Circuito amplificador de retroalimentación universal
ARNOLD J. KAUDER (Ingeniero principal, Bendix Aviation Corporation, North Hollywood, California)
AUDIO, enero de 1960, VOL. 44, nº 1
Un sencillo amplificador de excepcionales prestaciones que debería ser adecuado para prácticamente cualquier instalación es la base de este artículo, pero su mayor valor radica en las instrucciones "universales" para ajustar cualquier amplificador de realimentación.
(Nota: se ha conservado la notación original de las unidades utilizadas en el momento de redactar el artículo).

   El amplificador que se describirá ha funcionado bien con cinco transformadores de salida diferentes, lo que ha llevado al escritor a utilizar la designación "universal". En cada caso, el amplificador se ha encontrado completamente estable con (a) sin carga, (b) carga resistiva de 8 ohmios, (c) carga de altavoz de 8 ohmios y (d) una carga de capacitor de 0.1 μF agregada a cualquiera de las cargas. condiciones de (a), (b) o (c) anteriores. El factor de realimentación empleado ha sido de 20 db ± 1 db.

   Pocos de los amplificadores "Williamson Type" y otros vistos por el autor han sido capaces de cumplir con tal prueba de estabilidad. La respiración del cono del altavoz, debido a oscilaciones de muy baja frecuencia, y las oscilaciones supersónicas que se ven fácilmente en un osciloscopio son muy comunes. Cualquier tipo de oscilación puede producir cargas negativas en los lados de la rejilla de los condensadores de acoplamiento del tubo de salida, lo que da como resultado una distorsión y una potencia de salida limitada. También se han observado amplificadores marginalmente estables que normalmente no oscilan, pero son altamente regenerativos a frecuencias extremas y oscilan cuando las señales de audio con bordes de entrada pronunciados en las formas de onda se alimentan a los terminales de entrada.

   Se cree que es de interés una breve historia del desarrollo del circuito y es la siguiente:

Desarrollo

   El autor era un fanático de la "alta fidelidad" hace muchos años y todavía no se avergüenza del rendimiento de un amplificador de triodo 2A3 push-pull de clase A (potencia de salida de 7 vatios) que todavía tiene a mano. Después de un lapso de 10 años, un renovado interés en la alta fidelidad condujo a un estudio de la retroalimentación y los amplificadores actuales que han logrado reconocimiento en la literatura. El escritor descubrió con molestia que no era posible duplicar un circuito amplificador publicado y emplear un transformador de salida diferente y un diseño más compacto, a menos que se llevara a cabo un rediseño extenso de los circuitos de acoplamiento y retroalimentación.

   Luego, el autor hizo un análisis de los problemas en el diseño de amplificadores de retroalimentación y estableció los siguientes principios para su propio amplificador.

  1. Debe tener el menor número de etapas posible para lograr la ganancia requerida. Las etapas adicionales contribuyen a los cambios de fase en frecuencias bajas y altas que reducen la estabilidad inherente del amplificador.
  2. Debe emplearse el circuito más simple posible. Los componentes adicionales que no son necesarios simplemente aumentan el costo, la complicación y la posibilidad de falla.
  3. La etapa de salida debe estar polarizada para la operación de Clase A. En general, no se sabe que el corte de corriente de la placa en un tubo de salida de potencia polarizado para operación AB puede causar zumbido y oscilación, así como otras formas de distorsión debido a los frentes de onda pronunciados en la forma de onda de corriente del transformador de salida.
  4. Se deben emplear múltiples rutas de retroalimentación, en lugar de una sola ruta desde la salida a la entrada, para lograr la máxima estabilidad.
  5. Aunque el autor es de la escuela que cree que una potencia de salida de 6 watts es adecuada para el hogar, se debe emplear una potencia de salida entre 15 y 20 watts para asegurar una linealidad casi perfecta en el nivel de escucha doméstico máximo normal de 5 watts y para permitir un margen de reserva de energía para compensar el envejecimiento del tubo, altavoces ineficientes o no coincidentes y otras variables.

Circuitos

   El esquema del amplificador resultante se muestra en la Fig. 1 y su fuente de alimentación en la Fig. 2. Consiste en un amplificador de voltaje de pentodo acoplado directamente a un divisor de fase de triodo de carga dividida, que es una resistencia acoplada a la salida push-pull. pentodos En realidad, se puede pensar en el amplificador como el tipo de pentodo acoplado por resistencia de dos etapas más simple, con el divisor de fase agregado para convertir el diseño en operación push-pull. Este diseño simple y directo no es sorprendentemente nuevo ni siquiera original, pero cumple admirablemente el requisito del menor número posible de etapas y redes de acoplamiento. Esta es la clave inicial para la estabilidad en un amplificador de retroalimentación. La clave final para el alto nivel de estabilidad se encuentra en las tres rutas de retroalimentación, que se discutirán en un párrafo posterior.


