на повышенных напряжениях, поэтому большинство свойств не являются столь плохими. Увы, современное применение радиоэлектронных устройств подразумевает нагрузку с низким сопротивлением (наушники, динамики) при широкой полосе частот, что крайне затрудняет процесс проектирования. Но трудности проектирования - проблемы разработчика и слушателя вообще не должны заботить. Главное – качество.

Извините, увлекся. Однако же, пройдемся по пунктам.

Низкий коэффициент усиления – крутизна сетки (в модели JFET «затвора») довольно низка и только за счет повышенного нагрузочного выходного сопротивления можно добиться хорошего (или сносного) коэффициента усиления.

Очень большое входное сопротивление – бесспорное достоинство, в комментариях не нуждается. Одно «но» – динамическая емкость в триодном включении портит жизнь и полное входное сопротивление на высших частотах звукового диапазона становится уже далеко не бесконечным.

Существенное внутреннее сопротивление – увы, особенности технологии. На каждую радиолампу декларируется номинальное рабочее напряжение, обычно в диапазоне 100 – 250 вольт, и сохранить ее нормальное функционирование на значительно меньших напряжениях не получится именно из-за внутреннего сопротивления.

Отсутствует напряжение смещения управляющего вывода – второй бесспорный плюс. Посмотрите передаточную характеристику «вход-выход» усилительного каскада на JFET и обычного транзистора. Для первого смещение не обязательно, а вот транзистору просто необходим сдвиг уровня примерно на 0.6 вольта. Сравните, амплитуду сигнала 8 мВ со смещением 672 мВ, цифры даже не одного порядка! Поправка, даже не двух порядков. Особо усложняет жизнь то, что напряжение смещения зависит от температуры, примерно -2 мВ/градус. Для полезного сигнала 8 мВ это будет сопоставимо с изменением температуры транзистора на 8/2 = 4 градуса. Неприемлемо.





Невозможна структура с противоположной проводимостью – проблема вакуумных элементов. Есть анод и есть катод, последний требует нагрева. Сделать противоположную структуру нельзя. Увы. Впрочем, у их близких «сородичей» JFET существуют оба варианта, с каналом n и p.

Во второй части статьи я собираюсь доказать, что недостатки радиоламп являются их достоинствами. Именно из-за них, устройств с явно посредственными свойствами, внимание не уменьшается. Конечно, радиолампы давно уже перешли в разряд «антуквариатов» (по весьма удачному выражению одного из участников старинного советского сериала «Следствие вели ЗнаТоКи»), что создает ареол элитарности. Но, если отбросить наносное - если бы у решений на радиолампах отсутствовали объективные преимущества, авантюрный интерес давно бы угас. В чем причина? Попробуем разобраться.

Telegram-канал @overclockers_news - это удобный способ следить за новыми материалами на сайте. С картинками, расширенными описаниями и без рекламы.
Страница 1 из 3
Оценитe материал
рейтинг: 4.2 из 5
голосов: 55

Комментарии 125 Правила



Возможно вас заинтересует

Популярные новости

Сейчас обсуждают