Ламповые усилители

ã‡ÏÔÓ‚˚ ÛÒËÎËÚÂÎË

        Второе издание, переработанное

Москва, 2016

Морган Джонс

Перевод с английского

под общей научной редакцией к.т.н. доц. Иванюшкина Р. Ю.

Morgan Jones

Valve Amplifiers

Third Edition

Amsterdam Boston Heidelberg London New York Oxford
Paris San Diego San Francisco  Singapore Sydney Tokyo

УДК
621.375.132

ББК
32.846.6
М79

Джонс Морган

М79 Ламповые усилители / пер. с англ.; под общ. научной ред. к.т.н. доц. Иванюшкина Р. Ю. – М.: Издательство ДМК Пресс, 2016. – 624 с., ил.

ISBN 978597060366-6

В книге известного английского автора поставлена задача научить читателя теории и практике построения высококачественных ламповых усилителей звуковой частоты класса качества
HighEnd. Поскольку на сегодняшний день «ламповый звук» становится все более популярным,
причем не только среди меломанов и аудиофилов, но и среди рядовых слушателей музыки, интерес
к подобной технике в последние годы сильно возрос. В книге популярным языком изложены, как
теория работы ламповых схем (начиная с простейших электрических цепей и заканчивая сложными схемами различных узлов реальной звукоусилительной аппаратуры), так и практические рекомендации по разработке высококачественных аудиоусилителей в любительских условиях, что
позволяет существенно снизить затраты на высококачественную бытовую технику. Книга предназначена в первую очередь для радиолюбителей, но она, безусловно будет полезна также инженерам – разработчикам звукоусилительной техники, а также студентам, изучающим аналоговую
схемотехнику и усилительные устройства.

УДК621.375.132
ББК32.846.6

Морган Джонс

Ламповые усилители

Главный редактор 
Мовчан Д. А.

dmkpress@gmail.com

Корректор
Синяева Г. И.

Верстка
Страмоусова О. И.

Дизайн обложки
Мовчан А. Г.

×100 / .
1

16
 
Гарнитура «Петербург». Печать офсетная.

Усл. печ. л. 58,5. Тираж 100 экз.

Издательство ДМК Пресс

Webсайт Издательства: www.dmkpress.c om

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то

ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев
авторских прав.

Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но, поскольку вероятность

технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную
точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

   ISBN 978-0750656948 (англ.) 
Copyright © 1995, 1999, 2003
Morgan Jones. All rights reserved.

   ISBN 9785970603666 (рус.) 
© Оформление ДМК Пресс, 2016

                                       Формат 70

Содержание

Предисловие научного редактора ...........................19

Предисловие автора .....................................................21

Посвящение.....................................................................23

Благодарности ...............................................................24

1. Основы действия усилительных приборов .....25
1.1. Общие замечания ..........................................................25
1.2. Краткая историческая справка об электронных лампах ..25
1.3. Термоэлектронная эмиссия ...........................................27
1.4. Принцип действия и статические характеристики
вакуумного диода ...........................................................28
1.5. Скорость движения электронов ......................................33
1.6. Принцип действия и статические характеристики
вакуумного триода .........................................................35
1.7. Принцип действия и статические характеристики
многосеточных ламп ......................................................43
1.8. Эквивалентные параметры электронных ламп
и их определение ...........................................................53
1.9. Особенности применения тетродов и пентодов
в усилителях звуковой частоты .......................................59
1.10. Некоторые вопросы конструкции и эксплуатации
приемоусилительных ламп..........................................62
1.10.1. Катод .................................................................62
1.10.2. Проблемы, связанные с накалом ламп ...................67
1.10.2.1. Общие замечания ...................................... 67
1.10.2.2. Проблемы электростатики ........................... 67
1.10.2.3. Электромагнитные проблемы и катоды
косвенного накала ................................................. 68
1.10.2.4. Изоляция катодподогреватель ..................... 70
1.10.2.5. Тепловой режим катода ............................... 71
1.10.2.6. Подогреватели катодов и их источники питания .... 72
1.10.2.7. Напряжение и ток подогревателя катода.......... 74

