Введение

Тип электронного усилителя

Усилители на электронных лампах в целом

Ламповый усилитель или усилитель на вакуумных лампах – это тип электронного усилителя, использующий вакуумные лампы для увеличения амплитуды или мощности сигнала. Усилители низкой и средней мощности для частот ниже микроволнового диапазона в значительной степени были заменены усилителями на твердотельных элементах в 1960-х и 1970-х годах. Ламповые усилители могут применяться в таких областях, как гитарные усилители, спутниковые транспондеры, например DirecTV и GPS, высококачественные стереоусилители, военная техника (например, радары) и мощные радио- и УВЧ-телевизионные передатчики.

Происхождение

До изобретения транзистора в 1947 году большинство практических высокочастотных электронных усилителей создавались с использованием термоионных ламп. Самая простая лампа (названная диодом, поскольку она имела два электрода) была изобретена Джоном Амброзом Флемингом, работавшим в компании Marconi в Лондоне в 1904 году. Диод проводил электричество только в одном направлении и использовался в качестве радиодетектора и выпрямителя. В 1906 году Ли де Форест добавил третий электрод и изобрел первое электронное усиливающее устройство – триод, который он назвал Audion. Эта дополнительная управляющая сетка модулирует ток, протекающий между катодом и анодом. Зависимость между током и напряжением на пластине и сетке часто представляется в виде серии "характерных кривых" на диаграмме. В зависимости от других компонентов в схеме, этот модулированный ток может использоваться для обеспечения усиления тока или напряжения. Первым применением лампового усиления стала регенерация сигналов дальней телефонной связи. Позже ламповое усиление было применено к рынку "беспроводной" связи, который начал развиваться в начале тридцатых годов. Впоследствии лампы использовались для создания усилителей для музыки, а позднее и для телевидения. Преобладающей топологией схем в этот период была однотактная триодная каскад, работающая в классе А, обеспечивающая очень хорошее звучание (и приемлемые измеренные характеристики искажений), несмотря на чрезвычайно простую схему с небольшим количеством компонентов: что было важно в то время, когда компоненты изготавливались вручную и стоили очень дорого. До Второй мировой войны почти все ламповые усилители имели низкий коэффициент усиления, а их линейность полностью зависела от собственной линейности самой лампы, обычно составляя 5% искажений при полной мощности. Отрицательная обратная связь (ООС) была изобретена Гарольдом Стивеном Блэком в 1927 году, но изначально мало использовалась, поскольку в то время приоритетом была максимальная отдача. Эта техника позволяет усилителям обменивать коэффициент усиления на снижение уровня искажений (а также обеспечивает другие преимущества, такие как снижение выходного импеданса). Появление усилителя Уильямсона в 1947 году, который был чрезвычайно продвинутым во многих отношениях, включая успешное использование ООС, стало поворотным моментом в разработке усилителей мощности звука, использующих выходную схему push-pull в классе AB1 для достижения характеристик, превосходящих характеристики его современников.

Послевоенные события

Вторая мировая война стимулировала значительный технический прогресс и крупномасштабное промышленное производство. Рост благосостояния после войны привёл к существенному и расширяющемуся потребительскому рынку. Это позволило производителям электроники разрабатывать и продавать более совершенные ламповые конструкции по доступным ценам, что привело к увеличению распространения электронных проигрывателей грампластинок в 1960-х годах и, в конечном итоге, к зарождению высококачественного звука (Hi-Fi). Hi-Fi позволила раскачивать широкополосные динамики (впервые часто с несколькими излучателями для разных частотных диапазонов) до значительных уровней громкости. Это, в сочетании с распространением телевидения, привело к "золотому веку" разработки ламп, а также к развитию схемотехники ламповых усилителей. Ряд топологий с незначительными вариациями (в частности, различные схемы фазоинверсии и трансформаторное соединение "Ultra Linear" для тетродов) быстро получили широкое распространение. Это семейство схем до сих пор остаётся доминирующей топологией усилителей мощности для музыкальных применений. В этот период также продолжался рост гражданского радио, где лампы использовались как в передатчиках, так и в приёмниках.

