Specyfikacja techniczna wzmacniacza lampowego

Dane techniczne i szczegółowe informacje na temat lampowego wzmacniacza audio wraz z historią jego rozwoju.

Obwody i wydajność

Charakterystyka zaworów

Zawory (znane również jako lampy próżniowe) to urządzenia o bardzo wysokiej impedancji wejściowej (prawie nieskończonej w większości obwodów) i wysokiej impedancji wyjściowej. Są to również urządzenia wysokonapięciowe / niskoprądowe.

Charakterystyka lamp jako urządzeń wzmacniających ma bezpośrednie implikacje dla ich zastosowania jako wzmacniaczy audio , w szczególności, że wzmacniacze mocy wymagają transformatorów wyjściowych (OPT) do przekształcania wysokonapięciowego i niskoprądowego sygnału o wysokiej impedancji wyjściowej na niskonapięciowy wysokoprądowy sygnał potrzebny do wysterowania nowoczesnych głośników o niskiej impedancji (por. Tranzystory i FET , które są urządzeniami o stosunkowo niskim napięciu, ale mogą bezpośrednio przenosić duże prądy).

Inną konsekwencją jest to, że ponieważ wyjście jednego stopnia jest często przesunięte o ~ 100 V w stosunku do wejścia następnego stopnia, bezpośrednie sprzężenie zwykle nie jest możliwe i stopnie muszą być sprzężone za pomocą kondensatora lub transformatora. Kondensatory mają niewielki wpływ na działanie wzmacniaczy. Sprzężenie transformatora międzystopniowego jest źródłem zniekształceń i przesunięć fazowych i unikano go od lat czterdziestych XX wieku w zastosowaniach wysokiej jakości; transformatory zwiększają również koszt, masę i wagę.

Obwody podstawowe

Poniższe obwody są jedynie uproszczonymi obwodami koncepcyjnymi, obwody świata rzeczywistego również wymagają wygładzonego lub regulowanego zasilania, podgrzewacza żarników (szczegóły zależą od tego, czy wybrane typy zaworów są ogrzewane bezpośrednio, czy pośrednio), a rezystory katodowe są często omijane, itp.

Stopień wzmocnienia ze wspólną katodą

Stopień wzmocnienia triody ze wspólną katodą

Podstawowym stopniem wzmocnienia we wzmacniaczu lampowym jest stopień ze wspólną katodą z automatycznym polaryzacją, w którym rezystor anodowy, zawór i rezystor katodowy tworzą dzielnik potencjału na szynach zasilających. Rezystancja zaworu zmienia się w funkcji napięcia na siatce, w stosunku do napięcia na katodzie.

W konfiguracji z automatyczną polaryzacją „punkt pracy” uzyskuje się przez ustawienie potencjału DC sieci wejściowej na zero woltów względem masy za pomocą rezystora „upływu sieci” o dużej wartości. Prąd anodowy jest ustalany przez wartość napięcia siatki względem katody, a napięcie to jest teraz zależne od wartości rezystancji wybranej dla gałęzi katodowej obwodu.

Rezystor anodowy działa jako obciążenie dla obwodu i jest zwykle rzędu 3-4 razy większy niż rezystancja anody używanego typu zaworu. Wyjściem z obwodu jest napięcie na złączu między anodą a rezystorem anodowym. To wyjście zmienia się w zależności od zmian napięcia wejściowego i jest funkcją wzmocnienia napięcia zaworu „mu” oraz wartości wybranych dla różnych elementów obwodu.

Prawie wszystkie obwody przedwzmacniacza audio są zbudowane z kaskadowych stopni ze wspólną katodą.

Sygnał jest zwykle sprzężony ze stopnia na stopień za pomocą kondensatora sprzęgającego lub transformatora, chociaż w nietypowych przypadkach odbywa się bezpośrednie sprzężenie.

Rezystor katodowy może być ominięty kondensatorem lub nie. Sprzężenie zwrotne może być również zastosowane do rezystora katodowego.

Wzmacniacz mocy z pojedynczą triodą (SET).

Wzmacniacz mocy z triodą single-ended

Prosty wzmacniacz mocy SET można zbudować, łącząc kaskadowo dwa stopnie, używając transformatora wyjściowego jako obciążenia.

Stopnie różnicowe

Dwie triody z katodami połączone ze sobą w parę różnicową . Ten stopień ma możliwość anulowania sygnałów w trybie wspólnym (równym na obu wejściach), a jeśli pracuje w klasie A, ma również tę zaletę, że może w dużym stopniu odrzucić wszelkie zmiany zasilania (ponieważ wpływają one jednakowo na obie strony stopnia różnicowego), i odwrotnie, całkowity prąd pobierany przez stopień jest prawie stały (jeśli jedna strona pobiera szybciej, druga mniej), co skutkuje minimalną zmianą zwisu szyny zasilającej, a to prawdopodobnie również zniekształceniem międzystopniowym.

Dwa zawory mocy (mogą to być triody lub tetrody) napędzane różnicowo w celu utworzenia stopnia wyjściowego przeciwsobnego, napędzającego obciążenie transformatora przeciwsobnego. Ten stopień wyjściowy znacznie lepiej wykorzystuje rdzeń transformatora niż stopień wyjściowy single-ended.

Para z długim ogonem

Długi ogon to obciążenie prądem stałym (CC), gdy wspólna katoda zasila parę różnicową. W teorii bardziej stały prąd linearyzuje stopień różnicowy.

CC może być przybliżone przez rezystor obniżający duże napięcie lub może być generowane przez aktywny obwód (albo zawór, tranzystor, albo FET )

Para z długim ogonem może być również używana jako rozdzielacz fazy . Jest często używany we wzmacniaczach gitarowych (gdzie jest określany jako „inwerter fazowy”) do napędzania sekcji mocy.

