【閒談】恆流源 和 μ-跟隨器

Gautau

很奇怪，真金白銀买回来的參攷书（Designing Tube Preamps for Guitar and Bass – by Merlin Blencowe）只谈论至 阴随，反而在其博客处卻会畅谈 CCS/恆流源、μ-跟随／SRPP . . . . . . 虽然參攷书的內容更加充实、丰富和详尽 。 。 。

若对 CCS 的理解不深，可参攷下帖。
http://bbs.hifidiy.net/viewthread.php?tid=376844

又若对阴随不大理解，可參攷下帖。
http://bbs.hifidiy.net/viewthread.php?tid=347827 . . . 直流阴随
http://bbs.hifidiy.net/viewthread.php?tid=372902 . . . 交流阴随

对 μ-跟随器 有基本了解后，可再继续參攷 Morgan Jones 的 Valve Amplifiers （115~120頁），內里有不同的设计理念，值得看看！
下面為  Valve Amplifiers 的連接。
http://bbs.hifidiy.net/viewthrea ... p;page=2#pid8534775 . . . 36# penguinmm

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μ-跟随器（μ – follower）是一種高增益，低輸出阻抗的反相放大。其有優良的 電源抑制比（Power Supply Rejection Ratio， PSRR）和非常低的非線性失真，使它在高保真电路中非常受歡迎。
當過度驅動 μ - 隨 时，將会对讯号作硬性剪波，產生了豐富的奇次和偶次諧波頻譜。 但是，由於兩個三極管是交流耦合在一起，可能会出现阻塞失真。
一个簡單的直流耦合的版本，在90年代初便不尋常地出現了 . . . Juergen-Simon 的 "Advanced Bass Preamp"。

電路的運作很簡單：下管（V1）是一個普通陰極接地增益級，但由上管所形成的有源負載和負載電阻所组成。而上管（V2）本身又是一個普通的陰極跟隨 。
信號在下管的陽極直接輸入到陰隨（上管）的栅极。由於陰極跟隨的增益少于一，信號電壓在負載電阻的頂部与底部（即电阻兩端）差不多相同，所以幾乎沒有信號電流被浪費 - - 他們是集“自舉”和 陰隨 而成為一個恆流源（constant current source，CCS^）。
因此，負載電阻上的交流阻抗大大地被陰隨所提高，使下管的增益成為管子的 μ 值，因而得名。


電路還有兩個可能的輸出：
上面的輸出在陰隨的陰極处，有一個頗低的輸出阻抗，其能夠驅動一個非常沉重的負載，如吉它放大器的外圍装置，或功率放大管 . . . . . . 這是常規的輸出端。
另一輸出，從下管陽極处（如上图），其有頗高的輸出阻抗和略高的增益。不幸的是，我們所重視的（低）輸出阻抗，出現在與負載并联而成的陰極跟隨。這第二個輸出端的負載阻抗我們須要注视（约大於 5MΩ），這意味著須要一陰極跟隨，屏阴倒相或長尾式作为下一级推动才成，否则會降低陰随作為恆流源（CCS^）的效率，拖低整级的增益。
然而，下輸出端的直流電壓較低，使它特別適用於 直流耦合 到下一级（如長尾）。 通常，直流耦合提供了一個幾乎無限大的負載（下级輸入端无栅漏电阻），因此 μ - 隨 的增益將不會受到影響。
為簡單起見，這兩個三極管通常是同一類型，但并非必須。高 gm管 很適合作 陰隨 这部分電路（如 ECC82/12AU7）。但高 μ管卻往往不太適合作下管（增益级），因為他們在低陽極電壓时往往不太可靠。
設計这线路是相當简单直接﹕下面的示例使用了一個 ECC81（12AT7），它具有高 gm 和高 μ ，及在實際低陽極電壓时運作良好。设 HT=285V。

下管：
陽極的靜態電壓（Va1）不是很關鍵，通常从70V至100V，或 1/3 HT電壓。這意味著，在上管的電壓等於 HT 減 Va1。在這種情況下，我們將下管的陽極電壓設置為 85V。這使得上管为 285 - 85 = 200V。
由於上管形成了恆流源（CCS^），它迫使下管的交流負載線變為水平。現绘一垂直線在 Va= 85V 处，並選擇所須的偏压：


