Norwegian Blue.
Hvordan designe en god preamp?

Norwegian Blue, de fleste som har sett den sketsjen husker at noe av poenget var variasjon over et tema, i det tilfellet døden. Slik er det med kretsdesign også, det er variasjon over noen temaer og sjelden noen egentlige nyvinninger. Så hva er dette variasjon over?

Norwegian Blue preamplifier

Først noen ord om målet. Målet er en preamp med rundt 10-12dB forsterkning og så lavt støygulv som mulig. I tillegg skal båndbredde, lav distorsjon og lav utgangsimpedans være på plass. Alt dette høres selvsagt ut, og det er det, men det er som nevnt flere måter å nå dette målet på. Noen måter er kanskje riktigere enn andre og noe handler om filosofi og noe om følelser.
I de siste kategoriene inngår at dette målet skal nåes uten bruk av global feedback. I den utstrekning feedback tas i bruk skal det foregå lokalt. Det andre kriteriet er å ikke bruke solid-state komponenter i signalveien. Dette kan sikkert kalles både gammeldags og tåpelig, men slik er det nå bare.

Spørsmålet var hva dette designet er variasjon over og svaret er enkelt: Gain-steg med katodefølger. Ikke akkurat spesielt oppfinnsomt med andre ord.
Ofte har et slikt design to svakheter, for høy gain og ikke spesielt lav utgangsimpedans. For å ta det siste først så er det katodefølgerens transkonduktans (gm) som bestemmer utgangsimpedansen (Ro). Sammenhengen er enkel Ro~=1/gm.
6SN7 for eksempel har en transkonduktans på 2600 µmhos. Dette pussige navnet er rett og slett µ (micro) og ohm stavet baklengs. Men uansett så gir dette en utgangsimpedans på (1/2600E-6) eller omtrent 390 ohm. Verken dårlig eller bra med andre ord. Hva som er bra og hva som er dårlig kan helt sikkert diskuteres, men i de fleste praktiske tilnærminger er jo lavere, jo bedre. ECC88/6DJ8 for eksempel, er bedre egnet som katodefølger (gm=11000 µmhos) og en middelmådig MOSFET er omtrent perfekt, men slikt har jeg ikke lov til å bruke.
Jeg kunne med god samvittighet valgt 6DJ8 men siden jeg ønsker en pentode i samme kolbe (jeg kommer sikkert tilbake til det) begrenser det valget og jeg tar til takke med ECF80 som med sine 5000 µmhos vil gi en utgangsimpedans i området 200 ohm. I et RC-koblet trinn som rørforsterkere ofte er, vil uansett utgangsimpedansen stige ved fallende frekvens, så det er ikke kun selve driverrøret som setter begrensninger.

Så var det dette med for høy forsterkning. Et normalt gainsteg bygget rundt 6SN7 eller tilsvarende, gir en forsterkning på opp mot 20x eller 26dB. Mye mer enn hva de fleste trenger og de fleste som har en slik preamp ender opp med å dempe signalet på utgangen eller å spille veldig høyt når volumkontrollen står i posisjon 9 o’clock. Begge deler kan betraktes som bortkastet eller i det minst lite optimalt.
Problemet er at de fleste småsignalrør i utgangspunktet har en forsterkning på ~20x eller mer og hvis en i kretsdesignet ikke gjør noe med det så sitter en igjen med en preamp med alt for mye av det gode eller onde eller hva det nå kalles.
Derfor har jeg valgt å legge inn lokal degenerativ feedback i gainsteget. Dette medfører i tilegg til å dempe signalet også redusert harmoniske forvrengningen med en tilsvarende faktor. Siden jeg har gjort det på denne måten er det bare en fordel at inngangsrøret har høy forsterkning. EF86 (triodekoblet) har µ=38 som jeg senker til ca 4x. Graden av feedback bestemmes av forholdet mellom R4 og R5.
Velges R5 til 0 blir graden av feedback 100%, alt spenningssving på anodesiden er borte og vi har i praksis en katodefølger. Velges på den annen side R4=0 er det ingen feedback og trinnet er et rent felles katode trinn, eller anodefølger. Her er det som sagt valgt noe midt i mellom, noe som gir en total forsterkning på 4x eller 12dB.
En bonus ved å innføre feedback på denne måten er at motstanden R2 blir bootstrappet og får en tilsynelatende mye høyere verdi enn merkeverdi. Det i sin tur medfører at koblingskondensatoren C1 kan velges til en rimelig lav verdi. Enkelte hevder av små kondensatorer har bedre lydmessige egenskaper enn større.

EF86 som inngangsrør ble valgt da dette er et veldig godt audiorør og finnes både som nyprodusert og som NOS, altså et bredt spekter å velge i.
En god indikasjon på om et rør er brukbart til å forsterke audiosignaler er å se i produsentens datablad og lete opp det som kalles Ia/Va-kurvene. Består disse av rette parallelle streker betyr det som regel at røret oppfører seg lineart og har lav egenforvrengning.

Utdrag fra datablad EL86, triodekoblet:
EF86 triode
--- ooo ---

Utgangstrinnet består som sagt av en katodefølger (ECF80). En katodefølger er et buffertrinn og i det ligger det at trinnet har (veldig) høy inngangsresistans, lav utgangsresistans og forsterkning litt mindre enn 1. Så i første rekke er grunnen til å innføre en katodefølger impedanstilpassning, å ha litt krutt til å mate neste trinn med, for å si det slik.
Katodefølger 02
En standard lærebok katodefølger kan se ut som figuren til venstre.