Fig. 1. Esquema del amplificador de retroalimentación "Universal" del autor.


Fig. 2. Fuente de alimentación para el amplificador "Universal".

   Para satisfacer los requisitos de diseño de energía y Clase A, las válvulas de salida tenían que ser válvulas de potencia de haz del tipo 6L6, con una construcción mejorada como se ejemplifica en el tipo 5881 y 6L6GB. Ningún triodo disponible es capaz de proporcionar la alta ganancia o la potencia de salida en la operación de Clase A que proporcionan los tubos de potencia de haz, y proporcionan una fuente de alimentación modesta y requisitos de etapa de controlador. Se emplean resistencias estabilizadoras de valores adecuados en los circuitos de rejilla, rejilla de pantalla y placa. Las válvulas tienen polarización propia, ya que la polarización fija no parece ofrecer ninguna ventaja con las válvulas de potencia de haz, mientras que la polarización automática permite el uso de una mayor impedancia en los circuitos de rejilla, con menos carga en la etapa del controlador.

   La etapa de salida push-pull es impulsada por un divisor de fase de carga dividida o de eatodina que emplea un triodo en miniatura tipo 6C4. Después de un estudio considerable de los divisores de fase, el escritor considera que este tipo es superior a todos los demás, incluido el inversor acoplado al cátodo, en realidad el único otro tipo que se considera digno de consideración. Se ha hablado mucho sobre el desequilibrio del inversor de fase catodino a altas frecuencias, pero después de consultar la bibliografía disponible, el autor considera que se habla mucho y no se basa en una investigación adecuada.

   En realidad, la impedancia de fuente equivalente de cualquiera de los canales de salida es 1:

(1)

Sustituyendo un valor de 56.000 ohmios para RL, 10.000 ohmios para rp y 19,5 para él según corresponda para el tubo 6C4 empleado en este amplificador,

 

Las capacidades de salida Co para cada canal son, respectivamente1:

Canal de placa:

(2)

Canal de cátodo:

(3)

dónde:

  • A - la ganancia del canal de aproximadamente 0,9
    Cpk - capacitancia de placa a tubo de cátodo
    Cgp - capacitancia del tubo de placa de rejilla
    Cgk - capacitancia de rejilla a tubo de cátodo
    Chk = capacitancia del tubo del calentador al cátodo

Para un triodo 6C4:

  • Cpk = 1,3 μμF
    Cgp = 1,6 μμF
    Cgk = 1,8 μμF
    Chk = 2,5 μμF

Sustituyendo estos valores en las Ecs. (2) y (3):

Canal de placa:

 

Canal de cátodo:

 

Si a estas capacidades de salida se suman valores de 10 μf para el cableado y 10 μf para la capacitancia de entrada de las válvulas de salida de potencia, la capacitancia de derivación total de los dos canales es de 25,96 μf y 25,28 μf respectivamente, una diferencia de 0,68 μf o aproximadamente 1,5 por ciento Volviendo a la Ec. (1), el valor de la impedancia de fuente equivalente Ro de 460 ohmios con una capacitancia de derivación de 30 μμf dará como resultado una salida dentro de los 3 db de la salida de frecuencia media más allá de 10 mc, muy por fuera del rango de cualquier amplificador de audio que este ciudadano desee poseer. Cualquier desequilibrio dentro del rango de unos pocos cientos de kilociclos se considera insignificante.

   Tal como se emplea, el divisor catódico contribuye con un pequeño cambio de fase, está virtualmente libre de distorsión, se equilibra fácilmente con dos resistencias de carga coincidentes y cumple fácilmente con los requisitos de conducción de 30 voltios de salida pico a pico para los dos tubos de salida de potencia. El divisor de fase está acoplado directamente al tubo amplificador de entrada, un pentodo en miniatura tipo 6BH6 de alta transconductancia. El diseño de la primera etapa es convencional. Sin embargo, el potencial de la rejilla de pantalla se elige para permitir la operación con un valor relativamente bajo de resistencia de polarización en el circuito del cátodo del tubo, para reducir la impedancia de la red de retroalimentación principal.

   Si bien se cree que en las dos primeras etapas se pueden emplear otros tubos de triodo y pentodo de características similares, se eligieron el 6BH6 y el 6C4 porque tienen corrientes de calentamiento bajas (150 ma), que se ha comprobado que minimizan los problemas de zumbido.

