Universelle Feedback-Verstärkerschaltung - Universal Feedback Amplifier Circuit (Audio January 1960)

Universelle Feedback-Verstärkerschaltung
ARNOLD J. KAUDER (Principal Engineer, Bendix Aviation Corporation, North Hollywood, California)
  AUDIO, January, 1960, VOL. 44, No. 1
Ein einfacher Verstärker von außergewöhnlicher Leistung, der für praktisch jede Installation ausreichen sollte, ist die Grundlage dieses Artikels, aber sein größter Wert liegt in der "universellen" Anleitung zum Einstellen jedes rückgekoppelten Verstärkers.
(Hinweis: Die ursprüngliche Notation der Einheiten, die zum Zeitpunkt des Schreibens des Artikels verwendet wurde, wurde beibehalten.)

   Der zu beschreibende Verstärker hat mit fünf verschiedenen Ausgangstransformatoren gut funktioniert, was den Verfasser veranlasst hat, die Bezeichnung "universal" zu verwenden. Der Verstärker wurde in jedem Fall als vollständig stabil befunden, wenn (a) keine Last, (b) 8-Ohm-Widerstandslast, (c) 8-Ohm-Lautsprecherlast und (d) eine 0,1-μF-Kondensatorlast zu einer beliebigen Last hinzugefügt wurde Bedingungen von (a), (b) oder (c) oben. Der verwendete Rückkopplungsfaktor war 20 db ± 1 db.

   Nur wenige der "Williamson Type" und andere Verstärker, die der Autor gesehen hat, waren in der Lage, einen solchen Stabilitätstest zu bestehen. Atmen des Lautsprecherkegels aufgrund von sehr niederfrequenten Schwingungen und Überschallschwingungen, die leicht auf einem Oszilloskop zu sehen sind, sind allzu häufig. Jede Art von Oszillation kann negative Ladungen auf den Gitterseiten der Kopplungskondensatoren der Ausgangsröhre erzeugen, was zu einer Verzerrung und einer begrenzten Ausgangsleistung führt. Es wurden auch geringfügig stabile Verstärker beobachtet, die normalerweise nicht oszillieren, aber bei extremen Frequenzen stark regenerativ sind und oszillieren, wenn Audiosignale mit steilen Anstiegsflanken der Wellenformen an die Eingangsanschlüsse angelegt werden.

   Es wird angenommen, dass eine kurze Geschichte der Entwicklung der Schaltung von Interesse ist und wie folgt lautet:

Entwicklung

   Der Autor war vor vielen Jahren ein "High Fidelity"-Fan und schämt sich noch immer nicht für die Leistung eines Class-A-Gegentakt-2A3-Triodenverstärkers (Ausgangsleistung von 7 Watt), der immer noch zur Verfügung steht. Nach Ablauf von 10 Jahren führte ein erneutes Interesse an High-Fidelity zu einer Untersuchung der Rückkopplung und der heutigen Verstärker, die in der Literatur Anerkennung gefunden haben. Der Autor stellte zu seinem Ärger fest, dass es nicht möglich war, eine veröffentlichte Verstärkerschaltung zu duplizieren und einen anderen Ausgangstransformator und ein kompakteres Layout zu verwenden - es sei denn, es wurde eine umfassende Neugestaltung der Kopplungs- und Rückkopplungsschaltungen durchgeführt.

   Der Autor hat dann eine Analyse der Probleme bei der Konstruktion von rückgekoppelten Verstärkern vorgenommen und die folgenden Prinzipien für seinen eigenen Verstärker aufgestellt.

1. Es sollte so wenig Stufen wie möglich haben, um die erforderliche Verstärkung zu erreichen. Zusätzliche Stufen tragen zu Phasenverschiebungen bei niedrigen und hohen Frequenzen bei, die die inhärente Stabilität des Verstärkers verringern.
2. Es sollte eine möglichst einfache Schaltung verwendet werden. Zusätzliche Komponenten, die nicht notwendig sind, tragen einfach zu den Kosten, der Komplikation und dem Ausfallpotential bei.
3. Die Ausgangsstufe sollte für Class-A-Betrieb vorgespannt sein. Es ist im Allgemeinen nicht bekannt, dass eine Plattenstromabschaltung in einer auf AB-Betrieb vorgespannten Leistungsausgangsröhre ein Nachschwingen und Schwingen sowie andere Formen von Verzerrungen aufgrund der steilen Wellenfronten in der Stromwellenform des Ausgangstransformators verursachen kann.
4. Um maximale Stabilität zu erreichen, sollten mehrere Rückkopplungspfade anstelle eines einzelnen Pfads vom Ausgang zum Eingang verwendet werden.
5. Obwohl der Autor der Schule angehört, die glaubt, dass eine Ausgangsleistung von 6 Watt für zu Hause ausreichend ist, sollte eine Ausgangsleistung zwischen 15 und 20 Watt verwendet werden, um eine nahezu perfekte Linearität bei dem normalen maximalen Hörpegel von 5 Watt zu gewährleisten um eine Leistungsreserve zu ermöglichen, um Röhrenalterung, ineffiziente oder nicht angepasste Lautsprecher und andere Variablen auszugleichen.

