Схема универсального усилителя обратной связи - Universal Feedback Amplifier Circuit (Audio January 1960)

Информация о материале
Категория: Audio USA
Опубликовано: 16.02.2023, 10:25
Автор: Grzegorz Makarewicz
Просмотров: 433


Схема универсального усилителя обратной связи
ARNOLD J. KAUDER (Principal Engineer, Bendix Aviation Corporation, North Hollywood, California)
AUDIO, January, 1960, VOL. 44, No. 1
В основу этой статьи положен простой усилитель с исключительными характеристиками, который должен подходить практически для любой установки, но его наибольшая ценность заключается в «универсальных» инструкциях по настройке любого усилителя с обратной связью.
(Примечание: оригинальные обозначения единиц, использовавшиеся на момент написания статьи, сохранены.)

   Описываемый усилитель хорошо зарекомендовал себя с пятью различными выходными трансформаторами, что побудило автора использовать обозначение «универсальный». В каждом случае усилитель оказался полностью стабильным при (а) отсутствии нагрузки, (б) резистивной нагрузке 8 Ом, (в) нагрузке громкоговорителя 8 Ом и (г) конденсаторной нагрузке 0,1 мкФ, добавленной к любой из нагрузок. условия (a), (b) или (c) выше. Используемый коэффициент обратной связи составляет 20 дБ ± 1 дБ.

   Немногие из «типа Вильямсона» и других усилителей, виденных автором, были способны выдержать такое испытание на стабильность. Дыхание диффузора громкоговорителя из-за очень низкочастотных колебаний и сверхзвуковых колебаний, легко видимых на осциллографе, слишком распространены. Любой тип колебаний может создавать отрицательные заряды на сторонах сетки конденсаторов связи выходной лампы, что приводит к искажениям и ограниченной выходной мощности. Также наблюдались предельно стабильные усилители, которые обычно не генерируют, но обладают высокой регенеративностью на экстремальных частотах и генерируют, когда на входные клеммы подаются аудиосигналы с крутыми передними фронтами сигналов.

   Краткая история развития схемы, как полагают, представляет интерес и выглядит следующим образом:

Разработка

   Автор много лет назад был любителем "высокой верности" и до сих пор не стыдится производительности двухтактного усилителя на триоде 2А3 класса А (выходная мощность 7 Вт), который все еще находится под рукой. По прошествии 10 лет пересмотренный интерес к высокой точности воспроизведения привел к изучению обратной связи и современных усилителей, получивших признание в литературе. Автор, к своему раздражению, обнаружил, что было невозможно продублировать опубликованную схему усилителя и использовать другой выходной трансформатор и более компактную компоновку, если только не была проведена обширная модернизация цепей связи и обратной связи.

   Затем автор проанализировал проблемы проектирования усилителей с обратной связью и установил следующие принципы для своего собственного усилителя.

  1. Он должен иметь как можно меньше ступеней для достижения требуемого усиления. Дополнительные каскады вносят фазовые сдвиги на низких и высоких частотах, что снижает присущую усилителю стабильность.
  2. Следует использовать максимально простую схему. Дополнительные компоненты, которые не являются необходимыми, просто увеличивают стоимость, сложность и вероятность отказа.
  3. Выходной каскад должен быть смещен для работы класса А. Обычно не осознается, что отсечка пластинчатого тока в лампе выходной мощности, смещенной к работе AB, может вызвать звон и колебание, а также другие формы искажения из-за крутых волновых фронтов в форме волны тока выходного трансформатора.
  4. Для достижения максимальной стабильности следует использовать несколько путей обратной связи, а не один путь от выхода к входу.
  5. Хотя автор принадлежит к школе, которая считает, что выходная мощность 6 Вт достаточна для дома, следует использовать выходную мощность от 15 до 20 Вт, чтобы обеспечить почти идеальную линейность при обычном максимальном уровне домашнего прослушивания 5 Вт и чтобы обеспечить резервный запас мощности для компенсации старения ламп, неэффективных или несоответствующих динамиков и других переменных.

