Классический усилитель на 6П43П. Токовые зеркала. Часть 2.

Автор: Sobiratel_sxem
Опубликовано 24.12.2017
Создано при помощи КотоРед.

     Добрый день, уважаемые радиолюбители.

     В предыдущих частях данной статьи я рассказывал Вам о своих экспериментах, проведённых со схемотехникой усилителя, реализованного на радиолампах 6П43П в выходном каскаде. Сегодня я хотел бы продолжить данные эксперименты и познакомить Вас со второй серией экспериментов связанных с применением токовых зеркал в выходном каскаде лампового усилителя для задания режима ламп по постоянному току. Итак, начнём!

     На схеме выше представлена схема электрическая принципиальная спроектированного усилителя. Те кто знаком с предыдущей частью данной статьи заранее знают, что данный вариант усилителя отличается от описанных ранее только построением выходного каскада, а именно его катодных цепей.

     По результатам измерений, проведённых в предыдущих частях данной статьи было выявлено, что каскодное симметричное токовое зеркало в катодах ламп выходного каскада даёт наибольшее уменьшение КНИ усилителя по сравнению со всеми другими вариантами построения выходного каскада, а прецизионный отражатель тока по сравнению с классическим токовым зеркалом. Таким образом было бы не логично пройти мимо и не поробовать применить комбинацию данных каскадов, что и представлено на схеме электрической принципиальной выше.

     По схеме видно, что комбинация симметричного каскодного токового зеркала и прецизионного отражателя тока реализована на парах транзисторов VT1, VT2, а так же транзисторах VT3, VT4.

     Данный отражатель тока должен иметь повышенную точность (по сравнению с симметричным каскодным токовым зеркалом) за счёт добавления базового тока транзистора VT4 (равного базовому току VT3) к выходному току транзистора VT2.

     Для устранения глубокой местной ООС со стороны катода токовое зеркало так же было дополнительно шунтировано конденсаторами С9, С10.

     Требования по обеспечению адекватной работы токового зеркала аналогичны предыдущим вариантам усилителя.

     Настройка выходного каскада данного варианта усилителя полностью аналогична настройке предыдущих вариантов усилителя, за исключением того, что токи покоя устанавливаются подбором резистора R18, а ассиметрия токов плеч устраняется подбором резистора R14.

     После настройки усилителя было произведено измерение основных параметров усилителя.

    На скрине ниже представлена АЧХ усилителя при номинальной выходной мощности равной 8 Вт.

     По скрину видно, что полоса пропускания усилителя по уровню -3 дБ простирается грубо от 15 Гц до 32-33 кГц. Замерить АЧХ в большую сторону не позволяют параметры установленной в ПК звуковой карты.

     На скрине ниже представлен спектр сигнала на выходе усилителя при номинальной выходной мощности равной 8 Вт.

     По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.3%, а уровень самой высокой гармоники, 2-ой, грубо равен -59 дБ.

     На скрине ниже представлен спектр сигнала при выходной мощности равной 6 Вт.

     По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.15%, а уровень самой высокой гармоники, 3-ей, грубо равен -62 дБ.

     На скрине ниже представлен спектр сигнала при выходной мощности равной 3 Вт.

     По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.06%, а уровень самой высокой гармоники, 3-ей (и примерно такой же 2-ой), грубо равен -72...-73 дБ.

     После превышения номинальной выходной мощности равной 8 Вт усилитель начинает плавно входить в ограничение сигнала (клипинг). В таком режиме усилитель способен развивать на выходе мощность равную 16 Вт. Спектр сигнала в таком режиме работы представлен на скрине ниже.

     По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 2.9%, а уровень самой высокой гармоники, 5-ой, грубо равен -32 дБ.

     Что же касается стабильности тока покоя, то при изменении выходной мощности от 0 до максимальной мощности ток покоя одного плеча изменяется от 30.9 до 43.8 мА, а второго плеча от 32.1 до 45.0 мА т.е. в одном плече ток покоя изменяется всего на 12.9 мА и во втором так же на 12.9 мА, что подтверждает нормальную работу комбинации симметричного каскодного токового зеркала и прецизионного отражателя тока. Разбаланс плеч по току во время работы усилителя менее предела погрешности используемого мультиметра, поэтому измерить его не удалось. Переменная составляющая тока анода при этом изменяется в одном плече от 0 до 37.4 мА (действующего значения) и от 0 до 35.2 мА (действующего значения) во втором плече. Разбаланс плеч по переменному току связан с разбросом характеристих радиоламп выходного каскада Ла2, Ла3.

     На фото ниже представлены показания амперметров при измерении переменной и постоянной составляющей токов анодов ламп выходного каскада при изменении мощности от 0 до максимальной.