Schaltung

   Das Schaltbild des resultierenden Verstärkers ist in Abb. 1 und seine Stromversorgung in Abb. 2 dargestellt. Er besteht aus einem Pentoden-Spannungsverstärker, der direkt mit einem Split-Load-Trioden-Phasenteiler gekoppelt ist, der mit dem Gegentaktausgang widerstandsgekoppelt ist Pentoden. Tatsächlich kann man sich den Verstärker als den einfachsten zweistufigen widerstandsgekoppelten Pentodentyp vorstellen, wobei der Phasenteiler hinzugefügt wurde, um das Design auf Gegentaktbetrieb umzustellen. Dieses einfache geradlinige Design ist weder verblüffend neu noch originell, erfüllt aber in bewundernswerter Weise die Forderung nach einer möglichst geringen Anzahl von Stufen und Kopplungsnetzwerken. Dies ist der erste Schlüssel zur Stabilität in einem Rückkopplungsverstärker. Der letzte Schlüssel zur hohen Stabilität liegt in den drei Rückkopplungspfaden, auf die in einem späteren Abschnitt eingegangen wird.

Abb. 1. Schema des „Universal“-Rückkopplungsverstärkers des Autors.

Abb. 2. Stromversorgung für den „Universal“-Verstärker.

   Um die Anforderungen der Klasse A und des Leistungsdesigns zu erfüllen, mussten die Ausgangsröhren Beam-Leistungsröhren des Typs 6L6 mit verbesserter Konstruktion sein, wie sie in den Typen 5881 und 6L6GB beispielhaft dargestellt sind. Keine verfügbaren Trioden sind in der Lage, entweder die hohe Verstärkung oder die Ausgangsleistung im Class-A-Betrieb zu liefern, die Beam-Leistungsröhren bieten - und dies mit bescheidenen Anforderungen an Stromversorgung und Treiberstufe. Stabilisierungswiderstände mit geeigneten Werten werden in den Gitter-, Schirmgitter- und Plattenschaltungen verwendet. Die Röhren sind selbstvorgespannt, da eine feste Vorspannung bei Beam-Power-Röhren keinen Vorteil zu bieten scheint, während die Eigenvorspannung die Verwendung einer höheren Impedanz in den Gitterschaltungen bei geringerer Belastung der Treiberstufe ermöglicht.

   Die Push-Pull-Ausgangsstufe wird von einem Split-Load- oder Eathodyne-Phasenteiler mit einer Miniaturtriode vom Typ 6C4 angesteuert. Nach eingehender Untersuchung von Phasenteilern wird dieser Typ vom Verfasser als allen anderen überlegen angesehen, einschließlich des kathodengekoppelten Wechselrichters - tatsächlich der einzige andere Typ, der als erwägenswert erachtet wird. Es wurde viel über die Unsymmetrie des Kathodyn-Phaseninverters bei hohen Frequenzen gesprochen, aber nach Bezugnahme auf die verfügbare Literatur hält der Autor dies für viel Gerede, das nicht auf angemessenen Untersuchungen basiert.

   Tatsächlich ist die äquivalente Quellenimpedanz jedes Ausgangskanals¹:

(1)

Ersetzen Sie einen Wert von 56.000 Ohm für R_L, 10.000 Ohm für r_p und 19,5 dafür, wie für die in diesem Verstärker verwendete 6C4-Röhre anwendbar,

Die Ausgangskapazitäten C_o für jeden Kanal sind jeweils¹:

Plattenkanal:

(2)

Kathodenkanal:

(3)

wo:

• A -die Kanalverstärkung von etwa 0,9
• C_pk - Kapazität zwischen Platte und Kathode
• C_gp - Gitter-zu-Platte-Röhrenkapazität
• C_gk - Kapazität zwischen Gitter und Kathodenröhre
• C_hk = Kapazität zwischen Heizung und Kathodenröhre

