Szkoła Aikido

Kiedy zacząłem rozważać, jak mógłby wyglądać schemat prostego wzmacniacza słuchawkowego OTL, od razu przypomniałem sobie artykuły Johna Broskie’go z jego świetnej witryny Tube Cad Journal. Znajduje się tam szereg artykułów opisujących ideę wzmacniacza Aikido, w tym również wersje przeznaczone do wysterowania słuchawek dynamicznych.

Idea polega na wykorzystaniu tętnień i innych zakłóceń zasilania w torze audio dla tychże bardzo silnego stłumienia na wyjściu. Jak w sztuce walki - Aikido przekształca energię przeciwnika w siłę działającą przeciw niemu.

Układ działa co najmniej o rząd wielkości lepiej od porównywalnych wzmacniaczy WK lub SRPP. Bez specjalnego dobierania lamp i innych elementów Broskie uzyskał 30 dB tłumienie zakłóceń sieciowych (6 dB dla porównywalnego wzmacniacza WK).

Podstawowy schemat wzmacniacza Aikido przedstawiony jest poniżej:

Układ jest prosty i skuteczny. Pierwszy stopień to wzmacniacz WK z aktywnym obciążeniem. Nie jest to wzmacniacz SRPP, choć układ jest nieco podobny. Ponieważ obie triody w pierwszym stopniu posiadają takie same rezystory katodowe, więc ich napięcia Uak i wypadkowa rezystancja anodowa ra’ są takie same. Na każdym członie odkłada się więc dokładnie 50% napięcia zasilania i dokładnie 50% sygnału zakłóceń sieci. Te 50% zakłóceń sieci jest podawane na siatkę lampy w drugim stopniu. Wzmocnienie pierwszego stopnia wynosi mu/2 (mu-wzmocnienie napięciowe zastosowanej triody).

Zamiast górnej triody można by zastosować odpowiednio wyliczony rezystor anodowy, który również dawałby 50% spadek napięcia anodowego. Jednak układ taki byłby podatny na zmianę napięcia zasilania i zmiany parametrów lamp. Przedstawiony układ z dwiema triodami jest równie prosty, a do tego niezawodny. W dodatku można wymienić lampę na inną o zbliżonych parametrach i układ będzie nadal prawidłowo działał.

Drugi stopień, to wtórnik katodowy z obciążeniem w postaci namiastki źródła prądowego (rezystor katodowy tej triody definiuje prąd spoczynkowy tego stopnia). Mamy więc typowy wzmacniacz single-ended. Jednakże do siatki dolnej połówki lampy wyjściowej podawana jest nie masa, a zakłócenia sieci podzielone przez 2 (dzielnik z 2 rezystorów 100k). W ten sposób trioda ta działa jak wzmacniacz WK dla zakłóceń sieci (ze wzmocnieniem napięciowym bliskim 1, ponieważ obciążeniem wzmacniacza jest niska impedancja wtórnika katodowego). W rezultacie na anodzie tej lampy pojawia się przebieg w fazie przeciwnej do źródła zakłóceń i kompensuje zakłócenia pojawiające się na katodzie wtórnika katodowego. Działanie układu przedstawione jest na poniższym rysunku:

Przy zastosowaniu odpowiedniej lampy otrzymamy na wyjściu wystarczająco niską impedancję do wysterowania dowolnych słuchawek.

Lampę drugiego stopnia również można bez problemu podmienić na inną o podobnych parametrach i układ będzie działał prawidłowo. Co więcej, wzmacniacz jest odporny na zmianę napięcia zasilania (w rozsądnych granicach oczywiście). Nie wymaga skomplikowanego zasilacza, a ewentualne elementy stabilizujące napięcie będą potrzebne tylko dla zapewnienia jak najwyższego odstępu sygnału od zakłóceń.

Przy włączaniu wzmacniacza nie pojawiają się nadmierne trzaski, ponieważ w przeciwieństwie do wzmacniaczy WK na wyjściu nie pojawia się napięcie zasilania zaraz po włączeniu zasilania. Napięcie wyjściowe łagodnie stabilizuje się po nagrzaniu lamp.

I wreszcie chyba najważniejsza cecha: wzmacniacz taki powinien mieć stosunkowo małe zniekształcenia. Lampy trudno nazwać liniowymi elementami. Tutaj jednak w obu członach obciążeniem triody jest druga połówka tej samej lampy. To powinno dalece ograniczyć zniekształcenia wprowadzane przez układ i umożliwić pracę bez pętli sprzężenia zwrotnego.

Aby zniwelować zakłócenia pochodzące od zasilania, na siatkę dolnej lampy wprowadza się odpowiednio stłumiony sygnał zakłóceń. Na wszystkich powyższych rysunkach tłumienie to wynosiło 50% poprzez zastosowanie dzielnika rezystorowego 100k+100k. Układ z takim dzielnikiem będzie działał prawidłowo pod warunkiem, że obie połówki lampy wyjściowej są identyczne i w dodatku wzocnienie napięciowe lampy jest bardzo duże. W praktyce oba warunki nie będą spełnione. Jaki więc powinien być ten dzielnik rezystorowy? Wyjaśnienie zagadnienia znajduje się na stronie http://www.tubecad.com/2005/July/blog0051.htm.

Górna trioda „widzi” 50% sygnału zakłóceń sieciowych (Uz) na swojej siatce i 100% sygnału na anodzie. Zmiana prądu anodowego wyniesie zatem:

dI=gm*0.5*Uz+Uz/ra, gdzie

gm-transkonduktancja triody

ra-rezystancja anodowa triody

Dolna trioda dostaje x % sygnału zakłóceń sieciowych na swojej siatce (x wynika z zastosowanego dzielnika rezystorowego R6/R7). Potencjał anody nie zmienia się (do tego dążymy – oznacza to brak zakłóceń na wyjściu), więc zmiana prądu określona jest jako:

dI=gm*x*Uz

Aby zakłócenia niwelowały się, zmianie prądu w górnej triodzie powinna towarzyszyć taka sama zmiana prądu w dolnej połówce, zatem:

gm*0.5*Uz + Uz/ra = gm*x*Uz

Po uproszczeniu otrzymujemy:

x = 1/gm/rp+0.5 = 1/mu + 0.5,

gdzie mu-wzmocnienie napięciowe triody.

Zatem dolna trioda powinna otrzymać na siatce (50 + 100/mu) % zakłóceń sieciowych. Dla przedstawionej na rysunku lampy 6SN7 (mu=20) trzeba podać na siatkę 55% sygnału zakłóceń, podczas gdy dla lampy 6AS7 (mu=2) trzeba by podać 100% sygnału.

Symulacja układu potwierdza powyższą zależność. Dla lampy 6SN7 i R6=100k, najlepsze tłumienie zakłóceń otrzymuje się dla R7 równego około 122k.

Dla amplitudy zakłóceń sieciowych 5V na wyjściu wzmacniacza otrzymałem sygnał o amplitudzie około 24.8 mV. Zatem tłumienie zakłóceń wynosi:

PSSR= 20*log(Uz/Uwy)=20*log(5V / 24.8 V)= 46.1 dB

Nieźle Nawet jeśli w rzeczywistym układzie otrzymany wynik będzie wyraźnie mniejszy, układ działa i wart jest zastosowania.