Радиолюбитель, который впервые собирает ламповый предусилитель, почти всегда выбирает лампу по одному параметру: коэффициент усиления мю. Чем он выше, тем меньше каскадов нужно для нужной громкости, и выбор падает на 6Н9С с её паспортным мю около 70. Но стоит подключить к выходу такого каскада метр другой экранированного кабеля, и звук неожиданно теряет верх, будто кто то накрыл динамик тряпкой. Причина не в самой лампе как усилительном элементе, а в её внутреннем сопротивлении, которое растёт вместе с мю почти по обратной пропорции к крутизне. Разберём, почему пара 6Н9С и 6Н8С, при формальном сходстве конструкции и цоколёвки, ведёт себя настолько по разному именно на реактивной, ёмкостной нагрузке, и когда этой разницей можно пренебречь, а когда она становится решающей.
Паспортные параметры 6Н9С и 6Н8С показывают разницу коэффициента усиления в разы
6Н9С, зарубежный аналог 6SL7, паспортно даёт коэффициент усиления мю около 70, крутизну характеристики около 1600 микросименс и внутреннее сопротивление порядка 44 килоом в рабочей точке. 6Н8С, известная как 6SN7, устроена иначе: мю у неё около 20, у части выпусков и производителей встречается диапазон от 16,5 до 20, зато крутизна почти в полтора два раза выше, около 2600 микросименс, а внутреннее сопротивление заметно ниже, порядка 7,7 килоом, и может опускаться до 6 8 килоом в зависимости от выбранной рабочей точки по постоянному току. Формально обе лампы двойные триоды в одинаковом восьмиштырьковом октальном цоколе, оба варианта широко применялись в советской ламповой технике, от измерительных приборов до бытовых усилителей, и обе лампы взаимозаменяемы механически. Электрически же взаимозаменяемость условна: поставить 6Н8С в схему, рассчитанную под 6Н9С, значит резко просадить усиление каскада, а обратная замена поднимет усиление, но одновременно утащит вверх и внутреннее сопротивление, о последствиях которого дальше и пойдёт речь.
Стоит держать в уме и разброс параметров между отдельными экземплярами одной партии. Паспортные цифры это типовое значение для среднего образца, а у конкретной лампы с завода мю может отличаться на 10 15 процентов в обе стороны, крутизна ещё сильнее, вплоть до 20 процентов, поскольку зависит от точности навивки сетки и расстояний между электродами при сборке катода. На практике это означает, что расчёт частоты среза по паспортным данным стоит делать с запасом, а измеренное на реальном экземпляре внутреннее сопротивление 6Н9С может оказаться и 38, и 50 килоом вместо табличных 44, что для расчёта каскада на длинный кабель меняет итоговую границу слышимого диапазона на заметную величину и требует проверки готовой схемы уже с конкретной, а не усреднённой лампой.
Внутреннее сопротивление лампы растёт вместе с коэффициентом усиления по законам физики триода
У триода три паспортных параметра связаны простым тождеством: мю равно произведению крутизны на внутреннее сопротивление. Формула mu = gm x rp работает не как случайное совпадение, а как прямое следствие устройства сеточной структуры лампы. Чтобы поднять коэффициент усиления, конструктор делает сетку гуще, с меньшим шагом навивки, и располагает её ближе к катоду. Это действительно увеличивает управляющее действие сетки на анодный ток, то есть поднимает мю, но одновременно снижает саму величину анодного тока при тех же напряжениях, а значит падает и крутизна, и возрастает внутреннее сопротивление. Проверим на цифрах: у 6Н9С мю 70 при крутизне 1600 микросименс, то есть 0,0016 сименс, отсюда rp равно 70 делить на 0,0016, что даёт 43750 Ом, это и есть паспортные 44 килоома. У 6Н8С мю 20 при крутизне 2600 микросименс, rp получается 20 делить на 0,0026, около 7690 Ом, что совпадает с паспортными 7,7 килоома. Иными словами, высокое мю 6Н9С получено не бесплатно, а прямой ценой роста внутреннего сопротивления почти в шесть раз относительно 6Н8С. Именно это внутреннее сопротивление и определяет, насколько бодро лампа способна раскачать ёмкостную нагрузку на высоких частотах.