3

ëÓ‰ÂʇÌËÂ

4

1.10.3. Управляющая сетка .............................................77
1.10.3.1. Общие замечания ...................................... 77
1.10.3.2. Сеточный ток ............................................ 78
1.10.3.3. Температурный дрейф, вызываемый
сеточным током..................................................... 78
1.10.3.4. Сеточная эмиссия и борьба с ней ................... 79
1.10.3.5. Лампы с рамочными сетками ........................ 80
1.10.3.6. Сетки, определяющие переменное
значение усиления μ, и связь с искажениями ................ 80
1.10.4. Другие виды сеток в лампах ..................................82
1.10.5. Анод...................................................................82
1.10.6. Вакуум и ионизационные шумы.............................86
1.10.7. Геттеры ..............................................................88
1.10.8. Держатели из слюды и температура баллона ..........89
1.10.9. Измерение температуры баллона
и охлаждение ламп ..............................................91
1.10.10. Ламповые цоколи серий OCTAL и LOCTAL –
влияние на потери и шумы ..................................92
1.10.11. Стеклянный баллон и выводы лампы ....................94
1.11. Полупроводниковые активные приборы
(транзисторы)...............................................................95
1.11.1. Общие замечания ................................................95
1.11.2. Биполярные плоскостные транзисторы (БПТ)
и принцип их работы ............................................96
1.11.3. Простейший усилитель с общим эмиттером
на биполярном тарнзисторе .................................97
1.11.4. Входное и выходное сопротивления и статические
характеристики биполярного транзистора ........... 100
1.11.5. Эмиттерный повторитель ................................... 102
1.11.6. Составной транзистор ....................................... 103
1.11.7. Общие замечания о свойствах биполярных
транзиторов...................................................... 104
1.11.8. Краткие сведения о полевых транзисторах ........... 104
1.12. Обратная связь в активных устройствах.
Уравнение обратной связи ......................................... 105
1.12.1. Общие замечания. Определение обратной связи .... 105
1.12.2. Уравнение обратной связи ................................. 106
1.12.3. Практические ограничения уравнения обратной
связи ............................................................... 107
1.12.4. Терминология обратной связи, полные входное
и выходное сопротивления ................................. 107

ëÓ‰ÂʇÌËÂ

1.13. Операционные усилители ........................................... 109
1.13.1. Общие сведения................................................ 109
1.13.2. Инвертор и «виртуальная» земля ......................... 110
1.13.3. Неинвертирующий усилитель
и повторитель напряжения ................................. 111
1.13.4. Интегратор ....................................................... 113
1.13.5. Смещение постоянного тока в операционном
усилителе ......................................................... 114
Список используемой литературы ...................................... 115
Литература для углубленного изучения ............................... 115

2. Основы схемотехники ламповых
усилителей .................................................................... 116
2.1. Общие замечания ........................................................ 116
2.2. Усилитель на триоде с общим катодом ......................... 116
2.3. Ограничения по выбору рабочей точки.
Принципиальная схема простейшего резисторного
каскада ........................................................................ 119
2.4. Режим в рабочей точке ................................................. 122
2.5. Катодное смещение ..................................................... 125
2.6. Выбор величины сопротивления резистора
в цепи сетки ................................................................. 131
2.7. Выбор выходного разделительного конденсатора ........ 134
2.8. Вредное влияние проходной емкости лампы
и пути его уменьшения. Эффект Миллера..................... 135
2.9. Применение экранированных ламп .............................. 137
2.10. Каскод (каскодная схема) ........................................... 145
2.11. Катодный повторитель................................................ 152
2.12. Источники и потребители (приемники) энергии:
определения............................................................... 157
2.13. Каскад с общим катодом как приемник
неизменяющегося тока............................................... 158
2.14. Пентоды в качестве приемников неизменяющегося
тока ............................................................................ 160
2.15. Катодный повторитель с активной нагрузкой .............. 163
2.16. Катодный повторитель Уайта ...................................... 164
2.17. Катодный повторитель Уайта в качестве выходного
каскада ....................................................................... 167
2.18. μповторитель ............................................................ 169
2.19. Учет эквивалентных сопротивлений
предшествующего и последующего каскадов ............. 172

ëÓ‰ÂʇÌËÂ

6

2.20. Выбор верхней лампы для μповторителя ................... 173
2.21. Ограничения μповторителя ....................................... 174
2.22. Параллельно управляемый двухламповый
усилитель (SRPP)........................................................ 176
2.23. βповторитель ............................................................ 180
2.24. Дифференциальная пара (дифференциальный каскад)... 183
2.25. Коэффициент усиления дифференциальной пары ...... 184
2.26. Выходное сопротивление дифференциальной пары ... 184
2.27. Коэффициент ослабления синфазного сигнала
(CMRR) в дифференциальной паре ............................. 186
2.28. Коэффициент реакции питающего напряжения
(PSRR) дифференциальной пары ................................ 187
2.29. Полупроводниковые приемники неизменяющегося
тока для дифференциальной пары .............................. 189
2.30. Использование транзисторов в качестве активной
нагрузки для электронных ламп .................................. 191
2.31. Приемник неизменяющегося тока
на интегральной схеме ............................................... 197
Список используемой литературы ...................................... 197
Литература для углубленного изучения ............................... 197

