Внутренняя обратная связь в электровакуумном триоде
1. Введение.
Известно, что триод был сконструирован и изготовлен специально для усиления электрических сигналов. Сразу же были опробованы три схемы включения триода, а полученные результаты в виде теоретического обоснования составили фундаментальную основу радиотехники в разделе «усилительные устройства».
В последующие годы были созданы другие усилительные элементы, тетроды, пентоды, биполярные и полевые транзисторы. Однако для высококачественного воспроизведения звука триод остаётся наилучшим усилительным элементом, который с максимальной достоверностью способен передать звуковой образ, и к которому обращаются большинство разработчиков усилителей класса «Hi-End».
Попытка раскрыть секрет «триодного» звучания заставляет вновь взглянуть на семейство выходных (анодных) характеристик триода, снятых для схемы с общим катодом (ОК). Именно по этой схеме строится выходной каскад усилителя мощности, что весьма логично. Две другие схемы включения усилительного элемента не обладая усилением либо по току (I), либо по напряжению (U), произведут усиление по мощности (P) менее эффективно, т.к. P=UJ. Однако, ни один из упомянутых усилительных элементов при аналогичной схеме включения не обладает выходными характеристиками «триодного» типа. Все они похожи на «пентод» независимо от того, где происходит процесс: в вакууме или полупроводнике.
Таким образом, секрет «триодного» звучания следует сопоставить с феноменом его выходных характеристик, а именно в сильной зависимости анодного тока (Ia), от анодного напряжения (Ua) при фиксированном потенциале управляющей сетки (Ug1=const).
2. Механизм возникновения ООС в межэлектродном пространстве.
Далее рассуждаем таким образом (см. рис.1).
^Нажмите для увеличения^
|
| ^Нажмите для увеличения^ |
рис.1.
В динамическом режиме возникает следующее явление. Изменение потенциала анода Ua под действием входного сигнала Uвх посредством изменения электрического поля
действует на поле управляющей сетки ^Нажмите для увеличения^
таким образом, что препятствует изменению последнего под действием Uвх. Таким образом имеет место внутренняя отрицательная обратная связь (ООС). Проследим её действие более конкретно. Предположим приход положительной полуволны Uвх, которая приведёт к снижению Eg1 и отпиранию триода. Снижение Ua и, следовательно, ^Нажмите для увеличения^
приведёт к меньшей компенсации . Т.е. действие внутренней ООС препятствует изменению под действием Uвх. Подтверждением наличия обратной связи должен явиться тот факт, что последняя чётко просматривается в цепи причинно-следственных связей. На рис.2 такая цепь составлена из событий, характеризующих процессы, происходящие в триоде, причём, каждое последующее событие является следствием предыдущего.
^Нажмите для увеличения^
^Нажмите для увеличения^ рис.2.
Как и всякая другая, данная ООС должна подлежать классификации.
3. Классификация внутренней ООС.
По способу снятия очевидно, что данная ООС — «по напряжению», т.к. изменение
соответствует изменению выходного сигнала Ua снимаемому со своей нагрузки Rн. По способу подачи на вход действие ООС не совсем очевидно из рис.1, поэтому обратимся к эквивалентной схеме на рис.3 без учёта цепей смещения.
^Нажмите для увеличения^
^Нажмите для увеличения^ рис.3.
Представив внутреннее сопротивление триода Ri в виде суммы двух сопротивлений. Одно из них R1 на участке анод-сетка, другое R2 на участке сетка-катод. Образуется делитель напряжения обратной связи, где R1 — гасящее плечо, а R2 — снимаемое плечо делителя, а т.к. R2 включено параллельно Uвх, то данная ООС является «параллельной». Из рис.2 находим, что коэффициент передачи цепи ООС
, а напряжение ^Нажмите для увеличения^
. Следует заметить, что параллельно R2 будут включены ещё сопротивление утечки Rg1 и выходное сопротивление предыдущего каскада, которое может существенно повлиять на величину b. ^Нажмите для увеличения^
Так как все элементы цепи ООС имеют активный характер сопротивления, данная ООС является частотно-независимой по крайней мере в звуковом диапазоне частот.
4. Причина «пентодности» других усилительных элементов.
Теперь выясним, почему прочие усилительные элементы по характеру выходных характеристик являются «пентодами».
Рассмотрим тетрод, для чего обратимся к рис.4.
^Нажмите для увеличения^
^Нажмите для увеличения^ рис.4.