Razones para la estabilidad

   El alto grado de estabilidad de este amplificador se logra mediante tres caminos de retroalimentación negativa del tipo más simple, como se describe a continuación:

  1. La primera etapa tiene una resistencia de cátodo no puenteada, que constituye el primer camino que proporciona retroalimentación negativa.
  2. Un pequeño capacitor ajustable Cf1 (3-12 μF) conectado entre la placa de un tubo de salida y el cátodo del tubo amplificador de entrada proporciona la segunda ruta de retroalimentación negativa. Este camino proporciona una retroalimentación considerable en las frecuencias supersónicas, eliminando el pico que se encuentra en esta región a medida que aumenta el factor de retroalimentación.
  3. La tercera ruta de retroalimentación la proporciona un divisor de voltaje conectado a través del transformador de salida, que consta de la resistencia de retroalimentación Rf y la resistencia de cátodo no puenteada de 680 ohmios del tubo amplificador de pentodo de entrada.
    Se conecta un capacitor ajustable Cf2 = (30 - 300 μμf) a través de la resistencia de retroalimentación para proporcionar control del factor de retroalimentación en las frecuencias más altas por debajo del pico nivelado por Cf1, discutido anteriormente.

Procedimiento de ajuste

   Se debe emplear el siguiente procedimiento para ajustar las redes de retroalimentación para un funcionamiento estable del amplificador universal.

  1. Con Cf1, Cf2. y la resistencia de retroalimentación principal Rf, desconectada, ejecuta una curva de respuesta en el amplificador con una resistencia de 4, 8 o 16 ohmios conectada a las terminales de salida del amplificador adecuadas. Dependiendo de la calidad del transformador de salida, la respuesta debe estar nivelada dentro de aproximadamente 3 db (30 por ciento aproximadamente) de la respuesta de rango medio (400 a 1000 cps) a aproximadamente 10,000 cps o más.
  2. Cualquier oscilador de audio razonable que cubra de 20 a 100.000 cps es adecuado.
    Conecte una resistencia variable de 25 000 ohmios a la resistencia máxima como Rf y observe si la ganancia del amplificador disminuye. Si aumenta, invierta las conexiones de la placa de tubos de salida al transformador de salida, o invierta las conexiones al devanado secundario del transformador de salida.
  3. Disminuya el valor de Rf lentamente y busque un pico en la respuesta del amplificador en los rangos de alta frecuencia (generalmente se encuentran en alrededor de 40,000 cps o más).
  4. Conecte Cf1 y ajuste según sea necesario para eliminar el pico de alta frecuencia mencionado anteriormente.
  5. Continúe disminuyendo Rf y reajuste Cf2, según sea necesario, hasta que la ganancia del amplificador se reduzca a una décima parte del valor sin retroalimentación. Este es un factor de retroalimentación de 20 db. Con todos los transformadores de salida excepto los de la más alta calidad, por lo general se hará evidente un segundo pico de respuesta, en el rango de frecuencia entre 17 y 30 kc. Este pico será considerablemente más amplio que el primer pico de respuesta.
  6. Conecte Cf2 y ajuste según sea necesario para nivelar el segundo pico.
  7. Vuelva a comprobar la respuesta de frecuencia del amplificador y realice ligeros reajustes de Cf1 y Cf2, según sea necesario para nivelar cualquier aumento en la curva de respuesta. Conecte el altavoz en lugar de la resistencia de carga y repita este paso.
  8. Ahora se le puede dar al amplificador la prueba de fuego de conectar capacitores a través de las terminales de salida. Si el amplificador no es estable con al menos un condensador de 0,02 μf en los terminales de salida, se deben realizar ajustes adicionales de Cf1 y Cf2 según sea necesario. Rf y Cf2 ahora deben medirse y reemplazarse con componentes de valor fijo.
    Si se hace evidente un pico en la respuesta de baja frecuencia del amplificador durante los ajustes de retroalimentación, el valor del condensador de derivación de pantalla a cátodo Csg del amplificador de pentodo de entrada puede reducirse (en un caso de 0,5 μf a 0,05 μf) para nivelar la respuesta de baja frecuencia.

   Se han logrado factores de retroalimentación de hasta 40 db (una reducción de 100:1 en la ganancia) con transformadores de alta calidad. Sin embargo, el amplificador requiere una señal de entrada de 10 voltios rms para una salida de 15 vatios, mientras que aproximadamente un voltio es suficiente para una salida completa con 20 db de retroalimentación. No se ha percibido ninguna diferencia en el rendimiento auditivo con un aumento del factor de retroalimentación más allá de 20 db.