3. Искажения в усилителях, их измерение,
меры по снижению искажений ................................ 199
3.1. Общие замечания ........................................................ 199
3.2. Классификация искажений.
Принципы оценки линейных искажений ........................ 199
3.3. Принципы измерения нелинейных искажений .............. 201
3.4. Измерение и интерпретация искажений....................... 203
3.5. Выбор измерений ........................................................ 204
3.6. Совершенствование измерений нелинейных
гармонических искажений ............................................ 205
3.6.1. Общие замечания ................................................ 205
3.6.2. Весовая оценка гармоник ..................................... 205
3.6.3. Особенности детектирования гармоник ................. 206
3.6.4. Учет шумовой составляющей при измерении
нелинейных искажений......................................... 208
3.7. Спектральные анализаторы.......................................... 209
3.8. Цифровая обработка сигналов ..................................... 210
3.8.1. Общие сведения о цифровом представлении
сигналов и аналогоцифровом преобразовании ...... 210

ëÓ‰ÂʇÌËÂ

3.8.2. Дискретизация. Теорема Котельникова – Найквиста .. 210
3.8.3. Масштабирование, квантование, кодирование ....... 211
3.8.4. Системы счисления и кодовые слова ..................... 212
3.8.5. Быстрое преобразование Фурье (БПФ) .................. 214
3.9. Как автор проводит измерения искажений ................... 216
3.10. Особенности проектирования усилителей
с малыми искажениями .............................................. 216
3.10.1. Классификация способов снижения нелинейных
искажений ........................................................ 216
3.10.2. Влияние рабочей точки по переменному току ....... 217
3.10.3. Влияние рабочей точки по постоянному току ........ 220
3.10.4. Искажения изза сеточного тока.......................... 220
3.10.5. Искажения изза сеточного тока и регулировки
громкости......................................................... 222
3.10.6. Работа с сеточным током и нелинейные
искажения ........................................................ 223
3.10.7. Уменьшение искажений ограничением
эквивалентной нагрузки ..................................... 226
3.10.8. Уменьшение искажений подавлением
(компенсацией) ................................................. 229
3.10.9. Подавление искажений в двухтактном каскаде...... 230
3.10.10. Подавление искажений в дифференциальной
паре ............................................................... 231
3.11. Проблемы смещения по постоянному току ................. 231
3.11.1. Общие замечания .............................................. 231
3.11.2. Автосмещение катодным резистором .................. 233
3.11.3. Сеточное смещение........................................... 235
3.11.4. Катодное смещение с помощью перезаряжаемого
аккумулятора .................................................... 236
3.11.5. Диоднокатодное смещение ............................... 237
3.11.6. Смещение с помощью приемника
неизменяющегося тока ...................................... 240
3.12. Выбор электронной лампы по критерию
низких искажений....................................................... 241
3.12.1. Общие замечания .............................................. 241
3.12.2. Специальные разработки ламп с малыми
искажениями .................................................... 241
3.12.3. Проблема карбонирования баллонов ламп ........... 243
3.12.4. Проблема размагничивания ламп........................ 244
3.12.5. Необходимость тестирования для отбора
электронных ламп с малыми искажениями ........... 244

ëÓ‰ÂʇÌËÂ

8

3.12.6. Схема проверки ................................................ 245
3.12.7. Уровни и частоты проверочной схемы.................. 246
3.12.8. Результаты испытаний ....................................... 247
3.12.9. Интерпретация измерений ................................. 247
3.12.10. Альтернативные электронные лампы
со средним μ.................................................... 250
3.12.11. Взвешенные результаты искажений ................... 251
3.12.12. Общие выводы................................................. 252
3.13. Проблема сопряжения одного каскада
со следующим ............................................................ 252
3.13.1. Общие замечания .............................................. 252
3.13.2. Проблема блокировки разделительным
конденсатором.................................................. 252
3.13.3. Трансформаторная связь между каскадами.......... 254
3.13.3. Смещение уровня и связи по постоянному току .... 255
3.13.4. Усилитель класса А для электромагнитных
головных телефонов с непосредственной
междукаскадной связью ..................................... 257
3.13.5. Использование схемы сдвига уровня
с источником тока.............................................. 261
Список используемой литературы ...................................... 264
Литература  для углубленного изучения .............................. 265

4. Источники питания ............................................... 266
4.1. Общие сведения ........................................................... 266
4.2. Основные виды источников питания ............................. 266
4.3. Выпрямление переменного тока .................................. 268
4.3.1. Общие сведения о выпрямителях ............................ 268
4.3.2. Выбор ламповых или полупроводниковых
выпрямительных диодов ........................................ 268
4.3.3. Ртутные выпрямители ............................................ 273
4.3.4. ВЧ шумы выпрямителей ......................................... 274
4.4. Сглаживающие цепи (фильтры) выпрямителей............. 275
4.4.1. Назначение сглаживающих элементов ..................... 275
4.4.2. Одиночный накопительный конденсатор в роли
сглаживающего элемента....................................... 276
4.4.3. Влияние напряжения пульсаций на выходное
напряжение .......................................................... 278
4.4.4. Пульсирующая составляющая постоянного тока
и угол проводимости ............................................. 279
4.4.5. Насыщение сердечника трансформатора ................ 282