Здесь также изображена схема включения с общим катодом. В статическом режиме работы (то есть, при Uвх=0) причиной ускорения электронов к аноду (А) является не наличие поля
, как в случае с триодом, а наличие поля экранной сетки =const, так как сама g2 расположена значительно ближе к катоду, чем А. По закону обратных квадратов напряженность ^Нажмите для увеличения^
быстро нарастает, если смещать g2 в сторону катода. Анод является всего лишь ловушкой для электронов и слабо влияет на электрические поля между другими электродами. Чтобы ловушка была более эффективной, то есть выполнялось условие Ia>>Ig2, были придуманы лучеобразующие пластины и антидинатронные сетки (g3), что привело к появлению лучевых тетродов и пентодов. Рассмотрим динамический режим. Изменение Ua под действием Uвх не влияет на изменение
, так как (здесь не показано) экранировано g2, которая заземлена по переменному току посредством Сg2 (в выходных каскадах его роль выполняет конденсатор фильтра). На эквивалентной схеме (рис.3) это означало бы обрыв R1, то есть обрыв цепи ООС. А так как Ua не влияет на , а значит, и на поток электронов, то есть на величину Ia, это приводит выходные характеристики к почти горизонтальной линии. В таблице 1 приведены сравнительные параметры каскадов по схеме с ОК с точки зрения отсутствия или наличия внутренней ООС по приведенной выше классификации.
Отсутствие внутренней ООС (тетроды, пентоды, транзисторы). Наличие внутренней ООС (триоды). 1. Высокий коэффициент усиления по напряжению. Низкий коэффициент усиления по напряжению. 2. Высокий выходной импеданс. Низкий выходной импеданс. 3. Высокий Кг. Низкий Кг. 4. Высокий уровень шума. Низкий уровень шума. 5. Ограниченный диапазон частот. Широкий диапазон частот. 6. Большая выходная мощность. Малая выходная мощность. Как видно из табл.1, изменение основных параметров каскада с внутренней ООС находится в точном соответствии с общей теорией обратных связей.
5. Пентод в триодном включении и триод в «пентодном» включении.
В правую графу табл.1, кроме триодов, с полным правом можно поместить тетроды и пентоды в так называемом «триодном включении». При замыкании экранирующий сетки на анод выходные характеристики принимают «триодный» вид, а характер звука принимает «триодную» окраску. Попытки объяснить это явление замыканием цепи ООС с анода на экранную сетку, которые приводятся в ряде источников, по мнению автора малоудовлетворительны.
Обратимся к рис.5.
^Нажмите для увеличения^
^Нажмите для увеличения^ рис.5.
Теперь
№const и меняется синфазно с Ua. Изменение производит аналогичную компенсацию изменений , как в триоде эту функцию выполняло (рис.1). Таким образом, триодное включение тетродов и пентодов характеризуется наличием параллельной внутренней ООС по напряжению, как и для триода. Возникает вопрос: если пентод можно переводить в любое включение и получать выходные характеристики любых типов, отключая или включая внутреннюю цепь ООС, можно ли для триода получить «пентодные» выходные характеристики? Вопрос на первый взгляд абсурден, так как отключить внутреннюю ООС в триоде можно, только установив экран между выходным (анодом) и входным (сеткой) электродами, а это уже не триод. Однако, если поменять входной электрод на катод, а сетку заземлить, то последняя и будет тем экраном, который прервёт цепь внутренней ООС. Таким образом, выходные характеристики схемы включения триода с общей сеткой (ОС) примут пентодный вид. Выходные каскады на триодах по схеме с ОС могут представлять интерес для воспроизведения средних и высоких частот в системах bi-amping, где высокий выходной импеданс усилителя более предпочтителен. Изучение характера звука при этом является предметом специальных исследований.
6. Количественная оценка глубины внутренней ООС.
Такой расчет несложно провести графически для тетродов и пентодов, имея выходные характеристики для триодного и пентодного включения одной и той же лампы. С помощью графиков находим размахи выходных напряжений при одинаковом Uвх для триодного (Uвых.тр) и пентодного (Uвых.п) включений, если графики для последнего достаточно горизонтальны. На рис.6 для наглядности триодные и пентодные выходные характеристики совмещены в одной системе координат.
^Нажмите для увеличения^
^Нажмите для увеличения^ рис.6.
