Классический усилитель на 6П43П. Токовые зеркала. Часть 1.



Добрый день, уважаемые радиолюбители.

В предыдущих частях данной статьи ( Классический усилитель на 6Ф12П+6П43П, Классический усилитель на 6Ф12П+6П43П. Работа над ошибками, Классический усилитель на 6Ф12П+6П43П. Занимательные эксперименты ) я рассказывал Вам, как строил классический усилитель на 6Ф12П в предварительном усилителе и 6П43П в выходном каскаде, а так же о замене 6Ф12П на 6Н3П в предварительном усилителе. Кроме того, в последней части статьи я начал рассказ об источниках тока в катодах ламп выходного каскада усилителя. Сегодня я хотел бы поделиться с Вами второй серией экспериментов, проведённых со схемотехникой выходного каскада данного усилителя. Итак, пожалуй начнём.

На схеме ниже представлена схема электрическая принципиальная нового варианта усилителя.

Принципиальная схема.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

Основным отличием данного усилителя от предыдущих вариантов является применение каскодного токового зеркала с коэффициентом отражения тока 1:1 для задания режима ламп выходного каскада по постоянному току.

Токовое зеркало реализовано на биполярных транзисторах VT1-VT4. Токозадающим плечом является плечо, реализованное на транзисторах VT1, VT3. Ток покоя определяется внутренним сопротивлением лампы Ла2 по постоянному току в рабочей точке, а так же резисторами R13, R15, R17. Заданный ток отражается с коэффициентом равным 1:1 во второе плечо, реализованное на транзисторах VT2, VT4.

Кроме того, падение напряжения на резисторах R13, R15, R17 а так же транзисторах VT1, VT3 является для лампы Ла2 напряжением автоматического смещения, что дополнительно стабилизирует режим выходного каскада по постоянному току.

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

Предположим, по каким-то причинам ток радиолампы Ла2 начал увеличиваться. В связи с увеличением тока покоя увеличивается падение напряжения на токозадающем резисторе R17, что приводит к уменьшению тока покоя из-за возросшего напряжения автосмещения + само токовое зеркало старается поддержать заданный ток. При уменьшении тока покоя происходит всё в точности наоборот.

В это же время ток второго плеча при правильной настройке токового зеркала изменяется на такую же самую величину. Таким образом разбалансировки выходного каскада по постоянному току не происходит.

Для корректной и стабильной работы токового зеркала транзисторы VT1, VT2, VT3, VT4 должны иметь одинаковый тепловой режим и статический коэффициент передачи по току. Кроме того данные транзисторы необходимо установить на радиатор площадью 4-5 квадратных сантиметров толщиной 0.5-1 мм. Идеальным вариантом является использование согласованных пар транзисторов в одном корпусе для каждого токового зеркала либо закрепление транзисторов на радиатор с обратных сторон напротив друг друга через изолирующие прокладки.

Настройка выходного каскада данного варианта усилителя не представляет сложности. Для установки токов покоя радиоламп Ла2, Ла3 необходимо подобрать величину резистора R17, при этом разбалансировка токов плеч компенсируется подбором резистора R14. На этом настройку выходного каскада можно считать законченной.

После настройки данного варианта усилителя было произведено так же измерение основных параметров усилителя.

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

АЧХ.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

По скрину видно, что полоса пропускания усилителя по уровню -3 дБ простирается грубо от 10-15 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.

Спектр.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.82%, а уровень самой высокой гармоники, 3-ей, грубо равен -45 дБ.

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

Спектр.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.45%, а уровень самой высокой гармоники, 3-ей, грубо равен -52 дБ.

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

Спектр.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.05%, а уровень самой высокой гармоники, 2-ой, грубо равен -74 дБ.

После превышения 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 усилителя показан на скрине далее.

Спектр.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 4.2%, а уровень самой высокой гармоники, 5-ой, грубо равен -21 дБ.

Что же касается стабильности тока покоя, то при изменении выходной мощности от 0 до максимальной мощности ток покоя одного плеча изменяется от 27.1 до 36.1 мА, а второго плеча от 28.5 до 37.6 мА т.е. в одном плече ток покоя изменяется всего на 9 мА, а во втором на 9.1 мА, что подтверждает нормальную работу токового зеркала. Разбаланс плеч во время работы усилителя составляет около 0.1 мА. Переменная составляющая тока анода при этом изменяется в одном плече от 0 до 48 мА (действующего значения) и от 0 до 47 мА (действующего значения) во втором плече. Разбаланс плеч по переменному току связан с разбросом характеристих радиоламп выходного каскада Ла2, Ла3. Токовое зеркало практически не оказывает влияния на работу выходного каскада по переменному току.

