【闲谈】交流耦合阴极跟随器

Gautau

AC耦合阴极跟随通常是將一个高阻抗的訊号源转為低阻抗輸出，提供最小的“插入损耗”，以作耦合（即信号幅度不会很大损失）。
阴随擁有非常低输入电容和非常高的输入阻抗，这样就不会加重前一級的負荷，及擁有非常低的输出阻抗，因此很少信号被丢失 - 即使推动相当低的输入阻抗。阴极跟随是一个优秀的緩冲级，尤其用作推动吉他扩音机的附加设备。这是任何正常的音频电路都会感到不勝负荷的。
此外，放大器设计中最经典的直流耦合阴极跟随也可以用来制造一个独特的讯号压缩。但AC耦合的版本是不适合这个方式，因为有输入电容阻隔了流往柵极的（静态）电流。
通常，AC耦合重現出的声音会較通透明朗。


输出信号是在阴极处取出，其与輸入讯号同相，亦可称為 '跟随' 輸入端的相位，因而得名。 该信号也可以在Rg、Rb和RL的交汇处取得。
由于负载电阻放置在阴极电路处，所以100％的负反馈便在电路的内部发生，结果是有非常低的非线性失真和极佳的线性响应（从极低到高的频率），从而使其特别适合于高保真的設计。唯一显着的缺点是因深度负反馈关係，限制了最大电压增益（略小于一）。由于阴极跟随不能提供电压增益大于1，它可以被视为是一个纯粹的电流放大器 。在这个意义上，它具有（降压）变压器耦合的优势（減降电压和增大电流）。
诚然，使用中、高电流的电子管，将可提供大量的驱动电流。可是，ECC83（12AX7）是不太适合用在这线路处，原因为其工作电流很低，致在低负載時，讯号的輸出摆幅会被限制。
但它用在吉他扩音机处仍然是可以接受，虽然五极管作为阴极追随会更理想，但三极管是完全足够，因只需要较少的元件。
设计一个阴极跟随甚至比正常的增益级简单，因为它并没有真正的做任何事情 – 除了作前级和后级的隔离外！
对于下面的例子中，我们将设计一个阴极跟随作为一个缓冲，选用ECC82（12AU7）特别适合这份工作，因为我们并不需要大量的增益。其具有良好的电流驱动，并维持到低阻抗负载及大信号摆动的能力。其餘半个的ECC82可以用来作另一级的信号放大。
输出阻抗可以近似为：
Zout = ra/mu = 1/gm
从从上面的数据我们可以立刻看到，输出阻抗将在预期的410Ω地区。您当然可以从实际选用負载线定出来的数值，以获得更准确的答案。
对于大多数电子管都可獲得低过1KΩ的输出阻抗 - 而这确实是非常低的阻抗。

选择负载：
虽然负载应用到阴极而不是阳极，不过负载线仍然可以从正常的方式得出。通常我们希望负载电阻的数值比加施的负荷阻抗值为低。如果不是，那么输出信号的摆幅便会更受限制。因此，最好使用尽可能低的RL，但以不拖累电源为度。（当然，我们并不期望有一个真正重的驱动负荷 . . . . . . 若果略小于50KΩ的话，便无須过度关注），在选择的数值为18KΩ时，便足以维持一个合理的摆幅来推动低负荷（如10KΩ）。
在这个例子中的HT是 280V。



增益的计算：
如果管子的μ大于1（通常是这样），增益可近似为：
Av = μ / (μ + 1)
Av = 19 / (19 + 1)
= 0.95

偏置：
由于我们須要一个清晰的缓冲级，这要最大的工作极限，为达到这目的，便需要將偏压置于整段工作範圍的中央。在这种情况下，约- 8V的偏压可矣！
另一方面，雖然我们并不希望真正驱动过低的负荷 . . . 话虽如此，但卻会有界外利益 – 噪音会減少（尤其須作外加的 长讯号线 作連接的推动），在这种情况下，我们希望将 gm提高至极限（用热偏置﹕即減偏压，使阳极电流增加）。
在这种情况下，选择约 -3.4V的偏置，让（有負荷时的）峯值有约50V便可（剪波前）。