在這種情況下，-1V的偏置看来不錯（綠點）。若偏压減少，便將進入有柵流的領域。若偏压增大，则又会使管子工作在低 μ區域处，及将陽極電流限制到在一個微不足道的數值內。
在我們所選擇的偏置點处（-1V），Ia=2.5mA。使用歐姆定律計算其偏置電阻：
Rk1 = 1/0.0025 = 400Ω
最接近的標準数值是330Ω及470Ω，任一皆可。
V1的陰极通常会添加一個陰極旁路電容。在這種情況下（沒有阴极电容），对增益的影響很少，但它會因增加管子內阻（ra）而降低了電源抑制因数（PSRR），及提高了下管的輸出阻抗（Zout）。
由於頻率響應的影響较少，故計算旁路電容时不須过于仔細，大於 1μF 便可（指吉它扩音机）。或者使用 LED 或二極管，便可得到所須的偏压 . . . 此时无需旁路電容。
栅漏電阻的選擇一若常规电路，如 1MΩ。

Gautau

1# Gautau

上管：
已知 HT 为 200V，此时可在X軸的藍點作标记（下图），現在我們也知道，陽極電流2.5毫安（因串連关係，故電流通過所有的三極管都是一樣）。因此，我們可在 2.5mA 处選擇适当的偏置，通常选一半 HT 时的偏压（200 / 2 = 100V），使阴隨的輸出獲得最大摆幅。這电压值可确保陰極跟隨作為 CCS^ 时，避免了截止或飽和。

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2010-6-30 01:47 上传

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在 ½ HT（Va=100V）和 Ia = 2.5mA 的情况下，偏置約為 - 1.3V。現在，绘出負載線，通過這兩個點，並用它來尋找負荷电阻（RL + Rk2）的总阻值。
从負載線看到（Va／Ia = 200/5.2），我們需要一個總負荷達到 38KΩ。
使用歐姆定律計算 Rk2：
1.3 / 0.0025 = 520Ω
最近的標準是560Ω，或者我們可以使用一個合適的 LED。
偏置電阻減去總負荷，我們需要使 38000 - 560 = 37440Ω
最近的標準是33KΩ，這就是我們將使用的 RL。
上圖所示的靜態陽極電壓是 100V。這實際上是陽極陰極電壓（Vak），故真正的陰極電壓
Vk = 285 - 100 = 185V。


自举、柵漏和輸入電容：
因已設定了上管的工作條件，故可以找出下管的交流負載。
陰極跟隨的增益可以近似式：μ /（μ+1）。或者使用讀出负載線的開環增益，可以發現更準確的數字，在這種情況下，大約是40。
Av = Ao / (Ao + 1)
Av = 40 / (40 + 1)
Av = 0.98

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由於有自举电路，故交流負載（此时恆流源 CCS^ 为 V1 负载）提交給下管將是：
r(ccs^) = (RL + Rk) / (1 – Av)
r(ccs^) = (33000 + 560) / (1 – 0.98)
r(ccs^) = 1.68 MΩ
這是一個非常高的負荷数值，並確實使下管的交流負載線达到 “水平” 的位置。
像往常一樣，在陰極跟隨的栅漏電阻也是自舉，故可比通常的数值选得更小，從而減少電阻的噪音和阻塞失真。如果我們用 220KΩ，陰隨的有效輸入阻抗將是：
Zin = Rg / (1 - Av * (RL/(RL + Rk2)))   ←  又漏了括号！
Zin = 220000 / (1 - 0.98 * (33000 / (33000 + 560)))
Zin = 6 MΩ
由於陰隨的輸入阻抗是如此高，輸入耦合電容（Cg2）可以選擇其電抗（XC）在較低的頻率。在10Hz的電抗為1MΩ看来颇理想（指吉它扩音机）：
Cg2 = 1 / (2 * pi * f * XC)
Cg2 = 1 / (2 * pi * 10 * 1000000)
Cg2 = 16nF
最近的数值是15nF，选 10nF 至 22nF 也沒問题。

增益：
若輸出端的負載大於 5MΩ的話，则下管的增益便等於μ值。雖然资料表明 ECC81 的 μ=70，但水平的负載線看起來更像 μ=60，这因為下管工作在非常低的陽極電流处。
當使用上輸出（V2 阴极），必須考慮到陰隨的增益，所以這個輸出的增益為 60 * 0.98 = 58.8（但兩者增益的差別是如此小，料沒理由使用下管阳极作輸出 - - 除作直流耦合外）。