Harmonijkowy rozdzielacz fazy

Jako alternatywa dla pary z długim ogonem, harmonijka wykorzystuje pojedynczą triodę jako zmienną rezystancję w dzielniku potencjału utworzonym przez Ra i Rk po obu stronach zaworu. W rezultacie napięcie na anodzie zmienia się dokładnie i przeciwnie do napięcia na katodzie, dając idealnie zrównoważony podział faz. Wadą tego etapu (por. różnicowa para długich ogonów) jest to, że nie daje on żadnego zysku. Używanie podwójnej triody (zwykle ósemkowej lub nowalnej) do utworzenia bufora wejściowego SET (dając wzmocnienie), aby następnie zasilić harmonijkowy rozdzielacz fazy, to klasyczny przedni koniec typu push-pull, po którym zwykle następuje sterownik (trioda) i (trioda lub pentoda) stopnia wyjściowego (w wielu przypadkach ultraliniowych), tworząc klasyczny obwód wzmacniacza przeciwsobnego.

Wzmacniacz przeciwsobny

obwód wyjściowy przeciwsobny jest uproszczoną odmianą topologii Williamsona , która obejmuje cztery etapy:

stopień wejściowy SET do buforowania wejścia i uzyskania pewnego wzmocnienia napięcia.
rozdzielacz fazy, zwykle typu katodyna lub „concertina”. Generuje to dokładnie równe, ale przeciwne sygnały napędowe dla następujących obwodów przeciwsobnych, ale nie daje wzmocnienia. Należy zauważyć, że jak pokazano, harmonijkowy rozdzielacz fazy w topologii Williamsona jest bezpośrednio połączony (za pomocą rezystora) ze stopniem wejściowym. Wymaga to starannego zaprojektowania stopnia wejściowego, ponieważ napięcie znamionowe anody zaworu wejściowego będzie również określać punkt pracy harmonijki. Inne topologie obejmują parafrazę, parafrazę pływającą i różnicę (para o długim ogonie).
stopień kierowcy. Daje to dalsze wzmocnienie napięcia dla każdego z sygnałów przeciwsobnych iw zależności od wymagań stopnia wyjściowego zaworu może być typem wybranym dla wyższego napięcia lub niższej zdolności napędu Z.
Stopień wyjściowy, w którym obciążeniem jest transformator, a nie rezystor anodowy. Oryginalny Williamson używał pentod KT66 „triodowych” (działających jako triody). Większość późniejszych wzmacniaczy przeciwsobnych wykorzystywała zamiast tego połączenie ultraliniowe.

Kaskod

Stos triodowy

Kaskod (skrócenie wyrażenia kaskada do katody ) to dwustopniowy wzmacniacz składający się ze wzmacniacza transkonduktancyjnego , po którym następuje bufor prądowy . W obwodach zaworowych kaskod jest często zbudowany z dwóch triod połączonych szeregowo, z których jedna działa jako wspólna siatka , a tym samym działa jako regulator napięcia , zapewniając prawie stałe napięcie anodowe drugiej, która działa jako wspólna katoda . Poprawia to izolację wejście-wyjście (lub transmisję zwrotną) poprzez wyeliminowanie efektu Millera , a tym samym przyczynia się do znacznie większej szerokości pasma , wyższej impedancji wejściowej , wysokiej impedancji wyjściowej i większego wzmocnienia niż stopień z pojedynczą triodą.

Stopnie tetrodowe/pentodowe

Tetroda ma siatkę ekranującą (g2), która znajduje się pomiędzy anodą a pierwszą siatką i zwykle służy, podobnie jak kaskod , do wyeliminowania efektu Millera, a zatem pozwala również na większą szerokość pasma i/lub większe wzmocnienie niż trioda, ale przy kosztem liniowości i szumów.

Pentoda ma dodatkową siatkę tłumiącą (g3) w celu wyeliminowania załamania tetrody . Jest to używane w celu poprawy wydajności, a nie dodatkowego wzmocnienia i zwykle nie jest dostępne z zewnątrz. Niektóre z tych zaworów wykorzystują wyrównane siatki, aby zminimalizować prąd siatki i płytki wiązki zamiast trzeciej siatki, są one znane jako „ tetrody wiązki ”.

Zdano sobie sprawę (i wiele pentod zostało specjalnie zaprojektowanych, aby to umożliwić), że poprzez przymocowanie ekranów do siatki / anody tetroda / pentoda po prostu ponownie stała się triodą, dzięki czemu te późne lampy są bardzo elastyczne. Tetrody z „triodami” są często używane w nowoczesnych konstrukcjach wzmacniaczy, które są zoptymalizowane pod kątem jakości, a nie mocy wyjściowej.

Ultraliniowy

W 1937 roku Alan Blumlein zapoczątkował konfigurację między tetrodą „z paskiem triodowym” a normalną tetrodą, która łączy dodatkową siatkę (ekran) tetrody z kranem z OPT w połowie drogi między napięciem anodowym a napięciem zasilania. Ten elektryczny kompromis daje wzmocnienie i liniowość równe najlepszym cechom obu skrajności. W artykule inżynierskim z 1951 roku, opublikowanym przez Davida Haflera i Herberta Keroesa, ustalili, że gdy kran ekranu został ustawiony na około 43% napięcia anodowego, wystąpił zoptymalizowany stan w stopniu wyjściowym, który nazwali ultra- liniowym . Pod koniec lat pięćdziesiątych ten projekt stał się dominującą konfiguracją wzmacniaczy PP o wysokiej wierności.