记住，负载线上显示的静态电压表明了阳极阴极电压 ，实际的阴极静态电压，是等于HT減Vak。一个简单而快速的方法来读出真正阴极电压的增減，是一个反向电压图（读数由右至左），即其0 V点对应HT。
在这种情况下，在负载线中已表明，跨越管子的电压是140V 。
阴极电压因此应为 HT-Vak= 280-140 = 140V
栅压必须是140+(-3.4) = 136.6V
可从HT处接上一个固定的分压器来作必要的栅极电压。
这种方法具有正面的优势 . . . . . . 即使HT在变化/电子管特性的偏移。但缺点是输入阻抗低（分压电阻并联），及在开啓电源时，栅极电压上升的速度比阴极快，这会令柵 - 阴极因产生电弧而損坏管子。从电源引入的噪音也可以直接耦合到柵极。

阴极偏置（自给偏压）版本具有增加输入阻抗的优势。只須在负載电阻处分支一电压（分压电路），经栅极电阻后接往栅极便成，一如普通的放大电路。
在这种情况下，我们需要Vgk约 -3.4V（此时 Ia 约8毫安）。
使用欧姆定律便可找到偏置电阻：
3.4 / 0.008 = 425R
最近的标准数值是470R（用此数值大致沒問題）。

栅漏和输入阻抗：
可从偏置电阻（Rb）的底部接上栅漏（Rg），使取得电压供应至栅极。可以选择常規数值，但也可以取得比常規少得多，而不会造成不必要的信号损失。使用较小的电阻值始终是可取的，因为它降低了噪音。
与普通的阴极接地不同，其输入阻抗不等于柵漏电阻Rg，它实际上是高许多倍，原因如下：输入信号的幅度只有略微下降（Rg的取值比常規细），而交流信号从阴极取出时为同相 -  显然，同样的信号也会出现在Rb和RL交界处，由于有分压器（Rb和RL）组成，致输入讯号会稍微减弱。
可是RL卻比Rb大很多，故衰减程度只有很小。这意味着，在栅漏电阻Rg底部有一个交流信号（与輸入同相），只是略微降低输入信号的幅度。因此，Rg兩端的电压差很小，比Rg直接连接到地时更小。这种效果是被称为 '自举' ，只有微不足道的信号电流通过栅漏电阻，損失不大 – 但卻将输入阻抗提高不少，使其等于：
Zin = Rg / (1 - Av * (RL / (RL + Rb)))     ←  原式又漏了括号！
数据表显示，在自给偏压中，ECC82栅极电阻最大為1MΩ。不过為安全起见，470k是更为合适。根据公式，
输入阻抗为：
Zin = 470000 / (1 - 0.93 * (18000 / (18000 + 470)))
Zin = 5MΩ
在实践中可能会稍低于这个数值，但它仍达数MΩ . . . 大多数情况下都可忽略这些微小差別！


输入耦合电容：


由于栅极正处于一个高DC电平，那么还需要一个耦合电容，以隔开对前一级的影响（它仍需要一个高压电容器才成）。由于输入阻抗非常高， 电容可以选择“节点阻抗”（仅仅是一个节点，例如电容的电抗仅在一个电路中，属单点）。我们不希望电容器具有很高的电抗，因为它可能会引起噪音。
相反，我们会选择在一个理想的的低频（5Hz），与一个随意的电抗1MΩ作正常的计算：
Cin = 1 / (2 * pi * f * Xc)  
Cin = 1 / (2* pi * 5 * 1000000)       ←  此书所谈的都是吉他放大器，
= 32nF                                                音响似乎用 1Hz 会好點（150nF）。
33nF是最近的标准，虽然 22nF甚至10nF可能也没问題。