Упадок

С 1970-х годов кремниевый транзистор становился все более распространенным. Производство электронных ламп резко сократилось, за исключением кинескопов (CRT) и ограниченного ассортимента ламп для усилительной техники. Наиболее популярными маломощными лампами были двойные триоды (ECCnn, серия 12Ax7) и пентод EF86, а мощные лампы в основном представляли собой лучевые тетроды и пентоды (EL84, EL34, KT88 / 6550, 6L6), в обоих случаях с косвенным подогревом. Этот сокращенный набор типов и сегодня составляет основу производства электронных ламп. Советский Союз в гораздо большей степени, чем западные страны, сохранял использование электронных ламп во время холодной войны для большинства своих нужд в области связи и военной усиления, отчасти благодаря способности ламп выдерживать мгновенные перегрузки (особенно вызванные ядерным взрывом), которые могли бы уничтожить транзистор. Значительное уменьшение размеров, энергопотребления, снижение уровня искажений и, прежде всего, стоимости электронных устройств на основе транзисторов сделали лампы устаревшими для массового производства с 1970-х годов. Лампы продолжали использоваться в некоторых областях, таких как мощные радиочастотные передатчики и микроволновые печи, а также в аппаратуре для звукоусиления, особенно для электрогитар, студий звукозаписи и высококачественных домашних стереосистем.

Использование аудио

В аудиоприложениях электронные лампы по-прежнему пользуются большим спросом у большинства профессиональных пользователей, особенно в оборудовании студий звукозаписи и гитарных усилителях. Существует группа аудиофилов, которые выступают за использование ламповых усилителей для домашнего прослушивания. Они утверждают, что ламповые усилители создают более "тёплое" или "естественное" ламповое звучание. Компании в Азии и Восточной Европе продолжают производить электронные лампы для удовлетворения этого спроса. Многие профессиональные гитаристы используют "ламповые усилители" благодаря их известному "тембру". Под "тембром" в данном контексте понимается окраска звука, или его тональный оттенок, и это качество может быть очень субъективным для количественной оценки. Большинство аудиотехников и учёных полагают, что "чётные гармонические искажения", создаваемые электронными лампами, звучат более приятно для слуха, чем искажения, создаваемые транзисторами, независимо от стиля музыки. Именно тональные характеристики электронных ламп обеспечили им статус отраслевого стандарта для гитар и предварительного усиления студийных микрофонов. Ламповые усилители реагируют иначе, чем транзисторные, когда уровень сигнала приближается к и достигает точки клиппирования. В ламповом усилителе переход от линейного усиления к ограничению происходит менее резко, чем в твердотельном, что приводит к менее неприятным искажениям при начале клиппирования. По этой причине некоторые гитаристы предпочитают звучание полностью лампового усилителя; однако эстетические свойства ламповых и твердотельных усилителей являются предметом споров в гитарном сообществе.

Характеристики

Мощные лампы обычно работают при более высоких напряжениях и более низких токах, чем транзисторы, хотя рабочее напряжение твердотельных устройств неуклонно возрастает с развитием современных технологий. Высокомощные радиопередатчики, используемые сегодня, работают в диапазоне киловольт, где пока нет другой сравнимой технологии. (Мощность = напряжение × ток, поэтому высокая мощность требует высокого напряжения, высокого тока или и того, и другого.) Многие мощные лампы обладают хорошей линейностью, но умеренным усилением или крутизной характеристики. Усилители сигнала, использующие лампы, способны обеспечивать очень широкий частотный диапазон – вплоть до радиочастот, и многие однотактные триодные усилители с непосредственным подогревом (DH SET) используют радиопередающие лампы, рассчитанные на работу в мегагерцевом диапазоне. Однако на практике в схемах ламповых усилителей обычно применяют межступенчатую связь либо ёмкостную, ограничивающую полосу пропускания на нижнем конце, либо индуктивную с помощью трансформаторов, ограничивающую полосу пропускания на обоих концах.