Wyjście beztransformatorowe

Julius Futterman był pionierem typu wzmacniacza znanego jako „ wyjście beztransformatorowe ” (OTL). Wykorzystują one zawory równoległe, aby dopasować je do impedancji głośników (zwykle 8 omów). Ta konstrukcja wymaga wielu zaworów, nagrzewa się, a ponieważ próbują dopasować impedancje w sposób zasadniczo różny od transformatora ^{[ potrzebne źródło ]} , często mają wyjątkową jakość dźwięku. ^{[ Potrzebne źródło ]} Triody 6080, przeznaczone do zasilaczy regulowanych, były typami o niskiej impedancji, czasami zmuszanymi do użytku beztransformatorowego.

Wzmacniacze mocy z pojedynczą triodą (SET).

Niektóre wzmacniacze lampowe wykorzystują topologię pojedynczej triody (SET), która wykorzystuje urządzenie wzmacniające w klasie A. SETy są niezwykle proste i mają niewielką liczbę części. Takie wzmacniacze są drogie ze względu na wymagane transformatory wyjściowe.

Ten typ konstrukcji skutkuje niezwykle prostym widmem zniekształceń obejmującym monotonicznie zanikające serie harmonicznych. Niektórzy uważają, że ta charakterystyka zniekształceń jest czynnikiem wpływającym na atrakcyjność dźwięku wytwarzanego przez takie projekty. W porównaniu z nowoczesnymi konstrukcjami SETy przyjmują minimalistyczne podejście i często mają tylko dwa stopnie, jednostopniowy triodowy wzmacniacz napięciowy, po którym następuje triodowy stopień mocy. Jednak stosowane są odmiany wykorzystujące jakąś formę aktywnego źródła prądu lub obciążenia, które nie są uważane za stopień wzmocnienia.

Typowym zaworem wykorzystującym tę topologię w (rzadkiej) obecnej produkcji komercyjnej jest 300B , który daje około 5 watów w trybie SE. Rzadkie wzmacniacze tego typu wykorzystują lampy, takie jak 211 lub 845 , o mocy około 18 watów. Zawory te są zaworami transmitującymi jasne emitery i mają torowane włókna wolframowe, które po włączeniu świecą jak żarówki.

Zobacz akapity poniżej dotyczące dostępnych na rynku wzmacniaczy SET o dużej mocy, oferujących do 40 watów bez trudności, po opracowaniu transformatorów wyjściowych w celu przezwyciężenia powyższych ograniczeń.

Poniższe zdjęcia przedstawiają komercyjny wzmacniacz SET, a także prototyp wzmacniacza hobbystycznego.

Komercyjny wzmacniacz SE
Prototypowy wzmacniacz SET skonstruowany przez hobbystów

Jednym z powodów, dla których SETy są (zwykle) ograniczone do małej mocy, jest ekstremalna trudność (i wynikający z tego koszt) wykonania transformatora wyjściowego, który poradzi sobie z prądem płyty bez nasycenia, jednocześnie unikając nadmiernie dużych pojemnościowych pasożytów.

Wzmacniacze przeciwsobne (PP) / różnicowe

Zastosowanie stopni wyjściowych różnicowych („push-pull”) eliminuje stały prąd polaryzacji pobierany przez transformator wyjściowy przez każdy z zaworów wyjściowych z osobna, co znacznie zmniejsza problem nasycenia rdzenia, a tym samym ułatwia budowę mocniejszych wzmacniaczy w tym samym czasie jak przy użyciu mniejszych, szerszych pasm i tańszych transformatorów.

Rezygnacja z wyjściowych zaworów różnicowych w dużej mierze eliminuje również (dominujące) produkty zniekształceń harmonicznych parzystego rzędu stopnia wyjściowego, co skutkuje mniejszymi THD, aczkolwiek zdominowanymi teraz przez harmoniczne nieparzystego rzędu i nie są już monotoniczne.

Idealnie, eliminacja zniekształceń parzystego rzędu jest idealna, ale w prawdziwym świecie tak nie jest, nawet przy ściśle dopasowanych lampach. PP OPT zwykle mają przerwę, aby zapobiec nasyceniu, chociaż jest ona mniejsza niż wymagana przez obwód single-ended.

Od lat pięćdziesiątych XX wieku zdecydowana większość wysokiej jakości wzmacniaczy lampowych i prawie wszystkie wzmacniacze lampowe o większej mocy były typu przeciwsobnego.

wyjściowe push-pull mogą wykorzystywać triody w celu uzyskania najniższego _{wyjścia Z} i najlepszej liniowości, ale często używają tetrod lub pentod, które zapewniają większe wzmocnienie i moc. Wiele lamp wyjściowych, takich jak KT88, EL34 i EL84, zostało specjalnie zaprojektowanych do pracy w trybie triody lub tetrody, a niektóre wzmacniacze można przełączać między tymi trybami. Po Williamsonie większość komercyjnych wzmacniaczy wykorzystywała tetrody w konfiguracji „ultraliniowej”.

Klasa A

Czyste triodowe stopnie PP klasy A są wystarczająco liniowe, aby można je było obsługiwać bez sprzężenia zwrotnego, chociaż skromne NFB w celu zmniejszenia zniekształceń, zmniejszenia Z _out i wzmocnienia kontroli mogą być pożądane. Ich wydajność energetyczna jest jednak znacznie mniejsza niż klasy AB (i oczywiście klasy B); znacznie mniejsza moc wyjściowa jest dostępna dla tego samego rozpraszania anody.

Konstrukcje PP klasy A nie mają zniekształceń krzyżowych , a zniekształcenia stają się nieistotne w miarę zmniejszania amplitudy sygnału. Efektem tego jest to, że wzmacniacze pracujące w klasie A rewelacyjnie radzą sobie z muzyką o niskim średnim poziomie (z znikomymi zniekształceniami) z chwilowymi szczytami.