     После проведения настройки и измерения основных параметров усилителя было произведено контрольное прослушивание усилителя. В целом звучание данного усилителя достаточно чистое и детальное. Подбубнивания НЧ обнаружено не было, ВЧ проигрываются чисто и детально, верха на слух немного приподняты с подцыкиванием.

     В подборке видео ниже показана работа макета данного варианта усилителя во время проведения испытаний.

     Не стоит судить о качестве воспроизведения по данным видеозаписям т.к. микрофон фотоаппарата обладает посредственным качеством + ужасная акустика помещения со множеством эхо (по видео это прекрасно видно). Видео предназначено исключительно для демонстрационных целей.

     На фото ниже представлен внешний вид комбинации симметричного каскодного токового зеркала и прецизионного отражателя тока во время проведения испытаний.

     Если обобщить результаты измерений параметров данного варианта усилителя и результаты прослушивания, то можно сделать вывод - ожидаемого чуда не произошло... Несмотря на более точное поддержание режима по постоянному току данный отражатель тока практически не повлиял на параметры усилителя по переменному току, КНИ усилителя остался примерно таким же, как в варианте с симметричным каскодным токовым зеркалом. По звучанию данный усилитель так же примерно аналогичен звучанию усилителя с симметричным каскодным токовым зеркалом, но с небольшим подчёркиванием верхов.

     Отсюда следует резонный риторический/технический (нужное подчеркнуть) вопрос: Нужно ли в действительности такое сильное усложнение схемы? Лично я считаю что в большинстве случаев нет в этом никакой необходимости. Возможно какие-то каскады и схемы требуют прецизионного поддержания режима по постоянному току, но нужно понимать, что для этого необходимо как минимум подобрать все транзисторы данного отражателя тока по коэффициенту передачи тока, а так же обеспечить им одинаковый тепловой режим. Кроме того, необходимо подобрать в пары те радиолампы, в которых данный отражатель тока будет поддерживать режим по постоянному току. Только в этом случае удастся раскрыть полезные свойства и преимущества данного отражателя тока. В обычных схемах с использования данного отражателя тока никакого смысла НЕТ!

     После контрольного прослушивания усилителя и измерения его основных параметров была вновь произведена модернизация выходного каскада УНЧ. Модернизированный вариант усилителя показан на схеме ниже.

     Если Вы обратили внимание, то во всех предыдущих вариантах применения токовых зеркал и отражателей тока мы задавали, по-сути, режим по постоянному току одной из ламп автоматическим смещением. Заданный таким образом ток покоя служил опорным током для токовых зеркал и отражателей тока и, соответственно, этот же ток отражался во второе плечо. Таким образом режим второго плеча по постоянному току оказывался жёстко привязанным к режиму первого плеча, чем и дистигалась высокая симметрия работы выходного каскада даже с неподобранными лампами.

     В предложенной же абзацем выше схеме режим первого плеча по постоянному току жёстко задан источником тока, реализованным на интегральном стабилизаторе DA1 в катодной цепи радиолампы Ла2. Таким образом режим по постоянному току радиолампы Ла2 в данной схеме практически не зависит от разброса характеристик самих радиоламп, а так же изменения выходной мощности. Режим второго плеча, реализованного на радиолампе Ла3, аналогично предыдущим схемам, привязан через комбинацию симметричного каскодного токового зеркала и прецизионного отражателя тока к режиму первого плеча, благодаря чему так же не происходит разбалансировки выходного каскада при работе усилителя.

     Для устранения глубокой местной ООС со стороны катода токовое зеркало, аналогично всем предыдущим вариантам усилителя, было дополнительно шунтировано конденсаторами С9, С10.

     Настройка выходного каскада данного варианта усилителя полностью аналогична настройке предыдущих вариантов усилителя, за исключением того, что токи покоя устанавливаются подбором резистора R18 источника тока, а ассиметрия токов плеч устраняется подбором резистора R14.

     После настройки усилителя было произведено измерение основных параметров усилителя.

     На скрине ниже представлен спектр сигнала на выходе усилителя при номинальной выходной мощности равной 6 Вт.

     По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.26%, а уровень самой высокой гармоники, 2-ой (и примерно такой же 3-ей), грубо равен -60 дБ.

     На скрине ниже представлен спектр сигнала при выходной мощности равной 3 Вт.

     По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.08%, а уровень самой высокой гармоники, 2-ой (и примерно такой же 3-ей и 4-ой), грубо равен -70 дБ.

     После превышения номинальной выходной мощности равной 6 Вт усилитель начинает плавно входить в ограничение сигнала (клипинг). В таком режиме усилитель способен развивать на выходе мощность равную 10 Вт.