Операция

Все схемы усилителей классифицируются по "классу работы" как A, B, AB и C и т. д. См. классы усилителей мощности. Существуют значительно отличающиеся топологии схем по сравнению с транзисторными схемами. Сетка (где подается входной сигнал) должна быть существенно отрицательно смещена относительно катода. Это делает крайне сложным непосредственное соединение выхода одного лампового каскада со входом следующего, как это обычно делается в транзисторных схемах. Ламповые каскады соединяются с помощью компонентов, рассчитанных на выдерживание нескольких сотен вольт, как правило, конденсатором, иногда – соединительным трансформатором. Фазовые сдвиги, вносимые соединительными цепями, могут стать проблемой в схемах с обратной связью. Нет лампового аналога дополнительных устройств, широко используемых в выходных каскадах типа "тотемный столб" кремниевых схем. Поэтому для схем с симметричным включением ламповых каскадов требуется фазоделитель. Очень высокое выходное сопротивление ламп (по сравнению с транзисторами) обычно требует согласующих трансформаторов для работы с низкоомными нагрузками, такими как громкоговорители или головки резаков. Трансформатор используется в качестве нагрузки вместо резистора, обычно применяемого в малосигнальных каскадах и драйверах. Отраженное сопротивление первичной обмотки трансформатора на рабочих частотах значительно выше, чем постоянное сопротивление обмоток, часто измеряется килоомами. Однако высококачественные трансформаторы являются сложным инженерным компромиссом, дороги и в работе далеки от идеала. Выходные трансформаторы значительно увеличивают стоимость лампового усилителя по сравнению с транзисторной альтернативой с прямой связью. Однако как в ламповых, так и в твердотельных усилителях, согласующие выходные трансформаторы необходимы для систем звукового оповещения, где используются линии с низкими потерями, высоким импедансом и высоким напряжением для подключения нескольких удаленных громкоговорителей. Линейность разомкнутого контура ламп, особенно триодов, позволяет использовать мало или совсем не использовать отрицательную обратную связь в схемах, сохраняя при этом приемлемую или даже отличную характеристику по искажениям (особенно для малосигнальных схем).

Топологии

Линейные схемы малого сигнала почти всегда используют триод в однотактной топологии каскада усиления (в классе А), включая выходной каскад. Широкополосные ламповые усилители обычно работают в классах A1 или AB1. Современные мощные выходные каскады чаще всего выполнены по схеме push-pull, что часто требует использования фазоделителя для получения дифференциального или сбалансированного управляющего сигнала из однотактного входа, за которым обычно следует дополнительный каскад усиления ("драйвер") перед выходными лампами. Например, однотактные мощные каскады, использующие очень большие лампы, существуют и преобладают в приложениях радиопередатчиков. Стоит отметить, что нишевая топология "DH SET", популярная среди некоторых аудиофилов, отличается крайней простотой и обычно строится на лампах, изначально разработанных для использования в радиопередатчиках. Более сложные топологии (в частности, использование активных нагрузок) могут улучшить линейность и частотную характеристику (за счет устранения эффектов емкости Миллера).

Выходное сопротивление

Высокий выходной импеданс каскадов на лампах плохо согласуется с низкоимпедансными нагрузками, такими как громкоговорители или антенны. Для эффективной передачи мощности требуется согласующая сеть, которая на аудиочастотах может быть представлена трансформатором, а на радиочастотах – различными резонансными цепями. В схемах с общим катодом или общим анодом выход снимается с катодного резистора. Благодаря отрицательной обратной связи (напряжение земли на катоде компенсирует напряжение земли на сетке) коэффициент усиления по напряжению близок к единице, и выходное напряжение повторяет напряжение на сетке. Хотя сопротивление катодного резистора может достигать многих килоом (в зависимости от требований к смещению), выходное сопротивление по малому сигналу очень низкое (см. операционный усилитель).

Усилители частоты звука (AF) и широкополосные

Лампы по-прежнему широко используются в гитарных и высококлассных аудиоусилителях благодаря воспринимаемому качеству звука, которое они обеспечивают. В других областях они в значительной степени устарели из-за более высокого энергопотребления, искажений, стоимости, надежности и веса по сравнению с транзисторами.