Wadą działania klasy A dla zaworów mocy jest skrócona żywotność, ponieważ zawory są zawsze w pełni „włączone” i przez cały czas rozpraszają maksymalną moc. Nie ma to wpływu na zawory wzmacniacza sygnału, które nie działają z dużą mocą.

Regulacja zasilania (zmiana dostępnego napięcia wraz z pobieranym prądem) nie stanowi problemu, ponieważ średni prąd jest zasadniczo stały; Wzmacniacze AB, które pobierają prąd w zależności od poziomu sygnału, wymagają zwrócenia uwagi na regulację zasilania.

klasa AB i B

Wzmacniacze klasy B i AB są bardziej wydajne niż klasa A i mogą dostarczać wyższe poziomy mocy wyjściowej z danego zasilacza i zestawu lamp.

Ceną za to jest jednak zniekształcenie zwrotnicy, o mniej więcej stałej amplitudzie, niezależnie od amplitudy sygnału. Oznacza to, że wzmacniacze klasy AB i B wytwarzają najniższy procent zniekształceń przy amplitudzie zbliżonej do maksymalnej, z gorszą charakterystyką zniekształceń przy niskich poziomach. Gdy obwód zmienia się z czystej klasy A, poprzez AB1 i AB2, do B, zniekształcenia zwrotnicy w otwartej pętli pogarszają się.

Wzmacniacze klasy AB i B wykorzystują NFB do redukcji zniekształceń w otwartej pętli. Zmierzone widma zniekształceń z takich wzmacniaczy ^{[ potrzebne źródło ]} pokazują, że procent zniekształceń jest radykalnie zmniejszony przez NFB, ale zniekształcenia szczątkowe są przesunięte w kierunku wyższych harmonicznych.

We wzmacniaczu przeciwsobnym klasy B prąd zaworu wyjściowego, który musi być dostarczany przez zasilacz, mieści się w zakresie od prawie zera dla sygnału zerowego do maksimum przy sygnale maksymalnym. W konsekwencji, aby zapewnić liniową odpowiedź na przejściowe zmiany sygnału, zasilacz musi mieć dobrą regulację.

Tylko klasa A może być używana w trybie single-ended, ponieważ w przeciwnym razie część sygnału zostałaby odcięta. Stopień sterujący we wzmacniaczach lampowych klasy AB2 i B musi być w stanie dostarczyć pewien prąd sygnału do siatek zaworów mocy („moc napędowa”).

Stronniczy

Polaryzacja stopnia wyjściowego przeciwsobnego może być regulowana (na etapie projektowania, zwykle nie w gotowym wzmacniaczu) od klasy A (zapewniającej najlepszą liniowość w otwartej pętli), poprzez klasy AB1 i AB2, do klasy B (zapewniającej największą moc i wydajność z danego zasilacza, zaworów wyjściowych i transformatora wyjściowego).

Większość komercyjnych wzmacniaczy lampowych działa w klasie AB1 (zwykle pentody w konfiguracji ultraliniowej), zamieniając liniowość w otwartej pętli na wyższą moc; niektóre działają w czystej klasie A.

Topologia obwodu

Typowa topologia wzmacniacza PP obejmuje stopień wejściowy, rozdzielacz fazy , sterownik i stopień wyjściowy, chociaż istnieje wiele odmian stopnia wejściowego / rozdzielacza fazy, a czasami dwie z wymienionych funkcji są połączone w jednym stopniu zaworowym. Dominującymi obecnie topologiami rozdzielaczy fazy są harmonijka , pływająca parafaza i pewna odmiana pary długich ogonów .

Galeria przedstawia nowoczesny, domowej roboty, w pełni różnicowy wzmacniacz pracujący w czystej klasie A o mocy około 15 watów bez ujemnego sprzężenia zwrotnego, wykorzystujący podwójne triody małej mocy 6SN7 i tetrody mocy KT88.

Transformatory wyjściowe

Ze względu na ich niezdolność do bezpośredniego napędzania obciążeń o niskiej impedancji, wzmacniacze lampowe audio muszą wykorzystywać transformatory wyjściowe w celu obniżenia impedancji w celu dopasowania do głośników.

Transformatory wyjściowe nie są urządzeniami idealnymi i zawsze wprowadzają do sygnału wyjściowego pewne nieparzyste zniekształcenia harmoniczne i zmiany amplitudy wraz z częstotliwością. Ponadto transformatory wprowadzają zależne od częstotliwości przesunięcia fazowe, które ograniczają ogólne ujemne sprzężenie zwrotne, które można wykorzystać, aby zachować zgodność z kryteriami stabilności Nyquista przy wysokich częstotliwościach i uniknąć oscylacji. Jednak w ostatnich latach rozwój ulepszonych konstrukcji transformatorów i technik uzwojenia znacznie zmniejsza te niepożądane efekty w pożądanym paśmie przenoszenia, przesuwając je dalej na margines.

Negatywne opinie (NFB)

Po jego wynalezieniu przez Harolda Stephena Blacka , ujemne sprzężenie zwrotne (NFB) zostało prawie powszechnie przyjęte we wzmacniaczach wszystkich typów, aby znacznie zmniejszyć zniekształcenia, spłaszczyć pasmo przenoszenia i zredukować wpływ zmian komponentów. Jest to szczególnie potrzebne w przypadku wzmacniaczy innych niż klasa A.

Sprzężenie zwrotne znacznie zmniejsza procent zniekształceń, ale widmo zniekształceń staje się bardziej złożone, ze znacznie większym udziałem wyższych harmonicznych; wysokie harmoniczne, jeśli są na słyszalnym poziomie, są znacznie bardziej niepożądane niż niższe, tak więc poprawa wynikająca z niższych ogólnych zniekształceń jest częściowo anulowana z natury. Podaje się, że w pewnych okolicznościach bezwzględna amplituda wyższych harmonicznych może wzrosnąć wraz ze sprzężeniem zwrotnym, chociaż całkowite zniekształcenie maleje.