ëÓ‰ÂʇÌËÂ

4.4.6. Критерии выбора силового трансформатора
и накопительного (сглаживающего) конденсатора .... 285
4.4.7. Источник питания со сглаживающим дросселем ....... 288
4.4.8. Минимальный ток нагрузки для источника питания
со сглаживающим дросселем ................................. 290
4.4.9. Номинальное значение тока дросселя ..................... 291
4.4.10. Номинальный ток трансформатора, используемого
в источнике питания со сглаживающим дросселем .... 294
4.4.11. Выбросы тока и демпфирующие элементы ............. 294
4.4.12. Использование накопительного конденсатора
для снижения высоковольтного напряжения ........... 298
4.4.13. Частотные характеристики используемых
на практике LCфильтров ...................................... 300
4.4.14. Широкополосная фильтрация ............................... 304
4.4.15. Секционированный резистивноемкостный (RC)
фильтр................................................................ 305
4.5. Выпрямители с умножением (умножители) напряжения ... 307
4.6. Стабилизаторы ............................................................ 309
4.6.1. Общие сведения о последовательных
и параллельных стабилизаторах напряжения............ 309
4.6.2. Классическая схема последовательного
стабилизатора ...................................................... 310
4.6.3. Двухтранзисторная схема последовательного
стабилизатора ...................................................... 313
4.6.4. Ускоряющий конденсатор ...................................... 314
4.6.5. Компенсация выходного индуктивного
сопротивления стабилизатора ................................ 317
4.6.6. Стабилизатор цепи сеточного смещения
с регулируемым выходным напряжением................. 317
4.6.7. Стабилизатор напряжения на интегральной
микросхеме 317 серии ........................................... 319
4.6.8. Источники питания низкого напряжения
и синфазный шум .................................................. 322
4.6.9. Источники синфазного шума в низковольтном
источнике питания ................................................ 325
4.6.10. Использование интегральной микросхемы
317 серии в качестве стабилизатора
высоковольтного источника питания ...................... 326
4.6.11. Ламповый стабилизатор напряжения ..................... 327
4.6.12. Пути совершенствования схемы лампового
стабилизатора напряжения................................... 329

ëÓ‰ÂʇÌËÂ

10

4.6.13. Применение схемы с входной экранирующей сеткой
для нейтрализации фонового шума переменного
тока .................................................................... 330
4.6.14. Способы увеличения выходного тока
стабилизатора..................................................... 331
4.6.15. Коэффициент режекции источника питания
применительно к отдельным каскадам
и устойчивость схемы........................................... 334
4.6.16. «Пение» стабилизатора напряжения....................... 338
4.7. Применяемые на практике схемы источников питания ... 339
4.7.1. Общие сведения ................................................... 339
4.7.2. Выбор высоковольтного напряжения ....................... 339
4.7.3. Включение сглаживающих конденсаторов
при повышенном высоком напряжении.................... 340
4.7.4. Необходимость разряда высоковольтных
конденсаторов ...................................................... 341
4.7.5. Перенапряжения, возникающие при включении
схемы .................................................................. 343
4.7.6. Низковольтные источники питания .......................... 344
4.7.7. Радиопомехи от внешних источников ...................... 344
4.7.8. Составление предварительной схемы блока питания ... 345
4.7.9. Расчет низковольтных источников питания............... 346
4.7.10. Высоковольтный выпрямитель и стабилизатор........ 350
4.7.11. Особенности источников смещения
подогревателей ламп, находящихся
под повышенным потенциалом относительно
корпуса .............................................................. 354
4.7.12. Составление окончательной схемы блока питания... 357
4.8. Схема улучшенного источника питания ........................ 359
4.8.1. Общие замечания.................................................. 359
4.8.2. Низковольтная часть улучшенного блока питания ..... 360
4.8.3. Схема стабилизатора тока...................................... 361
4.8.4. Режим пониженного энергопотребления ................. 363
4.8.5. Рабочий режим ..................................................... 364
4.8.6. Погрешности и неисправности ............................... 364
4.8.7. Выбор силового трансформатора и дросселя
низковольтного источника питания для схем
с последовательным накалом ламп ......................... 365
4.8.8. Требования к трансформатору и дросселю
высоковольтного источника питания ....................... 367
4.8.9. Высоковольтный стабилизатор ............................... 367