Схема

   Схема получившегося усилителя показана на рис. 1, а его блок питания — на рис. 2. Он состоит из пентодного усилителя напряжения, непосредственно соединенного с триодным фазовращателем с разделенной нагрузкой, который резистивно связан с двухтактным выходом. пентоды. На самом деле, усилитель можно рассматривать как простейший двухкаскадный пентод с резистивной связью, с добавленным фазовращателем для преобразования схемы в двухтактный режим. Эта простая прямолинейная конструкция не является ни поразительно новой, ни даже оригинальной, но превосходно удовлетворяет требованию минимально возможного количества каскадов и соединительных сетей. Это первоначальный ключ к стабильности усилителя с обратной связью. Последний ключ к высокому уровню стабильности лежит в трех путях обратной связи, которые будут обсуждаться в следующем абзаце.


Рис. 1. Схема авторского "Универсального" усилителя с обратной связью.


Рис. 2. Блок питания усилителя «Универсал».

   Чтобы удовлетворить требованиям класса А и силовой конструкции, выходные лампы должны были быть лучевыми силовыми лампами типа 6L6 с улучшенной конструкцией, как например, в типах 5881 и 6L6GB. Ни один доступный триод не способен обеспечить ни высокий коэффициент усиления, ни выходную мощность в работе класса А, которые обеспечивают лучевые силовые лампы, и обеспечивают скромные требования к источнику питания и драйверному каскаду. В сеточных, экранных и пластинчатых схемах используются стабилизирующие резисторы соответствующих номиналов. Лампы являются самосмещенными, поскольку фиксированное смещение, по-видимому, не дает никаких преимуществ с лампами мощности луча, в то время как самосмещение позволяет использовать более высокий импеданс в сеточных цепях с меньшей нагрузкой каскада драйвера.

    Двухтактный выходной каскад приводится в действие фазовращателем с разделенной нагрузкой или фазоделителем с миниатюрным триодом типа 6C4. После тщательного изучения фазоделителей автор считает, что этот тип превосходит все другие, включая инвертор с катодной связью - фактически единственный другой тип, который считается заслуживающим внимания. Было много разговоров о разбалансировке катодного фазоинвертора на высоких частотах, но после ссылки на доступную литературу автор считает, что это много разговоров, не основанных на адекватных исследованиях.

   Фактически, эквивалентный импеданс источника любого выходного канала равен1:

(1)

Подставив значение 56 000 Ом для RL, 10 000 Ом для rp и 19,5 для него, применимое к лампе 6C4, используемой в этом усилителе,

 

Выходные емкости Co для каждого канала соответственно равны1:

Пластинчатый канал:

(2)

Катодный канал:

(3)

где:

  • A - коэффициент усиления канала примерно 0,9
  • Cpk - емкость трубки пластина-катод
  • Cgp - емкость трубки сетка-пластина
  • Cgk - емкость электронной лампы между сеткой и катодом
  • Chk = емкость трубки нагреватель-катод

Для триода 6С4:

  • Cpk = 1.3 μμF
  • Cgp = 1.6 μμF
  • Cgk = 1.8 μμF
  • Chk = 2.5 μμF

Подставляя эти значения в уравнения. (2) и (3):

Пластинчатый канал:

 

Катодный канал:

 

Если эти выходные емкости добавить к значениям 10 мкФ для проводки и 10 мкФ для входной емкости выходных ламп, общая шунтирующая емкость двух каналов составит 25,96 мкФ и 25,28 мкФ соответственно, разница составляет 0,68 мкФ или примерно 1,5. процент. Возвращаясь к уравнению. (1), значение эквивалентного импеданса источника 460 Ом Ro с шунтирующей емкостью 30 мкФ приведет к выходному сигналу в пределах 3 дБ среднечастотного выхода за пределами 10 мкс, что значительно превышает диапазон любого аудиоусилителя, который этот гражданин когда-либо пожелает. владеть. Любой дисбаланс в диапазоне до нескольких сотен килоциклов считается незначительным.

   При использовании катодный делитель вносит небольшой фазовый сдвиг, практически не содержит искажений, легко балансируется с помощью двух согласованных нагрузочных резисторов и легко удовлетворяет требованиям возбуждения 30-вольтового пикового выходного сигнала для двух выходных ламп. Фазоделитель напрямую соединен с лампой входного усилителя, миниатюрным пентодом типа 6BH6 с высокой трансконнекторностью. Конструкция первой ступени традиционна. Однако потенциал экранной сетки выбран таким образом, чтобы можно было работать с относительно низким значением резистора смещения в катодной цепи лампы, чтобы уменьшить импеданс основной цепи обратной связи.