NFB zmniejsza impedancję wyjściową (Z _out ) (która może zmieniać się w funkcji częstotliwości w niektórych obwodach). Ma to dwie ważne konsekwencje:

Głośniki, których funkcje impedancji w funkcji częstotliwości znacznie odbiegają od płaskiej, będą miały zasadniczo niepłaską charakterystykę częstotliwościową, gdy będą używane ze wzmacniaczami High Z _{out .}

Hałas zaworu i współczynnik szumów

Jak każde urządzenie wzmacniające, lampy dodają szum do wzmacnianego sygnału. Hałas jest spowodowany niedoskonałościami urządzeń oraz nieuniknionymi wahaniami temperatury zależnymi od temperatury (zazwyczaj zakłada się, że systemy mają temperaturę pokojową, T = 295 K). $gdzie$ powodują moc szumów elektrycznych , jest $.$ Boltzmanna, a Odpowiednio, szum napięcia rezystancji R w obwodzie otwartym wynosi ${\ Displaystyle {\ sqrt {4k_ {B} \ cdot T \ cdot B \ cdot R}}}$ a obecny szum w zwarciu wynosi ${ \ Displaystyle {\ sqrt {4k_ {B} \ cdot T \ cdot B/R}}}$ .

Współczynnik szumowy definiuje się jako stosunek mocy szumowej na wyjściu wzmacniacza do mocy szumowej, jaka występowałaby na wyjściu, gdyby wzmacniacz był bezszumowy (ze względu na wzmocnienie szumu termicznego źródła sygnału). Równoważna definicja brzmi: współczynnik szumów to współczynnik, o który włożenie wzmacniacza obniża stosunek sygnału do szumu. Często wyraża się ją w decybelach (dB). Wzmacniacz o współczynniku szumów 0 dB byłby idealny.

Właściwości szumowe zaworów przy częstotliwościach audio można dobrze modelować za pomocą idealnego bezszumowego zaworu ze źródłem szumu napięciowego szeregowo z siatką. Na przykład dla niskoszumowej lampy pentodowej audio EF86 ten szum napięciowy jest określany (patrz np. karty katalogowe Valvo, Telefunken lub Philips) jako 2 mikrowolty zintegrowane w zakresie częstotliwości od około 25 Hz do 10 kHz. (Odnosi się to do zintegrowanego szumu, patrz poniżej zależność gęstości widmowej szumu od częstotliwości). Odpowiada to szumowi napięciowemu rezystora 25 kΩ. Tak więc, jeśli źródło sygnału ma impedancję 25 kΩ lub więcej, szum zaworu jest w rzeczywistości mniejszy niż szum źródła. Dla źródła o rezystancji 25 kΩ szum generowany przez zawór i źródło jest taki sam, więc całkowita moc szumów na wyjściu wzmacniacza jest pierwiastkiem kwadratowym z dwukrotności mocy szumów na wyjściu idealnego wzmacniacza. Nie jest po prostu podwójny, ponieważ źródła szumu są przypadkowe, a połączony szum jest częściowo anulowany. Współczynnik szumu wynosi wówczas 1,414, czyli 1,5 dB. W przypadku wyższych impedancji, takich jak 250 kΩ, szum napięcia EF86 wynosi 1/10 ^1/2 niższy niż szum własny źródła, a współczynnik szumów wynosi ~1 dB. Z drugiej strony, dla źródła o niskiej impedancji 250 Ω, udział szumów zaworu jest 10 razy większy niż źródła sygnału, a współczynnik szumów wynosi około dziesięciu, czyli 10 dB.

Aby uzyskać niski współczynnik szumów, impedancję źródła można zwiększyć za pomocą transformatora. Jest to ostatecznie ograniczone przez pojemność wejściową zaworu, która wyznacza granicę tego, jak wysoka może być impedancja sygnału, jeśli pożądana jest określona szerokość pasma.

Gęstość napięcia szumu danego zaworu jest funkcją częstotliwości. Przy częstotliwościach powyżej 10 kHz jest on w zasadzie stały („szum biały”). Szum biały jest często wyrażany przez równoważną rezystancję szumową, którą definiuje się jako rezystancję, która wytwarza taki sam szum napięcia, jaki występuje na wejściu zaworu. _Dla triod wynosi ona w przybliżeniu (2-3)/ gm , gdzie gm _jest transprzewodnictwem. Dla pentod jest ona wyższa i wynosi około (5-7)/ g _m . Zawory o wysokim gm mają zatem zwykle niższy poziom hałasu przy wysokich częstotliwościach _.

W zakresie częstotliwości audio (poniżej 1–100 kHz) dominujący staje się szum „1/ f ”, który wzrasta jak 1/ f . Zatem zawory o niskim poziomie szumów przy wysokiej częstotliwości niekoniecznie mają niski poziom szumów w zakresie częstotliwości audio. W przypadku specjalnych lamp dźwiękowych o niskim poziomie szumów częstotliwość, przy której przejmuje szum 1/ f , jest zmniejszana tak bardzo, jak to możliwe, może do wartości zbliżonej do kiloherca. Można go zmniejszyć, wybierając bardzo czyste materiały na nikiel katodowy i uruchamiając zawór przy zoptymalizowanym (zazwyczaj niskim) prądzie anodowym.