Кабель и любая ёмкостная нагрузка превращают выходное сопротивление каскада в фильтр верхних частот
Любой экранированный кабель, будь то межблочный провод предусилителя или длинная линия к следующему прибору, обладает погонной ёмкостью между центральной жилой и оплёткой, обычно от 80 до 150 пикофарад на метр в зависимости от конструкции и диэлектрика. С точки зрения переменного тока эта ёмкость ведёт себя как резистор, сопротивление которого падает с ростом частоты, и вместе с выходным сопротивлением лампового каскада образует классический RC фильтр низких частот. Частота среза по уровню минус три децибела считается по формуле f = 1 / (2 x пи x R x C), где R это выходное сопротивление источника сигнала, а C суммарная ёмкость нагрузки. Выходное сопротивление резистивного каскада на триоде не равно паспортному rp напрямую, а считается как параллельное соединение rp и анодного резистора нагрузки RL, поскольку с точки зрения переменного тока источник питания заземлён через блокировочный конденсатор фильтра и оба сопротивления оказываются включены параллельно относительно выхода. Для 6Н9С типичный анодный резистор берут в диапазоне 100 150 килоом, чтобы не слишком сильно проседало усиление, и при RL 100 килоом выходное сопротивление составит 44000 умножить на 100000 и разделить на сумму 144000, что даёт около 30600 Ом. Для 6Н8С анодный резистор обычно берут ниже, порядка 15 30 килоом, поскольку внутреннее сопротивление и без того невелико, и при RL 20 килоом получаем 7700 умножить на 20000 разделить на 27700, около 5560 Ом. Разница между 30,6 и 5,6 килоома и есть та самая пропасть, которая определяет поведение каскадов на реальном кабеле.
Расчёт среза частоты на одинаковом кабеле показывает разницу в разы между лампами
Возьмём для примера типичный межблочный кабель длиной полтора метра с погонной ёмкостью 100 пикофарад на метр, что даёт суммарную ёмкость нагрузки около 150 пикофарад, к этому обычно добавляется входная ёмкость следующего каскада, ещё 10 20 пикофарад, округлим итоговую ёмкость до 170 пикофарад. Эта оценка в 10 20 пикофарад справедлива, если кабель приходит на пентод, катодный повторитель или транзисторный буфер с малой входной ёмкостью. Если же на другом конце тот же резистивный каскад на триоде с общим катодом, входная ёмкость резко вырастает за счёт эффекта Миллера: проходная ёмкость сетка анод умножается на единицу плюс коэффициент усиления следующего каскада и складывается с обычной ёмкостью сетка катод, по формуле Cвх = Сgk + Сga x (K + 1). У 6Н9С проходная ёмкость около 2,8 пикофарада, и при усилении следующего каскада около 45 входная ёмкость составит приблизительно 3 плюс 2,8 умножить на 46, около 131 пикофарада. У 6Н8С при усилении около 14 получается порядка 60 пикофарад. Иначе говоря, реальная ёмкость на конце кабеля способна оказаться не 170, а 280 300 пикофарад, если следующий каскад тоже собран на триоде с приличным усилением, и тогда для 6Н9С частота среза сдвигается не к 30, а ближе к 18 20 килогерцам, то есть завал по верху становится слышимым ещё раньше формального расчёта с одной только ёмкостью кабеля. Для каскада на 6Н9С с выходным сопротивлением 30,6 килоома частота среза составит 1 делить на произведение 2, пи, 30600 и 170 умножить на 10 в минус двенадцатой степени фарад, что после подсчёта даёт примерно 30,6 килогерца. Цифра на первый взгляд выглядит безопасной, поскольку превышает границу слышимого диапазона, однако реальный завал начинается заметно раньше формальной точки минус три децибела, уже на 5 8 килогерцах появляется заметное на слух ослабление верхней середины и начала верхних частот, а к 15 20 килогерцам сигнал теряет заметную долю энергии. Для каскада на 6Н8С с выходным сопротивлением 5,56 килоома та же ёмкость 170 пикофарад даёт частоту среза около 168 килогерц, то есть почти в шесть раз выше, а значит в пределах всего слышимого диапазона до 20 килогерц никакого заметного завала попросту не возникает. Разница в шесть раз между внутренними сопротивлениями превращается в шестикратную разницу частот среза, поскольку в формуле RC сопротивление стоит в первой степени, и это уже не абстрактная лабораторная величина, а вполне ощутимая на слух и на приборе картина частотной характеристики.