По приведённым измерениям можно сделать вывод о том, что в целом линейность усилителя с каскодным токовым зеркалом хуже, чем с классическим. Я считаю это связано со значительным различием вносимого каскодным токовым зеркалом в катодные цепи выходного каскада сопротивлением. Для уменьшения искажений во всём диапазоне выходных мощностей необходимо лампы выходного каскада подобрать в пары более точно.

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


Фото 1. Фото 2. Фото 3. Фото 4.
Фото 5. Фото 6. Фото 7. Фото 8.

Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне


После проведения настройки и измерения основных параметров усилителя было произведено контрольное прослушивание усилителя. В целом звучание данного усилителя аналогично звучанию усилителя с классическим токовым зеркалом, но есть некоторое подбубнивание НЧ, хотя ВЧ проигрывается достаточно детально.

После контрольного прослушивания усилителя была произведена модернизация выходного каскада УНЧ. Модернизированный вариант усилителя показан на схеме ниже.

Принципиальная схема.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

По схеме видно, что в катоды ламп выходного каскада было установлено так называемое симметричное токовое зеркало.

В данном токовом зеркале токозадающим является верхнее (правое по схеме, соединённое непосредственно с катодами ламп выходного каскада) токовое зеркало. Токозадающим плечом является плечо, реализованное на транзисторе VT3. Установленный резистором R17 и внутренним сопротивлением лампы Ла2 ток отражается с коэффициентом 1:1 во второе плечо, реализованное на транзисторе VT4. Тем самым поддерживается ток покоя радиолампы Ла3 выходного каскада.

В то же время отражённый во второе плечо верхнего токового зеркала ток является опорным током для нижнего токового зеркала, реализованного на транзисторах VT1, VT2. Заданный во втором плече ток вновь отражается нижним токовым зеркалом в первое плечо с коэффициентом 1:1, стараясь поддержать исходный ток.

Таким образом получается, что верхнее токовое зеркало воздействует само на себя через цепь обратной связи по постоянному току. Кроме того данное токовое зеркало по величине вносимого в плечи выходного каскада сопротивления является практически симметричным.

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

Требования по обеспечению адекватной работы токового зеркала аналогичны предыдущему варианту усилителя.

Настройка выходного каскада данного варианта усилителя полностью аналогична настройке предыдущего варианта усилителя, поэтому повторно её описывать не буду.

После настройки усилителя было так же произведено измерение основных параметров усилителя.

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

Спектр.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.35%, а уровень самой высокой гармоники 3-ей (и примерно такой же 2-ой) грубо равен -58 дБ.

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

Спектр.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.15%, а уровень самой высокой гармоники, 3-ей, грубо равен -61 дБ.

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

Спектр.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.047%, а уровень самой высокой гармоники 2-ой грубо равен -75 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.

Спектр.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 3.1%, а уровень самой высокой гармоники, 5-ой, грубо равен -30 дБ.

Что же касается стабильности тока покоя, то при изменении выходной мощности от 0 до максимальной мощности ток покоя одного плеча изменяется от 31.8 до 39.1 мА, а второго плеча от 30.9 до 38.3 мА т.е. в одном плече ток покоя изменяется всего на 7.3 мА, а во втором на 7.4 мА, что подтверждает нормальную работу симметричного токового зеркала. Разбаланс плеч во время работы усилителя составляет около 0.1 мА. Кроме того уменьшилось абсолютное изменение тока покоя при изменении выходной мощности по сравнению с предыдущим вариантом усилителя. Переменная составляющая тока анода при этом изменяется в одном плече от 0 до 49.5 мА (действующего значения) и от 0 до 51.3 мА (действующего значения) во втором плече. Разбаланс плеч по переменному току связан с разбросом характеристих радиоламп выходного каскада Ла2, Ла3.

По приведённым измерениям можно сделать вывод о том, что в целом линейность усилителя с симметричным каскодным токовым зеркалом значительно лучше, чем с обыкновенным каскодным токовым зеркалом во всём диапазоне выходных мощностей (впрочем линейность значительно выше и по сравнению с классическим токовым зеркалом, описанным в предыдущей части данной статьи). Я считаю это связано с одинаковым вносимым токовым зеркалом сопротивлением в катодные цепи выходного каскада. Кроме того симметричность работы данного токового зеркала значительно выше, по сравнению с предыдущим вариантом. Для уменьшения искажений во всём диапазоне выходных мощностей необходимо так же подобрать лампы выходного каскада в пары более точно.