輸出阻抗：
上管（陰随）輸出阻抗的计算很簡單，可以近似為：
Zout = ra/μ = 1/gm
從這個圖中用 ra / μ，得到：
Zout = 16000 / 60 = 267Ω
這真的是非常低！

灯丝的垫高：
由於上管陰極处于高電壓，通常要垫高灯丝供應，以避免超過最大額定灯丝陰極電壓（Vhk）。對於 ECC81，Vhk=90V，所以我們需要垫高灯丝至少至100V。
下圖顯示兩個不同的三極管如何可能被使用，以及下輸出如何可用於直流耦合至下一级：

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2010-6-30 01:47 上传

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               = = = =  完  = = = =

七彩菲林

是啊,没仔细分析这个电路时,还真没想到灯丝电压垫高的问题.

Gautau

3# 七彩菲林

为減檢波效应，灯丝最好比阴极高数伏至拾数伏 . . . 视乎偏压為多少而定。

七彩菲林

μ-跟随器
是否可以简单理解为这一组合既有共陰極电路的特性（高增益），又有跟随器输出能力（低阻）？

七彩菲林

3# 七彩菲林

为減檢波效应，灯丝最好比阴极高数伏至拾数伏 . . . 视乎偏压為多少而定。
Gautau 发表于 2010-6-30 02:06

做这个电路时常见用双三极管，觉得是不是分开用两只管会不会更好，一只做上管（垫高灯丝），另一只做下管，以减少灯丝与陰极的二极管现象

Gautau

μ-跟随器
是否可以简单理解为这一组合既有共陰極电路的特性（高增益），又有跟随器输出能力（低阻）？
七彩菲林 发表于 2010-6-30 02:09

是，但其负載为 有源负载（恆流源），故放大量会更高！

Gautau

做这个电路时常见用双三极管，觉得是不是分开用两只管会不会更好，一只做上管，另一只做下管，以减少灯丝与陰极的二极管现象
七彩菲林 发表于 2010-6-30 02:19

"通常" 用一只管 . . . 节省金錢。
但若有要求的話，分管的效果和配搭较易掌握。

七彩菲林

"通常" 用一只管 . . . 节省金錢。
但若有要求的話，分管的效果和配搭较易掌握。
Gautau 发表于 2010-6-30 02:25

"
我是想到前级放大电路去了，，也有用一只通常双三极管做串联，，，是不是，一只做上管，另一只做下管，以减少灯丝与陰极的二极管现象

Gautau

"
我是想到前级放大电路去了，，也有用一只通常双三极管做串联，，，是不是，一只做上管，另一只做下管，以减少灯丝与陰极的二极管现象
七彩菲林 发表于 2010-6-30 02:35

因为我心中想的前级是唱放，独立的上管和下管可使检波效应減少（白噪）。但功放的推动，上下管用同一只也可。
可是，分管的話便须加多一组灯丝供应。

七彩菲林

因为我心中想的前级是唱放，独立的上管和下管可使检波效应減少（白噪）。但功放的推动，上下管用同一只也可。
可是，分管的話便须加多一组灯丝供应。
Gautau 发表于 2010-6-30 02:45

加多一组灯丝供应那是当然.还得利用泄放电阻往那里过一下，做个分压电路，抬高灯丝电位。

ljhtp

μ-跟随器用独立的上管和下管对声道的分离度会有多大影响

Gautau

加多一组灯丝供应那是当然.还得利用泄放电阻往那里过一下，做个分压电路，抬高灯丝电位。
七彩菲林 发表于 2010-6-30 03:57

请參攷 . . . Morgan Jones 的第一本书。
19# passdiy

七彩菲林

μ-跟随器用独立的上管和下管对声道的分离度会有多大影响
ljhtp 发表于 2010-6-30 04:18

应该与管子的结构有关系，具体就难说了，，，

Gautau

μ-跟随器用独立的上管和下管对声道的分离度会有多大影响
ljhtp 发表于 2010-6-30 04:18

不及 Cascode 那麼严重，不过只要不是作唱放便沒問題。

Magee

CAT SL-1 就是应用了这个电路，今天看见G版的分析，收益非浅啊。

Magee

如果用独立的上下管的话，上管高GM管合适（12AU7），下管在低阳级电压下，哪类常用的管比较合适？

djmdh

又说恒流源对电子管作用不大？

snoopy

G版又講學了, 快來聽課!!!!!

mcr125cc

教头开讲一定要担櫈仔上课