Mikrofonia

W przeciwieństwie do urządzeń półprzewodnikowych, zawory są zespołami części mechanicznych, których rozmieszczenie determinuje ich działanie i które nie mogą być całkowicie sztywne. Jeśli zawór zostanie poruszony, czy to przez poruszany sprzęt, czy to przez wibracje akustyczne z głośników, czy jakiekolwiek źródło dźwięku, wytworzy sygnał wyjściowy, jak gdyby był to jakiś rodzaj mikrofonu (efekt ten nazywamy w konsekwencji mikrofonowaniem ) . W pewnym stopniu podlegają temu wszystkie zawory; zawory wzmacniacza niskiego napięcia do audio są odporne na ten efekt, z dodatkowymi wspornikami wewnętrznymi. EF86 _ wspomniany w kontekście szumu jest również przeznaczony do niskiej mikrofonii, chociaż jego wysokie wzmocnienie czyni go szczególnie wrażliwym.

Nowoczesne audiofilskie wzmacniacze hi-fi

W przypadku audio high-end , gdzie koszt nie jest głównym czynnikiem, wzmacniacze lampowe pozostały popularne i rzeczywiście w latach 90. odrodziły się na rynku.

Obwody zaprojektowane od tego czasu w większości przypadków pozostają podobne do obwodów z epoki zaworów, ale korzystają z postępu w jakości komponentów pomocniczych (w tym kondensatorów), a także ogólnego postępu w przemyśle elektronicznym, który daje projektantom coraz lepszy wgląd w działanie obwodów. Zasilacze półprzewodnikowe są bardziej kompaktowe, wydajne i mogą mieć bardzo dobrą regulację.

Półprzewodnikowe wzmacniacze mocy nie mają poważnych ograniczeń mocy wyjściowej narzucanych przez urządzenia termoelektryczne; odpowiednio konstrukcja głośników ewoluowała w kierunku mniejszych. wygodniejsze głośniki, zamieniając energooszczędność na małe rozmiary, dając głośniki o podobnej jakości, ale mniejszych rozmiarach, które wymagają znacznie większej mocy dla tej samej głośności niż dotychczas. W odpowiedzi wiele nowoczesnych wzmacniaczy lampowych przeciwsobnych ma moc większą niż wcześniejsze konstrukcje, co odzwierciedla potrzebę napędzania nieefektywnych głośników.

Nowoczesne przedwzmacniacze lampowe

stosowano regulowane przez użytkownika „regulatory tonów” (prosty dwupasmowy korektor niegraficzny ) i filtry elektroniczne , aby umożliwić słuchaczowi zmianę pasma przenoszenia zgodnie z gustem i akustyką pomieszczenia; stało się to rzadkością. Niektóre nowoczesne urządzenia wykorzystują korektory graficzne, ale przedwzmacniacze lampowe zwykle nie obsługują tych urządzeń (z wyjątkiem RIAA i podobnej korekcji wymaganej w przypadku płyt winylowych i szelakowych).

Nowoczesne źródła sygnału, w przeciwieństwie do płyt winylowych, dostarczają sygnały o poziomie liniowym bez konieczności stosowania korektora. Powszechne jest napędzanie lampowych wzmacniaczy mocy bezpośrednio z takiego źródła, przy użyciu pasywnej głośności i przełączania źródła wejściowego zintegrowanych ze wzmacniaczem lub za pomocą minimalistycznego wzmacniacza sterującego „na poziomie liniowym”, który jest niewiele więcej niż pasywnym poziomem głośności i przełączaniem, plus etap wzmacniacza buforowego do napędzania interkonektów.

Istnieje jednak niewielkie zapotrzebowanie na przedwzmacniacze lampowe i obwody filtrujące do studyjnych wzmacniaczy mikrofonowych, przedwzmacniacze korekcyjne do płyt winylowych i wyjątkowo do aktywnych zwrotnic.

Nowoczesne wzmacniacze lampowe

Komercyjne wzmacniacze triodowe single-ended

Kiedy wzmacniacze lampowe były normą, SETy mniej więcej zniknęły z zachodnich produktów, z wyjątkiem konstrukcji o małej mocy (do 5 watów), z pośrednio podgrzewanymi triodami push-pull lub lampami połączonymi z triodą, takimi jak EL84, które stały się normą .

Jednak Daleki Wschód nigdy nie porzucił zaworów, a zwłaszcza obwodu SET; w istocie skrajne zainteresowanie wszystkim, co audiofilskie, w Japonii i innych krajach dalekowschodnich podtrzymywało wielkie zainteresowanie tym podejściem.

Jednym z kluczowych powiązań między tym dalekowschodnim podejściem do SET-a a zachodem był Jean Hiraga, wieloletni redaktor l' audiophile we Francji (i po francusku).
Bardzo skrajnym przykładem niemal „zen” lub „poetyckiego” podejścia do projektowania wzmacniaczy na Dalekim Wschodzie - bardzo odmiennego od podejścia opartego na zachodniej inżynierii - jest praca Susumu Sakumy, chociaż projekty Sakumy są dalekie od głównego nurtu

Od lat 90. na zachodzie ponownie rozwinął się niszowy rynek komercyjnych wzmacniaczy SET o małej mocy (do 7 watów), w szczególności wykorzystujących w ostatnich latach lampę 300B, która stała się modna i droga. Produkowane są również wzmacniacze o niższej mocy oparte na innych typach lamp vintage, takich jak 2A3 i 45.

Jeszcze rzadziej produkowane są komercyjnie SETy o większej mocy, zwykle z lampami nadawczymi 211 lub 845, które są w stanie dostarczyć 20 watów przy napięciu 1000 V. Godne uwagi wzmacniacze w tej klasie to wzmacniacze firmy Audio Note (zaprojektowane w Japonii), w tym „Ongaku”, wybrany wzmacniaczem roku pod koniec lat 90. Bardzo niewielka liczba ręcznie robionych produktów tej klasy sprzedaje się po bardzo wysokich cenach (od 10 000 USD). Wavac 833 może być najdroższym na świecie wzmacniaczem hi-fi, dostarczającym około 150 watów przy użyciu 833A .