     На скрине ниже представлен спектр сигнала при выходной мощности равной 8 Вт.

     По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.53%, а уровень самой высокой гармоники, 2-ой, грубо равен -51 дБ.

     На скрине ниже представлен спектр сигнала при выходной мощности равной 10 Вт.

     По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 6.4%, а уровень самой высокой гармоники, 3-ей, грубо равен -24 дБ.

     Что же касается стабильности тока покоя, то при изменении выходной мощности от 0 до максимальной мощности ток покоя одного плеча изменяется от 32.4 до 30.3 мА, а второго плеча от 31.4 до 29.9 мА т.е. в одном плече ток покоя изменяется всего на 2.1 мА, а во втором на 1.5 мА, что подтверждает нормальную работу отражателя тока. Разбаланс плеч по току во время работы усилителя не превышает 0.6 мА. Переменная составляющая тока анода при этом изменяется в одном плече от 0 до 41.7 мА (действующего значения) и от 0 до 42.5 мА (действующего значения) во втором плече. Разбаланс плеч по переменному току связан с разбросом характеристих радиоламп выходного каскада Ла2, Ла3.

     На фото ниже представлены показания амперметров при измерении переменной и постоянной составляющей токов анодов ламп выходного каскада при изменении мощности от 0 до максимальной.

     После проведения настройки и измерения основных параметров усилителя было произведено контрольное прослушивание усилителя. В целом звучание данного усилителя аналогично предыдущему варианту усилителя, но без поднятия частот в верхней части звукового диапазона. Подцикивание так же отсутствует.

     На фото ниже представлен внешний вид модернизированного варианта отражателя тока во время проведения испытаний.

     Если обобщить результаты измерений параметров данного варианта усилителя и результаты прослушивания, то можно сделать вывод - чуда снова не произошло...

     По результатам измерений видно что упала номинальная выходная мощность усилителя. Это связано с тем, что источник тока жёстко фиксирует работу выходного каскада по постоянному току и не даёт выходному каскаду адекватно перейти в режим работы с сеточными токами. Это в какой-то мере можно считать недостатком... Но это только с одной стороны...

     С другой стороны, если Вы не планируете эксплуатировать выходной каскад в режиме с сеточными токами (т.е. в А2, АВ2, В2), тогда данное включение может дать некоторое преимущество в стабильности параметров усилителя при смене ламп, их старении, попытке уйти в разнос и т.д. Тем более что при несколько меньшей номинальной выходной мощности уровень искажений данного варианта усилителя практически аналогичен симметричному каскодному токовому зеркалу. Но с несколько меньшей выходной мощностью всё же придётся смириться...

     Отсюда следует тот же самый резонный риторический/технический (нужное подчеркнуть) вопрос: Нужно ли в действительности такое сильное усложнение схемы? Лично моё мнение - НЕТ! Причина тому аналогична предыдущему варианту усилителя. В связи с озвученными фактами дальнейшее построение источников и отражателей тока будем производить по принципу упрощения рассмотренной схемы.

     На схеме ниже представлен следующий вариант спроектированного усилителя.

     По схеме видно, что в данном варианте усилителя в катодных цепях применено симметричное каскодное токовое зеркало с одной лишь разницей, что опорный ток задаётся источником тока, реализованным на интегральном стабилизаторе DA1 в катодной цепи радиолампы Ла2. В связи с этим резонно ожидать от схемы, аналогично предыдущему варианту усилителя, невозможность адекватной работы выходного каскада в режиме с сеточными токами. В данный момент это только предположение, но измерение основных параметров усилителя расставит все точки над "И".

     Итак, на скрине ниже представлен спектр сигнала на выходе усилителя при номинальной выходной мощности равной 6 Вт.

     По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.16%, а уровень самой высокой гармоники, 2-ой (и примерно такой же 4-ой), грубо равен -64...-65 дБ.

     На скрине ниже представлен спектр сигнала при выходной мощности равной 3 Вт.

     По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.1%, а уровень самой высокой гармоники, 2-ой, грубо равен -68 дБ.

     После превышения номинальной выходной мощности равной 6 Вт усилитель начинает плавно входить в ограничение сигнала (клипинг). В таком режиме усилитель способен развивать на выходе мощность равную 10 Вт.

     На скрине ниже представлен спектр сигнала при выходной мощности равной 8 Вт.

     По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.75%, а уровень самой высокой гармоники, 2-ой, грубо равен -50 дБ.

     На скрине ниже представлен спектр сигнала при выходной мощности равной 10 Вт.

     По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 6.6%, а уровень самой высокой гармоники, 3-ей, грубо равен -26 дБ.