Signalet Vin har en likestrømskomponent som deler forsyningsspenningen (B+) mellom røret og katodemotstanden (Rk). Det er ofte vanlig at denne forspenningen ligger på nivå med B+/2. Hvilestrømmen er da gitt av katodemotstanden og i tilfelle Vin=~B+/2 gir det en hvilestrøm Ik=~(B+)/2Rk. Typisk til småsignalsformål kan Ik være i størrelsesorden 1-10mA. 

Hvis vi ser på forholdene vekselstrømsmessig (signal) kommer Rk i parallell med lasten (Rl) og en større eller mindre del av signalet vil brennes av i Rk til ingen nytte. Jo høyere
hvilestrøm, jo lavere må Rk være. Høy hvilestrøm er en god ting for å dra en last, men for å oppnå dette så sylter vi ned katodefølgeren med en lav katodemotstand (Rk) og til slutt så greier kretsen ikke å dra seg selv.
 
En god løsning på floken ovenfor er å erstatte katodemotstanden (Rk) med en konstantstrømgenerator (CCS).
En perfekt CCS har uendelig vekselstrømsmotstand og vil ikke påvirke signalet i det hele tatt. All signalstrøm som går gjennom katodefølgeren vil uhindret passere ut i lasten, der det er bruk for den.



--- ooo ---

En pentode har gode egenskaper som strømgenerator. Den har høy indre resistans (Rp) og strømmen vil være rimelig konstant når anodespenningen endres.

ECF80, pentodeseksjon:
ECF80
X-aksen viser anodespenningen (Va) og Y-aksen viser anodestrømmen (Ia). Som vi ser vil anodestrømmen være omtrent konstant uansett anodespenning ved en gitt gitterforspenning (Vg1). Ved Vg1=-1V gir dette en anodestrøm (Ia) på 6mA ved både Va=200V og Va=50V. Under 50V starter anodestrømmen å avta og dette området er mindre egnet som strømgenerator.

Hellingen på kurvene gjenspeiler også rørets indre resistans (Rp), horisontal linje betyr at Rp nærmer seg uendelig, vertikal linje (som ved veldig lav anodespenning (Va) til venstre i grafen) betyr at Rp går mot en lav verdi.

Grafen er litt for grovkornet til å fastslå Rp nøyaktig, men Rp finnes i databladet. Vi kan likevel gjøre et forsøk. Når Vg1 holdes på –1.5V ser vi at Ia=3.5mA ved 50V og en plass mellom 3.5 og 4mA ved 200V, skal vi si 3.8mA? Rp regnes ut ved dVa/dIa = 150V/0.3mA = 500k ohm. Databladet sier Rp=400k. Men som vi ser så er ikke dette en helt konstant verdi, helling på kurven ved Vg1=0V er ikke lik hellingen ved Vg=-2V etc.

OK, ved å bytte ut katodemotstanden (Rk) med en pentode (CCS) har en oppnådd at signalet ikke degenereres unødvendig i selve kretsløsningen, noe som ville ført til forvrengning og begrenset spenningssving. Prisen som må betales er en ekstra pentode, i og for seg en lav pris hvis en velger et rør som inneholder både en triode (katodefølger) og katodefølgerens aktive last (pentoden).

--- ooo ---

Jeg brukte ordet aktiv last om pentoden, og det bevist. Hva med å gi katodefølgeren en hjelpende hånd ved å la den aktive lasten svinge i fase med trioden som utgjør katodefølgeren? Ja, hva med det. Forholdene ligger til rette for å gjøre dette siden inngangstrinnet har lokal degenerert feedback ved hjelp av R4. I praksis er inngangstrinnet en split-load fasevender og amplituden av de to fasene er gitt av forholdet mellom R5 og R4. Spenningssvinget over R4 er her ført videre, via spenningsdeleren R8/R9, til styregitteret på pentoden.

Norwegian Blue, Dead Parrot preamplifier
Hvor mye av signalet bør fødes inn til pentoden? Et naturlig valg er jo 1/(gm x Rl), slik at pentodedelen følger katodefølgeren 100%. Men er det så veldig nøye? Pentoder er som sagt høyimpedante saker og så lenge pentoden svinger i takt med katodefølgeren så bør det være en god ting. Lasten er heller ikke en absolutt konstant, men treffer en med å mate med 1/(gm x Rl) så er i prinsippet pentoden omgjort til en komponent med uendelig indre motstand.
--- ooo ---

Noen ord til slutt:
Da tror jeg at jeg har gått gjennom det meste av kretsdesignet. Volumkontrollen som har fått det kledelige navnet 'dB' er en step attenuantor, sannsynligvis DACT.
Når det gjelder strømforsyning vil denne bli separat for å forsikre at støygulvet ligger lavt. Glødingen er DC-basert og høyspenningen er regulert.

En prototyp er under oppseiling i Canada, Dr. Lloyd Peppard (Mapletree Audio) styrer det rent praktiske rundt den prosessen.

(c) Jan E Veiset 05-JUN-2010
Veiset Audio Design VAD@veiset.net