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


Фото 1. Фото 2. Фото 3. Фото 4.
Фото 5. Фото 6. Фото 7. Фото 8.

Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне


После проведения настройки и измерения основных параметров усилителя было произведено контрольное прослушивание усилителя. В целом звучание данного усилителя достаточно чистое и детальное вплоть до номинальной выходной мощности. Подбубнивания НЧ обнаружено не было, ВЧ проигрываются чисто и детально, середина на слух немного приподнята. Звучание именно данного варианта усилителя из описанных в данной статье мне понравилось больше всего.

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


Несколько видео с испытаний усилителя



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 каскодного (и симметричного каскаодного) токового зеркала во время проведения испытаний. Внешне данные токовые зеркала на плате выглядят одинаково т.к. их отличает друг от друга только одно соединение в нижнем токовом зеркале.


Фото 1. Фото 2.

Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне


После контрольного прослушивания усилителя была вновь произведена модернизация выходного каскада УНЧ. Модернизированный вариант усилителя показан на схеме ниже.

Принципиальная схема.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

По схеме видно, что в катоды ламп выходного каскада был установлен так называемый прецизионный отражатель тока.

Данный отражатель тока имеет повышенную точность (по сравнению с классическим 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 R16, а ассиметрия токов плеч устраняется подбором резистора R14.

После настройки усилителя было так же произведено измерение основных параметров усилителя.

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

Спектр.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

По скрину видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.57%, а уровень самой высокой гармоники 2-ой, грубо равен -51 дБ.

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

Спектр.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.27%, а уровень самой высокой гармоники, 2-ой (и примерно такой же 3-ей), грубо равен -60 дБ.

На скрине далее показан спектр сигнала на выходе усилителя при выходной мощности равной 3 Вт.

Спектр.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

По скрину видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 0.09%, а уровень самой высокой гармоники 2-ой, грубо равен -70 дБ.

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

Спектр.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

По спектру видно, что суммарный коэффициент гармоник грубо равен 2.51%, 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 32.3 до 42.9 мА, а второго плеча от 29.2 до 39.3 мА т.е. в одном плече ток покоя изменяется всего на 10.6 мА, а во втором на 10.1 мА, что подтверждает нормальную работу отражателя тока. Разбаланс плеч во время работы усилителя составляет около 0.5 мА. Абсолютное изменение тока покоя прецизионного отражателя тока при изменении выходной мощности по сравнению с предыдущими вариантами усилителя несколько выше. Предполагаю это связано с разбросом статического коэффициента усиления транзисторов VT1-VT4 данного отражателя тока, а так же с различием температурного режима данных транзисторов. Переменная составляющая тока анода при этом изменяется в одном плече от 0 до 53.2 мА (действующего значения) и от 0 до 54.6 мА (действующего значения) во втором плече. Разбаланс плеч по переменному току связан с разбросом характеристих радиоламп выходного каскада Ла2, Ла3.

По приведённым измерениям можно сделать вывод о том, что в целом линейность усилителя c прецизионным отражателем тока значительно лучше, по сравнению с классическим токовым зеркалом (если рассматривать по уровню нелинейных искажений), но хуже, чем с симметричным каскодным токовым зеркалом по всем параметрам во всём диапазоне выходных мощностей. Для уменьшения искажений во всём диапазоне выходных мощностей необходимо так же подобрать лампы выходного каскада в пары более точно.

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


Фото 1. Фото 2. Фото 3. Фото 4.
Фото 5. Фото 6. Фото 7. Фото 8.

Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне


После проведения настройки и измерения основных параметров усилителя было так же произведено контрольное прослушивание усилителя. В целом звучание данного усилителя похоже на звучание усилителя с классическим токовым зеркалом, но прослушивается небольшое подбубнивание на НЧ. При этом середитна и ВЧ отыгрываются достаточно детально.

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


Несколько видео с испытаний усилителя



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.

Все интересующие вопросы по этой и ранее опубликованным конструкциям пишите на майл: Sobiratel_sxem@mail.ru . На этом на сегодня всё, с уважением, Андрей Савченко.


Список использованной литературы


1. Параметры 6Н3П
2. Н. Трошкин. Фазоинверторы, журнал Class A, Апрель 1997 г, стр. 16-21
3. Параметры 6П43П
4. Параметры BD139



Поиск по сайту