Oprócz tego Wavaca i kilku innych SETów o dużej mocy, wzmacniacze SET zwykle wymagają starannego sparowania z bardzo wydajnymi głośnikami, zwłaszcza obudowami tubowymi i transmisyjnymi oraz głośnikami szerokopasmowymi, takimi jak te wykonane przez Klipsch i Lowther, które niezmiennie mają swoje dziwactwa, równoważące ich zalety bardzo wysokiej wydajności i minimalizmu.

Niektóre firmy, takie jak chińska firma „Ming Da”, produkują SETy małej mocy z lampami innymi niż 300B, takimi jak KT90 (rozwinięcie KT88), aż po mocniejszą siostrę 845, 805ASE, o mocy wyjściowej 40 watów w pełnym zakresie audio od 20 Hz. Jest to możliwe dzięki konstrukcji transformatora wyjściowego, który nie nasyca się przy wysokich poziomach i ma wysoką sprawność.

Komercyjne wzmacniacze przeciwsobne (PP).

Nowoczesne głośniki głównego nurtu zapewniają dobrą jakość dźwięku w niewielkich rozmiarach, ale są znacznie mniej wydajne energetycznie niż starsze konstrukcje i wymagają potężnych wzmacniaczy do ich napędzania. To sprawia, że nie nadają się do użytku ze wzmacniaczami lampowymi, zwłaszcza konstrukcjami single-ended o niższej mocy. Konstrukcje lampowych wzmacniaczy mocy hi-fi od lat 70. XX wieku musiały przejść głównie do obwodów przeciwsobnych (PP) klasy AB1. Typową konfiguracją są tetrody i pentody, czasami w konfiguracji ultraliniowej, ze znacznym ujemnym sprzężeniem zwrotnym.

Niektóre wzmacniacze przeciwsobne klasy A są produkowane komercyjnie. Niektóre wzmacniacze można przełączać między klasami A i AB; niektóre można przełączyć w tryb triodowy.

Główni producenci na rynku zaworów PP to:

Hobbystyczna konstrukcja wzmacniacza

Prostota wzmacniaczy lampowych, zwłaszcza konstrukcji single-ended, sprawia, że są one opłacalne w budownictwie domowym. Ma to pewne zalety:

Możliwość korzystania z wysoko cenionych zaworów wyprodukowanych wiele lat temu i dostępnych tylko w egzemplarzach jedno- i dwuczęściowych;
Konstruktor domowy może eksperymentować z różnymi typami komponentów lub różnymi próbkami komponentu.

Budowa

Ręczne okablowanie punkt-punkt jest zwykle używane zamiast płytek drukowanych w niewielkich, wysokiej klasy konstrukcjach komercyjnych, a także przez hobbystów. Ten styl budowy jest zadowalający ze względu na łatwość konstrukcji, dostosowaną do ilości fizycznie dużych elementów montowanych w obudowie (gniazda zaworowe, duże kondensatory zasilające, transformatory), konieczność skręcania okablowania grzałki w celu zminimalizowania przydźwięku oraz jako efekt uboczny czerpania korzyści z fakt, że „latające” okablowanie minimalizuje efekty pojemnościowe.

Jedno zdjęcie poniżej pokazuje obwód zbudowany przy użyciu „standardowych” nowoczesnych części przemysłowych (kondensatory 630 V MKP/rezystory metalizowane). Jedną z przewag hobbysty nad producentem komercyjnym jest możliwość używania części wyższej jakości, które nie są niezawodnie dostępne w ilościach produkcyjnych (lub po opłacalnej cenie). Na przykład „silver top getter” Sylvania brown base 6SN7s używany na zdjęciu zewnętrznym pochodzi z lat 60. XX wieku.

Inne zdjęcie pokazuje dokładnie ten sam obwód zbudowany z rosyjskich wojskowych kondensatorów teflonowych i nieindukcyjnych planarnych rezystorów foliowych o tych samych wartościach.

Dla porównania pokazano również okablowanie komercyjnego wzmacniacza

Widok zewnętrzny
Schematyczny
Elementy wewnętrzne przy użyciu normalnych części o jakości przemysłowej.
Elementy wewnętrzne wykorzystujące „up-spec” teflonowe nasadki i płaskie rezystory.
Budowa wewnętrzna komercyjnego wzmacniacza PP

Niezwykłe projekty

Zestawy o bardzo dużej mocy

Bardzo rzadko zawory o bardzo dużej mocy (zwykle zaprojektowane do użytku w nadajnikach radiowych) sprzed dziesięcioleci są wprowadzane do użytku w celu stworzenia jednorazowych projektów SET (zwykle po bardzo wysokich kosztach). Przykłady obejmują zawory 211 i 833.

Głównym problemem związanym z tymi projektami jest skonstruowanie transformatorów wyjściowych zdolnych do utrzymania prądu płytki i wynikającej z tego gęstości strumienia bez nasycenia rdzenia w całym spektrum częstotliwości audio. Ten problem wzrasta wraz z poziomem mocy.

Innym problemem jest to, że napięcia dla takich wzmacniaczy często znacznie przekraczają 1 kV, co skutecznie zniechęca do komercyjnych produktów tego typu.

Równoległe wzmacniacze przeciwsobne (PPP).

Hobbysta skonstruował wzmacniacz Mono PPP przy użyciu 813/QB2/250. ~ 65W w klasie A. Waga to 48 kg, rozpraszanie to 1 kW

Wiele nowoczesnych wzmacniaczy komercyjnych (i niektóre konstrukcje hobbystów) umieszcza równolegle wiele par lamp wyjściowych łatwo dostępnych typów, aby zwiększyć moc, działając przy tym samym napięciu wymaganym przez pojedynczą parę. Korzystnym efektem ubocznym jest zmniejszenie impedancji wyjściowej zaworów, a tym samym wymaganego przełożenia transformatora, co ułatwia zbudowanie transformatora o szerokim paśmie przenoszenia.