Für eine 6C4-Triode:

• C_pk = 1.3 μμF
• C_gp = 1.6 μμF
• C_gk = 1.8 μμF
• C_hk = 2.5 μμF

Einsetzen dieser Werte in die Gleichungen (2) und (3):

Plattenkanal:

Kathodenkanal:

Wenn diese Ausgangskapazitäten zu Werten von 10 μμf für die Verdrahtung und 10 μμf für die Eingangskapazität der Leistungsendröhren addiert werden, beträgt die gesamte Nebenschlusskapazität der beiden Kanäle 25,96 μμf bzw. 25,28 μμf, eine Differenz von 0,68 μμf oder ungefähr 1,5 Prozent. Unter Rückbezug auf Gl. (1) führt der Wert von 460 Ohm äquivalenter Quellenimpedanz Ro mit einer Nebenschlusskapazität von 30 μμf zu einer Ausgabe innerhalb von 3 db der Mittelfrequenzausgabe jenseits von 10 mc, weit außerhalb des Bereichs jedes Audioverstärkers, den dieser Bürger jemals haben möchte besitzen. Jede Unwucht im Bereich bis zu einigen hundert Kilozyklen wird als vernachlässigbar angesehen.

   Wie verwendet, trägt der Kathodyn-Splitter zu einer geringen Phasenverschiebung bei, ist selbst praktisch verzerrungsfrei, lässt sich leicht mit zwei angepassten Lastwiderständen ausbalancieren und erfüllt problemlos die Treiberanforderungen von 30 Volt Spitze-zu-Spitze-Ausgang für die beiden Leistungsausgangsröhren. Der Phasenteiler ist direkt mit der Eingangsverstärkerröhre gekoppelt, einer Miniaturpentode vom Typ 6BH6 mit hohem Transkonduktor. Das Design der ersten Stufe ist konventionell. Das Schirmgitterpotential ist jedoch so gewählt, dass ein Betrieb mit einem relativ niedrigen Vorspannungswiderstandswert in der Röhrenkathodenschaltung ermöglicht wird, um die Impedanz des Hauptrückkopplungsnetzwerks zu verringern.

   Obwohl davon ausgegangen wird, dass andere Trioden- und Pentodenröhren mit ähnlichen Eigenschaften in den ersten beiden Stufen verwendet werden können, wurden die 6BH6 und 6C4 ausgewählt, weil sie niedrige Heizströme (150 mA) haben, die Brummprobleme minimieren.

Gründe für Stabilität

   Die hohe Stabilität dieses Verstärkers wird durch drei Gegenkopplungspfade einfachster Art erreicht, wie im Folgenden beschrieben: 

1. Die erste Stufe hat einen nicht umgangenen Kathodenwiderstand, der den ersten Pfad bildet, der eine negative Rückkopplung bereitstellt.
2. Ein kleiner einstellbarer Kondensator C_f1 (3–12 μF), der zwischen die Platte einer Ausgangsröhre und die Kathode der Eingangsverstärkerröhre geschaltet ist, liefert den zweiten negativen Rückkopplungspfad. Dieser Weg liefert eine beträchtliche Rückkopplung bei den Überschallfrequenzen, wodurch die in diesem Bereich gefundene Spitze eliminiert wird, wenn der Rückkopplungsfaktor erhöht wird.
3. Der dritte Rückkopplungspfad wird durch einen über den Ausgangstransformator geschalteten Spannungsteiler bereitgestellt, der aus dem Rückkopplungswiderstand R_f und dem nicht umgangenen 680-Ohm-Kathodenwiderstand der Eingangspentoden-Verstärkerröhre besteht.

   Ein einstellbarer Kondensator C_f2 = (30–300 μμf) ist über den Rückkopplungswiderstand geschaltet, um eine Steuerung des Rückkopplungsfaktors bei den höheren Frequenzen unterhalb der durch C_f1 eingepegelten Spitze bereitzustellen, wie oben diskutiert.

Anpassungsverfahren

   Das folgende Verfahren sollte verwendet werden, um die Rückkopplungsnetzwerke für einen stabilen Betrieb des Universalverstärkers einzustellen.