Uвх меняется в пределах 15В в пределах линейного участка нагрузочной линии. Произведя дополнительные построения, находим что
(где Uвых.и.п. — выходное напряжение «идеального» пентода, обладающего абсолютно горизонтальными выходными характеристиками), что означает троекратное снижение коэффициента усиления по напряжению при переходе в триодный режим за счёт включения внутренней ООС. Выразив это отношение в децибелах, получаем, что глубина ООС составляет около 10 дБ. ^Нажмите для увеличения^
Абсолютная непроницаемость полностью исключает внутреннюю ООС, что соответствует несколько большей величине Uвых.и..п для «идеального» пентода, что видно рис.5 (пунктир). Это говорит о том, реальные тетроды и пентоды имеют незначительную внутреннюю ООС благодаря реальной проницаемости, хотя и весьма малой, т.е. Uвых.п. < Uвых.и.п.
Теперь можно перейти к определению глубины внутренней ООС «чистых» триодов для конкретного режима работы, определяемого положением нагрузочной линии (рис.7).
^Нажмите для увеличения^
^Нажмите для увеличения^ рис.7.
Мысленно, на базе взятого триода, построим эквивалентный пентод, приняв ещё два условия. Во-первых, отношение
, что определяет анод как идеальную ловушку электронов, иначе, наличие ^Нажмите для увеличения^
усложнит построения. Во-вторых, разместим g2 на бесконечно малом расстоянии от А, то есть, расстояние А от К и g2 от К можно принять равными. Подадим на g2 фиксированное напряжение Ug2=Ua.о.. При выполнении этих условий статическая крутизна ^Нажмите для увеличения^
станет одинаковой как для взятого триода, так и для мысленного идеального пентода на его базе. Воспользовавшись этим, строим выходные характеристики идеального пентода в виде горизонтальных прямых до пересечения с нагрузочной линией. Обозначив необходимые для расчетов длины отрезков точками, определяем, что размах Uвых.и.п есть проекция АВ на ось Uа, а Uвых.тр есть проекция СD на ту же ось. Таким образом, глубина внутренней ООС данного триода есть ^Нажмите для увеличения^
, выраженное в дБ. ^Нажмите для увеличения^
Для аналитического расчета глубины ООС (N) аппроксимируем анодные характеристики прямых в области их пересечения с нагрузочной линией. Обозначим a — угол наклона нагрузочной линии горизонтальной оси. Далее, используя тригонометрические преобразования, получаем:
, т.к. используя определение внутреннего сопротивления Ri имеющегося в справочниках для каждого конкретного триода, получаем простую формулу: ^Нажмите для увеличения^
, или ^Нажмите для увеличения^
Чем больше Rн по отношению к Ri , тем глубже ООС.
Выводы:
1. Триод, включённый по схеме с ОК, обладает внутренней ООС за счёт влияния поля
на поле . Для организации такой ООС не требуется дополнительных элементов, так как её наличие является врождённым свойством триода. ^Нажмите для увеличения^
2. Быстродействие внутренней ООС для звукового диапазона (и более) можно принять бесконечно высоким ввиду весьма малых расстояний между электродами приёмно-усилительных ламп, учитывая, что электрические поля в вакууме распространяются со скоростью света. Это исключает фазовые сдвиги между Uвх и Uоос, а, значит, исключает появление высших гармоник в спектре выходного сигнала.
3. При использовании триода (триодного включения других ламп) в выходном каскаде, внутренняя ООС улучшает электроакустические показатели настолько, что позволяет обойтись без общей цепи ООС. Без применения последней не удаётся получить приемлемого качества звука, если для данной цели использовать любой другой усилительный элемент.
4. При необходимости внутреннюю ООС можно отключить, сделав управляющую сетку экранирующей путём её заземления, что имеет место в схеме с ОС.
5. Веерообразный характер выходных характеристик многих триодов означает изменение Ri при перемещении рабочей точки по нагрузочной линии. Это приведёт к модуляции глубины внутренней ООС входным сигналом и появлению интермодуляционных искажений. Поэтому триоды с параллельным характером выходных характеристик являются наиболее предпочтительными.
6. Для выходных каскадов следует считать весьма перспективными полевые транзисторы с триодным характером выходных характеристик, а также включённые по схеме истоковых повторителей в однотактных выходных каскадах.
7. Становится вполне очевидным тот факт, что применение ламп с низким Ri (см. формулу (*)) которые изначально разрабатывались как проходные в стабилизаторах напряжения, стало популярным практически у всех разработчиков усилителей класса Hi-End.
Гришин В. А.