   Si algún perfeccionista (más poder para tal) no acepta que el equilibrio del divisor de fase catodino sea adecuado, puede lograr un equilibrio teóricamente perfecto agregando un pequeño capacitor ajustable a través de la resistencia de carga del cátodo y verificar el equilibrio perfecto en la región del megaciclo. Sin embargo, no se debe conectar ningún instrumento de prueba al propio inversor catodino, o la capacitancia añadida inherente invalidará los resultados de la prueba. Las medidas de equilibrio se deben realizar en los terminales de placa de etapas posteriores.

   El autor probó la conexión "ultralineal" de las válvulas de salida, pero no observó ninguna ventaja en el rendimiento para compensar la reducción de la ganancia. Quienes prefieran este método de funcionamiento de las válvulas de salida pueden cambiar la resistencia de polarización a un valor que se aproxime al de la operación de triodo de las válvulas de salida y, de lo contrario, seguir el procedimiento descrito en este artículo.

   Este amplificador se ha denominado "Universal" ya que se cree que es capaz de producir el rendimiento óptimo que se puede obtener de cualquier transformador de salida con relaciones de impedancia adecuadas. No hay razón para creer que las válvulas de potencia más grandes y más pequeñas que el tipo 5881 no pueden usarse con el mismo éxito. Sin embargo, el autor ve con malos ojos cualquier tipo de operación de los tubos de salida, excepto la clase A, a menos que el transformador de salida sea una unidad de grado superior y las rejillas de pantalla de los tubos de salida se alimenten de una fuente de alimentación regulada.

Sugerencias adicionales

   Las siguientes notas se ofrecen a los posibles constructores del amplificador universal.

  • Nota 1: La red a través de los terminales de salida del transformador está diseñada para brindar una mayor estabilidad a altas frecuencias sin carga. No es necesario con los mejores transformadores de salida.
    Nota 2: Se recomienda que todos los cables conectados a tierra se conecten a una barra colectora común, que esté aislada del chasis excepto en la terminal de tierra del conector de entrada.
    Nota 3: No se ha empleado ningún control de equilibrio de polarización para las válvulas de salida, ya que las válvulas 6L6GB y 5881 parecen ser bastante uniformes.
    Nota 4: La derivación central del potenciómetro de equilibrio de 100 ohmios conectado a través del devanado del calentador está conectada a tierra, ya que esta conexión hace que el zumbido sea inaudible con el oído a un pie del altavoz. Con tubos diferentes o un diseño diferente, puede ser recomendable devolver la derivación central del potenciómetro a un potencial positivo, que puede ser proporcionado por un divisor de voltaje resistivo en la salida de la fuente de alimentación. Los potenciales positivos de hasta aproximadamente 55 voltios pueden investigarse para un zumbido mínimo.
    Nota 5: el sistema de altavoces del autor requiere una impedancia de salida de 8 ohmios y esto se proporcionó en cada transformador de salida.
    usó. Los valores de 16 o 4 ohmios requerirán un valor diferente de la resistencia de retroalimentación Rf. La impedancia primaria debe estar entre 5000 y 7000 ohmios para el tipo 5881 y válvulas similares.

   Se han realizado mediciones de distorsión e intermodulación, pero no se presentarán en este artículo. Basta con que el amplificador sea esencialmente sin distorsiones hasta el punto de sobrecarga de los tubos de salida o del transformador, lo que se alcance primero. La respuesta de frecuencia es plana desde el límite de baja frecuencia del transformador de salida hasta algo más alta que la frecuencia resonante del transformador de salida, más allá de la cual la respuesta cae suavemente a una tasa de 6 a 10 db por octava. Las frecuencias de resonancia de los transformadores utilizados han oscilado entre 38 y 100 kc aproximadamente.


Fig. 3. Vista superior del amplificador descrito.


Fig. 4. Vista inferior del amplificador del autor.

   Las figuras 3 y 4 son vistas superior e inferior de una versión del amplificador universal que proporciona potencia de placa y filamento para una gran consola de fonógrafo de radio AM-FM y, por lo tanto, utiliza dos tubos rectificadores 5V4G.


Fig. 5. Otra realización del amplificador "Universal": este usa rectificadores de silicio en la sección de fuente de alimentación.

   La figura 5 es una vista de una segunda versión del amplificador universal que utiliza rectificadores de silicio en la fuente de alimentación. La cinta de enmascarar utilizada para proteger el acabado de pintura de los transformadores durante la construcción se muestra en la Fig. 5 como una sugerencia útil.


1 "Radiotron Designer's Handbook", Edited by H. Langford-Smith, Fourth Edidion, p. 330.