   Хотя считается, что на первых двух каскадах можно использовать другие триодные и пентодные лампы с аналогичными характеристиками, были выбраны 6BH6 и 6C4, поскольку они имеют низкие токи нагревателя (150 мА), которые, как было установлено, минимизируют проблемы с фоном.

Причины стабильности

   Высокая степень стабильности в этом усилителе достигается с помощью трех путей отрицательной обратной связи простейшего типа, как описано ниже:

  1. Первый каскад имеет нешунтированный катодный резистор, который представляет собой первый путь, обеспечивающий отрицательную обратную связь.
  2. Небольшой регулируемый конденсатор Cf1 (3-12 мкФ), включенный между пластиной одной выходной лампы и катодом входной лампы усилителя, обеспечивает второй путь отрицательной обратной связи. Этот путь обеспечивает значительную обратную связь на сверхзвуковых частотах, устраняя пик, обнаруженный в этой области, по мере увеличения коэффициента обратной связи.
  3. Третий путь обратной связи обеспечивается делителем напряжения, включенным через выходной трансформатор, состоящим из резистора обратной связи Rf и нешунтированного катодного резистора 680 Ом входной лампы пентодного усилителя.

   Регулируемый конденсатор Cf2 = (30 - 300 мкФ) подключен параллельно резистору обратной связи для обеспечения контроля коэффициента обратной связи на более высоких частотах ниже пика, нивелируемого Cf1, рассмотренного выше.

Процедура регулировки

   Следующая процедура должна использоваться для настройки цепей обратной связи для стабильной работы универсального усилителя.

  1. С Cf1, Cf2. и главный резистор обратной связи Rf, отсоединенный, измеряют характеристику усилителя с резистором 4, 8 или 16 Ом, подключенным к соответствующим выходным клеммам усилителя. В зависимости от качества выходного трансформатора уровень отклика должен быть в пределах примерно 3 дБ (примерно 30 процентов) от отклика среднего диапазона (от 400 до 1000 Гц) до примерно 10 000 Гц или выше. Подойдет любой разумный звуковой генератор, покрывающий от 20 до 100 000 имп/с.
  2. Подключите переменный резистор на 25 000 Ом к максимальному сопротивлению Rf и обратите внимание, уменьшается ли коэффициент усиления усилителя. Если оно увеличивается, поменяйте местами соединения выходной трубной пластины с выходным трансформатором или поменяйте местами соединения вторичной обмотки выходного трансформатора.
  3. Медленно уменьшайте значение Rf и ищите пик отклика усилителя в высокочастотном диапазоне (обычно около 40 000 гц или выше).
  4. Подключите Cf1 и отрегулируйте, чтобы устранить высокочастотный пик, описанный выше.
  5. Продолжайте уменьшать Rf и подстраивать Cf2, пока усиление усилителя не уменьшится до одной десятой значения без обратной связи. Это коэффициент обратной связи 20 дБ. Для всех, кроме самых высококачественных выходных трансформаторов, обычно становится очевидным второй пик отклика в частотном диапазоне где-то между 17 и 30 кГц. Этот пик будет значительно шире, чем первый пик отклика..
  6. Подключите Cf2 и отрегулируйте по мере необходимости, чтобы выровнять второй пик.
  7. Снова проверьте частотную характеристику усилителя и слегка отрегулируйте Cf1 и Cf2, если это необходимо, чтобы нивелировать любые подъемы на кривой отклика. Подключите громкоговоритель вместо нагрузочного резистора и повторите этот шаг.
  8. Теперь усилитель может быть подвергнут серьезному испытанию путем подключения конденсаторов к выходным клеммам. Если усилитель нестабилен при подключении к выходным клеммам конденсатора емкостью не менее 0,02 мкФ, при необходимости следует выполнить дальнейшую регулировку Cf1 и Cf2. Rf и Cf2 теперь должны быть измерены и заменены компонентами с фиксированными значениями.

   Если при подстройке обратной связи становится очевидным пик в НЧ АЧХ усилителя, то емкость экранно-катодного шунтирующего конденсатора Csg входного пентодного усилителя может быть уменьшена (в одном случае с 0,5 мкф до 0,05 мкф). для выравнивания низкочастотного отклика.

   Коэффициенты обратной связи до 40 дБ (снижение усиления 100:1) были достигнуты с помощью высококачественных трансформаторов. Однако тогда усилителю требуется среднеквадратичное значение входного сигнала 10 В для выходной мощности 15 Вт, в то время как примерно одного В достаточно для полной мощности с обратной связью 20 дБ. Никакой разницы в характеристиках прослушивания не было заметно при увеличении коэффициента обратной связи свыше 20 дБ.