     Что же касается стабильности тока покоя, то при изменении выходной мощности от 0 до максимальной мощности ток покоя плеч выходного каскада усилителя изменяется практически идентично предыдущему варианту усилителя, поэтому приводить повторно практические те же самые параметры не имеет смысла.

     После проведения настройки и измерения основных параметров усилителя было произведено контрольное прослушивание усилителя. В целом звучание данного усилителя практически аналогично звучанию предыдущего варианта усилителя, но оно несколько более нейтрально.

     На фото ниже представлен внешний вид симметричного каскаодного токового зеркала с источником тока во время проведения испытаний.

     Если обобщить результаты измерений и прослушивания, то данный вариант построения выходного каскада из представленных в данной статье вариантов мне понравился по звучанию больше всего.

     Что касается выходной мощности, то она, как и ожидалась несколько ниже, как и в предыдущем варианте усилителя, чем в схемах без источника тока на интегральном стабилизаторе DA1.

     Так же несмотря на незначительное повышение уровня искажений при небольших выходных мощностях в целом данный вариант выходного каскада более линеен по сравнению с предыдущим вариантом т.к. уровень искажений при более высоких выходных мощностях, близких к номинальной значительно ниже.

     После проведения испытаний описанного выше выходного каскада была произведена ещё одна его модернизация, а именно симметричное каскодное токовое зеркало было заменено на классическое каскодное токовое зеркало. Модернизированный вариант усилителя с данным типом построения выходного каскада показан на схеме ниже.

     Думаю нет смысла подробно описывать построение и принцип работы данного каскада т.к. он отличается от ранее описанного классического токового зеркала только источником тока в качестве токозадающего элемента. Перейдём сразу к измерению основных параметров усилителя.

     На скрине ниже представлен спектр сигнала на выходе усилителя при номинальной выходной мощности равной 6 Вт.

     По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.15%, а уровень самой высокой гармоники, 3-ей (и примерно такой же 4-ой), грубо равен -64 дБ.

     На скрине ниже представлен спектр сигнала при выходной мощности равной 3 Вт.

     По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.1%, а уровень самой высокой гармоники, 2-ой, грубо равен -68 дБ.

     После превышения номинальной выходной мощности равной 6 Вт усилитель начинает плавно входить в ограничение сигнала (клипинг). В таком режиме усилитель способен развивать на выходе мощность равную 10 Вт.

     На скрине ниже представлен спектр сигнала при выходной мощности равной 8 Вт.

     По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 1%, а уровень самой высокой гармоники, 3-ей, грубо равен -46 дБ.

     На скрине ниже представлен спектр сигнала при выходной мощности равной 10 Вт.

     По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 7.1%, а уровень самой высокой гармоники, 3-ей, грубо равен -25 дБ.

     Что же касается стабильности тока покоя, то при изменении выходной мощности от 0 до максимальной мощности ток покоя одного плеча изменяется от 32.4 до 31.0 мА, а второго плеча от 31.0 до 30.2 мА т.е. в одном плече ток покоя изменяется всего на 1 мА, а во втором на 0.8 мА, что подтверждает нормальную работу каскодного токового зеркала с источником тока. Разбаланс плеч по току во время работы усилителя не превышает 0.2 мА. Переменная составляющая тока анода при этом изменяется в одном плече от 0 до 41.3 мА (действующего значения) и от 0 до 40.7 мА (действующего значения) во втором плече. Разбаланс плеч по переменному току связан с разбросом характеристих радиоламп выходного каскада Ла2, Ла3.

     На фото ниже представлены показания амперметров при измерении переменной и постоянной составляющей токов анодов ламп выходного каскада при изменении мощности от 0 до максимальной.

     После проведения настройки и измерения основных параметров усилителя было произведено контрольное прослушивание усилителя. В целом звучание данного усилителя аналогично предыдущему варианту усилителя. Каких-то координальных отличий на слух я не обнаружил.

     Что касается выходной мощности, то она, как и ожидалась, примерно одинакова во всех схемах с источником тока на интегральном стабилизаторе DA1 в качестве токозадающего элемента.

     Если сравнить линейность данного варианта усилителя с линейностью предыдущего варианта, то можно отметить, что линейность данного усилителя несколько выше при малых мощностях, но хуже при приближении выходной мощности к номинальной.

     Таким образом на сегодня я заканчиваю свои эксперименты с источниками и отражателями тока в катодных цепях ламповых усилителей.

     Все интересующие вопросы по этой и ранее опубликованным конструкциям пишите на майл: Sobiratel_sxem@mail.ru . С уважением, Андрей Савченко.

Все вопросы в Форум.