输入电容：
因为阳极 – 阴极维持在恒定的电位，致米勒效应被消除，而且由于内部反馈的柵 - 阴电容（Cgk）实 际上是开环增益（Ao）的分压。Ao是未有反馈前的增益，可采取直接从负载情况下算出Ao为15。規格表上给出ECC82极间电容的数据为：
Cga = 1.5pF
Cgk = 1.4pF
Cin = Cga + (Cgk / Ao)
Cin = 1.5 + (1.4 / 15)
= 1.6pF
在音频电路中，阴极跟随的输入电容是这么小，它通常可被忽略 . . .于是，大剂量防自激的栅极电阻（Grid – Stopper，阻塞电阻）便可以放心使用无須担心。

灯丝的垫高：
不要超过最大的灯丝对阴极电压。由于这线路的阴极电压较高，往往需要提高灯丝对地的电位，确保管子安全和寿命。 ECC82的Vhk（最大）是180V。在这种情况下，已相当接近这个极限，所以我们应该通过提高最少30V的灯丝电位，甚至須要更高。
输出耦合电容也需要一个高电压类型，选择是基于阴极跟随将接往何种电路。串接一个电阻（约1k）将确保稳定 . . . 虽然这是很少会出现问题。输出信号也可采取从在Rg、Rb和 RL的交界处 - 虽然信号将略有减弱，但稳定是其保证，因为Rb的阻抗是与输出串联。
另外半只管可利用作为一个约16倍的增益级。

ahhnzhouli

学习了

BoYa_DIY

又见楼主精心准备的好帖.

Gautau

谢谢 wlf 版主 加精华。

Gautau

又见楼主精心准备的好帖.
BoYa_DIY 发表于 2010-6-9 08:57

谢谢捧场！
本来打算介绍 恆流源／CCS、SRPP / μ - 随、前饋 等等 . . . 但恐怕更少人能理解（尤其是 前饋），便只好由浅入深，从基礎开始 - - 希望大家一起共同进步。
若 Cascode 併上了其它电路，如 恆流源／CCS、SRPP / μ - 随 . . . 的话，須要更紥实的基礎知识。

ljhtp

多谢楼主的精品基础贴~

Gautau

多谢楼主的精品基础贴~
ljhtp 发表于 2010-6-9 17:36

谢谢捧场！
可惜感兴趣的人真的不多 . . . . . .

硝化甘油

好东西~就是有好多不明白啊~~

Gautau

好东西~就是有好多不明白啊~~
硝化甘油 发表于 2010-6-9 19:09

基础的请參攷小弟旧贴 . . . 谢谢捧场。
http://bbs.hifidiy.net/viewthread.php?tid=309122

乐闲人

坛里还是要些技术含金量高的稿子的，这样才能使我们这支玩胆机队伍的整体技术水平提高。有争论没有什么不对，只要说得有理。

辛苦快乐

好贴，学习了

Gautau

坛里还是要些技术含金量高的稿子的，这样才能使我们这支玩胆机队伍的整体技术水平提高。有争论没有什么不对，只要说得有理。
乐闲人 发表于 2010-6-9 19:31

有道理，但始终要有人带头，多行一步才成。

fung668

能温故知新的好帖~顶一个

Gautau

能温故知新的好帖~顶一个
fung668 发表于 2010-6-10 03:55

欢迎光臨。

Gautau

1985年 英国无线电世界 的线路，Cascode 加 阴随 的唱放。

ww-vynil_pre-amp_Cascode.gif (23.46 KB, 下载次数: 23)

2010-6-10 04:29 上传

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mouse_ox

不错，进来学习一下！

djmdh

校声电路？过虑数码声？

Gautau

校声电路？过虑数码声？
djmdh 发表于 2010-6-10 04:54

1930年代仍未有数码声。

kenny

好。

云岭春早

中国正需要楼主这样的导师.诲人不倦,胸怀宽广,不向钱看.