   Если какой-либо перфекционист (побольше мощности) не считает адекватным баланс катодного фазоделителя, он может достичь теоретически идеального баланса, добавив небольшой регулируемый конденсатор к катодному нагрузочному резистору и проверив идеальный баланс в мегагерцовом диапазоне. Однако никакие контрольно-измерительные приборы не должны быть подключены к самому катодинному инвертору, иначе присущая ему дополнительная емкость сделает результаты испытаний недействительными. Измерения баланса должны производиться на пластинчатых клеммах последующих ступеней.

   Автор пробовал «ультралинейное» подключение выходных ламп, но не заметил никакого преимущества в производительности, чтобы компенсировать снижение усиления. Те, кто предпочитает этот метод работы с выходными лампами, могут изменить резистор смещения на значение, близкое к резистору для триодной работы выходных ламп, и следовать процедуре, описанной в этой статье.

   Этот усилитель был назван «универсальным», поскольку считается, что он способен обеспечить оптимальные характеристики, которые можно получить от любого выходного трансформатора с подходящими коэффициентами импеданса. Нет оснований полагать, что лампы большего и меньшего размера, чем у типа 5881, не могут использоваться с одинаковым успехом. Однако автор с недоверием относится к любому типу работы выходных ламп, кроме класса А, если только выходной трансформатор не является первоклассным устройством, а экранные сетки выходных ламп питаются от регулируемого источника питания.

Дополнительные предложения

   Следующие замечания предлагаются будущим строителям универсального усилителя.

  • Примечание 1: Сеть на выходных клеммах трансформатора предназначена для обеспечения повышенной стабильности на высоких частотах без нагрузки. Это не требуется с лучшими выходными трансформаторами.
  • Примечание 2: Рекомендуется, чтобы все заземленные провода были подключены к общей шине, изолированной от корпуса, за исключением клеммы заземления входного разъема.
  • Примечание 3: Контроль балансировки смещения для выходных ламп не применялся, поскольку лампы 6L6GB и 5881 кажутся довольно однородными.
  • Примечание 4: Центральный отвод балансировочного потенциометра на 100 Ом, подключенный к обмотке нагревателя, заземляется, так как это соединение делает гул неслышимым ухом на расстоянии одного фута от громкоговорителя. При других трубках или другой компоновке может быть целесообразно вернуть средний отвод потенциометра к положительному потенциалу, что может быть обеспечено резистивным делителем напряжения на выходе источника питания. Положительные потенциалы примерно до 55 вольт могут быть исследованы на наличие минимального шума.
  • Примечание 5: Акустическая система автора требует выходного сопротивления 8 Ом, и это предусмотрено на каждом выходном трансформаторе.
    использовал. Значения 16 или 4 Ом потребуют другого номинала резистора обратной связи Rf. Первичный импеданс должен быть между 5000 и 7000 Ом для ламп типа 5881 и аналогичных..

   Измерения искажений и интермодуляции были выполнены, но не будут представлены в этой статье. Достаточно того, что усилитель практически не имеет искажений вплоть до точки перегрузки выходных ламп или трансформатора, в зависимости от того, что наступит раньше. Частотная характеристика плоская от низкочастотного предела выходного трансформатора до несколько выше резонансной частоты выходного трансформатора, за пределами которой характеристика плавно падает со скоростью от 6 до 10 дБ на октаву. Резонансные частоты используемых трансформаторов находились в диапазоне примерно от 38 до 100 кГц.


Рис. 3. Вид описываемого усилителя сверху.


Рис. 4. Вид снизу авторского усилителя.

   На рисунках 3 и 4 показаны вид сверху и снизу одной из версий универсального усилителя, который обеспечивает питание пластины и нити накала для большой консоли фонографа AM-FM и, следовательно, использует две выпрямительные лампы 5V4G.


Рис. 5. Еще один вариант усилителя "Универсал" - в нем использованы кремниевые выпрямители в секции питания.

   На рис. 5 показан второй вариант универсального усилителя с кремниевыми выпрямителями в блоке питания. Малярная лента, используемая для защиты лакокрасочного покрытия трансформаторов во время строительства, показана на рис. 5 в качестве полезного предложения.

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