1. Mit C_f1, C_f2. und der Hauptrückkopplungswiderstand R_f, getrennt, führen eine Antwortkurve auf dem Verstärker mit einem 4-, 8- oder 16-Ohm-Widerstand, der an die richtigen Verstärkerausgangsklemmen angeschlossen ist. Abhängig von der Qualität des Ausgangstransformators sollte der Frequenzgang innerhalb von etwa 3 db (ungefähr 30 Prozent) des Mittenbereichs (400 bis 1000 cps) bis etwa 10.000 cps oder höher liegen. Jeder vernünftige Audio-Oszillator mit einer Bandbreite von 20 bis 100.000 cps ist geeignet.
2. Schließen Sie einen variablen 25.000-Ohm-Widerstand an den maximalen Widerstand als R_f an und beobachten Sie, ob die Verstärkung des Verstärkers abnimmt. Wenn er ansteigt, tauschen Sie die Anschlüsse der Ausgangsröhrenplatte zum Ausgangstransformator oder die Anschlüsse an der Sekundärwicklung des Ausgangstransformators um.
3. Verringern Sie den Wert von Rf langsam und suchen Sie nach einer Spitze in der Antwort des Verstärkers in den hohen Frequenzbereichen (normalerweise bei etwa 40.000 cps oder höher).
4. C_f1 anschließen und nach Bedarf anpassen, um die oben besprochene Hochfrequenzspitze zu eliminieren.
5. Verringern Sie R_f weiter und stellen Sie C_f2 nach Bedarf neu ein, bis die Verstärkung des Verstärkers auf ein Zehntel des Werts ohne Rückkopplung reduziert ist. Das ist ein Rückkopplungsfaktor von 20 db. Bei allen Ausgangsübertragern mit Ausnahme der hochwertigsten Ausgangsübertrager wird normalerweise eine zweite Ansprechspitze im Frequenzbereich zwischen 17 und 30 kc deutlich. Dieser Peak ist beträchtlich breiter als der erste Reaktionspeak.
6. Schließen Sie C_f2 an und stellen Sie nach Bedarf ein, um die zweite Spitze auszugleichen.
7. Überprüfen Sie den Frequenzgang des Verstärkers erneut und nehmen Sie ggf. geringfügige Neueinstellungen von C_f1 und C_f2 vor, um etwaige Anstiege in der Frequenzgangkurve auszugleichen. Schließen Sie den Lautsprecher anstelle des Lastwiderstands an und wiederholen Sie diesen Schritt.
8. Der Verstärker kann nun auf Herz und Nieren geprüft werden, indem Kondensatoren über die Ausgangsklemmen geschaltet werden. Wenn der Verstärker mit mindestens einem 0,02-μf-Kondensator über den Ausgangsklemmen nicht stabil ist, sollten bei Bedarf weitere Einstellungen von C_f1 und C_f2 vorgenommen werden. Rf und Cf2 sollten nun gemessen und durch Festwertkomponenten ersetzt werden.

   Wenn während der Rückkopplungseinstellungen eine Spitze im Niederfrequenzgang des Verstärkers sichtbar wird, kann der Wert des Schirm-zu-Kathoden-Überbrückungskondensators C_sg des Eingangspentodenverstärkers reduziert werden (in einem Fall von 0,5 μf auf 0,05 μf). um den Niederfrequenzgang auszugleichen.

   Mit hochwertigen Übertragern wurden Rückkopplungsfaktoren von bis zu 40 db (eine Verstärkungsreduzierung von 100:1) erreicht. Allerdings benötigt der Verstärker dann für 15 Watt Leistung ein 10-Volt-RMS-Eingangssignal, während für eine volle Leistung mit 20 db Rückkopplung etwa ein Volt ausreicht. Bei einer Erhöhung des Rückkopplungsfaktors über 20 db war kein Unterschied in der Hörleistung erkennbar.

   Wenn ein Perfektionist (mehr Leistung für solche) die Balance des Kathodyn-Phasenteilers nicht als angemessen akzeptiert, kann er eine theoretisch perfekte Balance erreichen, indem er einen kleinen einstellbaren Kondensator über den Kathodenlastwiderstand hinzufügt und auf perfekte Balance im Megazyklusbereich prüft. Es sollten jedoch keine Prüfinstrumente an den Kathodyn-Wechselrichter selbst angeschlossen werden, da sonst die inhärente zusätzliche Kapazität die Prüfergebnisse ungültig macht. Die Ausgleichsmessungen müssen an den Plattenanschlüssen der nachfolgenden Stufen vorgenommen werden.