Niektóre komercyjne wzmacniacze dużej mocy wykorzystują układy lamp standardowych (np. EL34, KT88) w równoległej konfiguracji przeciwsobnej (PPP) (np. Jadis, Audio Research, McIntosh, Ampeg SVT).

Niektóre domowe wzmacniacze wykorzystują pary lamp nadawczych dużej mocy (np. 813), aby uzyskać 100 watów lub więcej mocy wyjściowej na parę w klasie AB1 (ultraliniowe).

Beztransformatorowe wzmacniacze wyjściowe (OTL)

Transformator wyjściowy (OPT) jest głównym elementem wszystkich głównych wzmacniaczy lampowych, co wiąże się ze znacznymi kosztami, rozmiarami i wagą. To kompromis, równoważący potrzeby małej pojemności rozproszonej, małych strat w żelazie i miedzi, pracy bez nasycenia przy wymaganym prądzie stałym, dobrej liniowości itp.

Jednym ze sposobów uniknięcia problemów z OPT jest całkowite uniknięcie OPT i bezpośrednie połączenie wzmacniacza z głośnikiem, tak jak ma to miejsce w przypadku większości wzmacniaczy półprzewodnikowych. Niektóre konstrukcje bez transformatorów wyjściowych (OTL) zostały wyprodukowane przez Juliusa Futtermana w latach 60. i 70. XX wieku, a ostatnio w różnych wykonaniach przez innych.

Lampy zwykle dopasowują się do znacznie wyższych impedancji niż impedancja głośnika. Wymagane są typy zaworów o niskiej impedancji i specjalnie zaprojektowane obwody. Można osiągnąć rozsądną wydajność i umiarkowany Z _{out (współczynnik tłumienia).}

Efekty te oznaczają, że wzmacniacze OTL mają selektywne wymagania dotyczące obciążenia głośników, tak jak każdy inny wzmacniacz. Zasadniczo wymagany jest głośnik o impedancji co najmniej 8 omów, chociaż większe OTL są często dość wygodne przy obciążeniu 4 omów. Głośniki elektrostatyczne (często uważane za trudne do wysterowania) często działają szczególnie dobrze z OTL.

Nowsze i bardziej udane obwody OTL wykorzystują obwód wyjściowy ogólnie znany jako Circlotron . Circlotron ma mniej więcej połowę impedancji wyjściowej obwodów w stylu Futtermana (totem-pole). Circlotron jest w pełni symetryczny i nie wymaga dużych ilości sprzężenia zwrotnego w celu zmniejszenia impedancji wyjściowej i zniekształceń. Udane wykonania wykorzystują triody mocy 6AS7G i rosyjskie 6C33-CB.

Powszechnym mitem jest to, że zwarcie w zaworze wyjściowym może spowodować podłączenie głośnika bezpośrednio do zasilania i zniszczenie. W praktyce wiadomo, że starsze wzmacniacze w stylu Futtermana uszkadzają głośniki nie z powodu zwarć, ale oscylacji. Wzmacniacze Circlotron często mają wyjścia sprzężone bezpośrednio, ale odpowiednia inżynieria (z kilkoma dobrze rozmieszczonymi bezpiecznikami) gwarantuje, że uszkodzenie głośnika nie jest bardziej prawdopodobne niż w przypadku transformatora wyjściowego.

Nowoczesne OTL są często bardziej niezawodne, lepiej brzmią i są tańsze niż wiele podejść do zaworów sprzężonych z transformatorem.

Wzmacniacze sprzężone bezpośrednio do elektrostatyki i słuchawek

W pewnym sensie ta nisza jest podzbiorem OTL, jednak zasługuje na oddzielne potraktowanie, ponieważ w przeciwieństwie do OTL dla głośnika, który musi przesuwać skrajne możliwości obwodu lampowego do dostarczania stosunkowo wysokich prądów przy niskim napięciu do obciążenia o niskiej impedancji, niektóre słuchawki typy mają impedancje wystarczająco wysokie, aby normalne typy zaworów działały rozsądnie jako OTL, aw szczególności głośniki elektrostatyczne i słuchawki, które można zasilać bezpośrednio setkami woltów, ale minimalnymi prądami.

Ponownie pojawiają się pewne kwestie bezpieczeństwa związane z bezpośrednim napędem głośników elektrostatycznych, które w skrajnych przypadkach mogą wykorzystywać zawory nadawcze pracujące przy napięciu powyżej 1 kV. Takie systemy są potencjalnie śmiertelne.

Zobacz też

dźwiękowy Valve Electronics

Notatki

Koloms, Marcin. Przyszłość bez informacji zwrotnej? w Stereophile , styczeń 1998
Szklany dźwięk . Wieloletnie czasopismo poświęcone konstrukcji wzmacniaczy lampowych, wydawane przez Audio Amateur Corporation, Peterborough, New Hampshire
Jones, Morgan. Wzmacniacze zaworowe , wydanie trzecie, 2003. ISBN 0-7506-5694-8
Kavsek, Paul G. Röhrenverstärker: Klang und Form . Wiedeń: Allegro Verlag, 1995. ISBN 3-901462-00-7
Langford-Smith, Podręcznik projektanta F. Radiotronu . 4. wydanie 1952, Wireless Press (pierwsze wydanie ukazało się w 1934 r.). Przedrukowany jako Podręcznik projektanta radia Newnes 1999, ISBN 0-7506-3635-1
Anonimowi Miłośnicy Kanału. Wzmacniacz 6C33C-B OTL — obwody tła i OTL