Телефония

Телефония была первоначальным и на протяжении многих лет – основным направлением применения усиления звука. Специфической задачей для телекоммуникационной отрасли являлась техника мультиплексирования множества (до тысячи) голосовых линий на один кабель, используя различные частоты. Преимущество заключалось в том, что один ламповый "репитерный" усилитель мог одновременно усиливать множество соединений, что было очень экономически выгодно. Однако, усилители должны были обладать исключительно высокой линейностью, иначе "интермодуляционные искажения" (IMD) приводили бы к "перекрестным помехам" между мультиплексированными каналами. Это стимулировало разработку и акцентировало внимание на достижении низких искажений, значительно превышающих требования для одного голосового канала.

Аудио

Сегодня основным применением электронных ламп являются аудиоусилители для высококлассных Hi-Fi систем и использования в музыкальных выступлениях с электрогитарами, электробасами и органами Hammond, хотя эти применения предъявляют различные требования к искажениям, что приводит к различным конструктивным компромиссам. Тем не менее, одни и те же базовые методы проектирования являются универсальными и широко применимыми ко всем приложениям широкополосного усиления, а не только к аудио. После Второй мировой войны большинство ламповых усилителей мощности имеют ультралинейную топологию класса AB1 "push-pull", или более дешевые однотактные схемы, например, с лампами 6BQ5/EL84, но нишевые продукты, использующие топологии DH SET и даже OTL, все еще существуют в небольшом количестве.

Усилители приборов

Основные вольтметры и амперметры с подвижной катушкой сами по себе потребляют небольшой ток и, таким образом, создают нагрузку на измеряемую цепь. Это может существенно изменить режим работы в этой цепи. Вакуумный вольтметр (ВВМ) использует высокое входное сопротивление лампы для буферизации измеряемой цепи от нагрузки амперметра. Ламповые осциллоскопы обладают таким же высоким входным сопротивлением и, следовательно, могут использоваться для измерения напряжений даже в цепях с очень высоким сопротивлением. Обычно на канал отображения приходится 3 или 4 каскада усиления. В более поздних осциллоскопах для усиления высокочастотных вертикальных сигналов перед подачей на индикаторную трубку использовался усилитель, представляющий собой ряд ламп, соединенных на равных расстояниях вдоль линий передачи, известный как распределенный усилитель. Ламповые осциллоскопы в настоящее время устарели. В последние годы эры ламп лампы даже использовались для создания "операционных усилителей" – основных элементов современной линейной электроники. Операционный усилитель обычно имеет дифференциальный входной каскад и выход на тотемном столбе, а схема обычно содержит не менее пяти активных элементов. Было выпущено несколько "корпусов", которые объединяли такие схемы (обычно с использованием двух или более стеклянных баллонов) в один модуль, который можно было подключать к более сложной схеме (например, к аналоговому компьютеру). Такие ламповые операционные усилители были далеки от идеала и быстро устарели, уступив место твердотельным.

Усилители узкодиапазонного и радиочастотного тонирования

Исторически, до Второй мировой войны "трансмиссионные лампы" были одними из самых мощных доступных ламп. Обычно они имели непосредственно нагреваемые торированные катоды, которые светились как лампы накаливания. Некоторые лампы могли быть настолько перегружены, что сам анод начинал светиться вишнево-красным цветом; аноды изготавливались из цельного материала (а не из тонкого листа), чтобы выдерживать тепло без деформации. Примечательными лампами этого типа являются 845 и 211. Позднее тетроды и пентоды, такие как 817 и (прямо нагреваемые) 813, также широко использовались в (особенно военных) радиопередатчиках.

Радиочастотные схемы значительно отличаются от широкополосных усилительных схем. Антенна или следующая каскад схемы обычно содержит один или несколько регулируемых емкостных или индуктивных элементов, позволяющих точно согласовать резонанс каскада с используемой несущей частотой для оптимизации передачи мощности на лампу и нагрузки на лампу, так называемая "настроенная цепь". Широкополосные схемы требуют плоской частотной характеристики в широком диапазоне частот. Радиочастотные схемы, напротив, обычно должны работать на высоких частотах, но часто в очень узком диапазоне частот. Например, радиочастотное устройство может требовать работы в диапазоне от 144 до 146 МГц (всего 1,4%).

Сегодня радиопередатчики в подавляющем большинстве основаны на кремнии, даже на микроволновых частотах. Однако, все меньшее число высокомощных радиочастотных усилителей продолжает использовать лампочную конструкцию.