   Der Autor hat die "ultralineare" Verbindung der Ausgangsröhren ausprobiert, aber keinen Leistungsvorteil festgestellt, der die Verringerung der Verstärkung kompensiert. Diejenigen, die diese Methode des Ausgangsröhrenbetriebs bevorzugen, können den Vorspannungswiderstand auf einen Wert ändern, der ungefähr dem Wert für den Triodenbetrieb der Ausgangsröhren entspricht, und ansonsten dem in diesem Artikel beschriebenen Verfahren folgen.

   Dieser Verstärker wurde als "Universal" bezeichnet, da angenommen wird, dass er die optimale Leistung erbringen kann, die von jedem Ausgangstransformator mit geeigneten Impedanzverhältnissen erhältlich ist. Es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass größere und kleinere Endstufenröhren als der Typ 5881 nicht mit gleichem Erfolg eingesetzt werden können. Allerdings missachtet der Autor jede Art des Betriebs der Endröhren außer Klasse A, es sei denn, der Ausgangstransformator ist ein erstklassiges Gerät und die Schirmgitter der Endröhren werden von einem geregelten Netzteil gespeist.

Zusätzliche Vorschläge

   Die folgenden Hinweise werden potenziellen Erbauern des Universalverstärkers angeboten.

• Hinweis 1: Das Netzwerk über den Ausgangsklemmen des Transformators soll eine erhöhte Stabilität bei hohen Frequenzen ohne Last bieten. Bei den besten Ausgangsübertragern wird es nicht benötigt.
• Hinweis 2: Es wird empfohlen, alle geerdeten Leitungen zu einer gemeinsamen Stromschiene zu führen, die außer am Erdungsanschluss des Eingangsanschlusses vom Gehäuse isoliert ist.
  Anmerkung 3: Für die Ausgangsröhren wurde kein Bias-Balancing-Regler verwendet, da die 6L6GB- und 5881-Röhren recht einheitlich zu sein scheinen.
• Hinweis 4: Der Mittelabgriff des 100-Ohm-Balance-Potentiometers, das über die Heizwicklung angeschlossen ist, ist geerdet, da diese Verbindung das Brummen unhörbar macht, wenn das Ohr einen Fuß vom Lautsprecher entfernt ist. Bei anderen Röhren oder einem anderen Layout kann es sinnvoll sein, den Mittelabgriff des Potentiometers auf positives Potential zu bringen, was durch einen ohmschen Spannungsteiler am Ausgang des Netzteils bereitgestellt werden kann. Positive Potentiale bis etwa 55 Volt können auf minimales Brummen untersucht werden.
• Hinweis 5: Das Lautsprechersystem des Autors erfordert eine Ausgangsimpedanz von 8 Ohm, und diese wurde an jedem Ausgangstransformator bereitgestellt
  gebraucht. Werte von 16 oder 4 Ohm erfordern einen anderen Wert des Rückkopplungswiderstands Rf. Die Primärimpedanz sollte bei Typ 5881 und ähnlichen Röhren zwischen 5000 und 7000 Ohm liegen.

   Verzerrungs- und Intermodulationsmessungen wurden durchgeführt, werden aber in diesem Artikel nicht vorgestellt. Es genügt, dass der Verstärker bis zum Überlastpunkt der Endröhren oder des Transformators, je nachdem, was zuerst erreicht wird, im Wesentlichen verzerrungsfrei ist. Der Frequenzgang ist von der Niederfrequenzgrenze des Ausgangstransformators bis etwas höher als die Resonanzfrequenz des Ausgangstransformators flach, darüber hinaus fällt der Frequenzgang sanft mit einer Rate von 6 bis 10 db pro Oktave ab. Die Resonanzfrequenzen der verwendeten Transformatoren lagen im Bereich von etwa 38 bis 100 kc.

Abb. 3. Draufsicht auf den beschriebenen Verstärker.

Abb. 4. Unteransicht des Verstärkers des Autors.

   Die Abb. 3 und 4 sind Ansichten von oben und unten einer Version des Universalverstärkers, der Platten- und Filamentleistung für eine große AM-FM-Radio-Phonographenkonsole bereitstellt und daher zwei 5V4G-Gleichrichterröhren verwendet.

Abb. 5. Eine weitere Ausführungsform des "Universal"-Verstärkers - dieser verwendet Siliziumgleichrichter im Stromversorgungsabschnitt.

   Abb. 5 ist eine Ansicht einer zweiten Version des Universalverstärkers, der Siliziumgleichrichter in der Stromversorgung verwendet. Abdeckband zum Schutz der Lackierung der Transformatoren während des Baus ist in Abb. 5 als sinnvoller Vorschlag dargestellt.

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