Удлинение кабеля резко сдвигает проблему высокого мю в слышимый диапазон
Проблема нарастает нелинейно относительно длины провода, поскольку ёмкость растёт пропорционально длине, а частота среза обратно пропорциональна и сопротивлению, и ёмкости одновременно. Если тот же каскад на 6Н9С нагрузить не на полтора, а на пять метров кабеля с той же погонной ёмкостью 100 пикофарад на метр, суммарная ёмкость вырастет примерно до 520 пикофарад вместе с входной ёмкостью приёмника, и частота среза упадёт до 1 делить на 2, пи, 30600, 520 умножить на 10 в минус двенадцатой степени, что даёт около 10 килогерц. На такой частоте завал уже не спрятать, он слышен как явное притупление тарелок и верхних гармоник струнных инструментов. Каскад на 6Н8С при том же пятиметровом кабеле получит частоту среза около 55 килогерц, что по прежнему далеко за пределами слышимого диапазона и не влияет на субъективное восприятие звука. Отдельно стоит учитывать, что параллельно основному кабелю нередко подключается ещё и входная цепь коммутатора или разъёмная колодка, которая добавляет паразитную ёмкость монтажа, обычно от 5 до 15 пикофарад, и в сумме с длинным проводом это довершает картину именно для высокоомных источников сигнала.
Три способа снять зависимость каскада от внутреннего сопротивления лампы
Радиолюбители, столкнувшиеся с завалом верха при использовании 6Н9С на длинной линии, обычно решают задачу одним из следующих способов:
- добавить катодный повторитель на выходе усилительного каскада, поскольку выходное сопротивление повторителя приближённо равно единице делить на крутизну лампы и почти не зависит от анодного резистора нагрузки предыдущего звена;
- снизить сопротивление анодной нагрузки резистивного каскада ценой части усиления, что уменьшает параллельное сопротивление rp и RL и напрямую отодвигает частоту среза вверх;
- заменить одиночный триод на параллельное включение двух половин лампы, что снижает эффективное внутреннее сопротивление вдвое и повышает суммарную крутизну без потери мю.
Первый способ на практике даёт наибольший выигрыш. Для катодного повторителя на 6Н8С с крутизной 2600 микросименс выходное сопротивление приближённо составит 1 делить на 0,0026, около 385 Ом, и даже с пятиметровым кабелем и его 520 пикофарадами частота среза приблизится к отметке 795 килогерц, то есть полностью выйдет из зоны внимания. Для повторителя на 6Н9С с крутизной 1600 микросименс выходное сопротивление составит около 625 Ом, и та же нагрузка даст частоту среза около 490 килогерц, тоже с огромным запасом. Получается интересный вывод: сама по себе высокая крутизна триода, а не мю, определяет способность лампы раскачивать ёмкостную нагрузку в режиме повторителя, а разница между 6Н9С и 6Н8С в этом включении сокращается всего до полутора раз вместо шестикратной в обычном резистивном каскаде.
Когда высокое мю всё равно оправдано несмотря на слабость к ёмкостной нагрузке
Отказываться от 6Н9С только из за чувствительности к длинным линиям было бы поспешным решением. В фонокорректорах, где нужен большой запас усиления на одном каскаде для сигнала звукоснимателя в единицы милливольт, высокое мю сокращает число каскадов усиления и вместе с ним число источников собственного шума и искажений тракта. В таких узлах кабель между самим каскадом на 6Н9С и следующим звеном обычно короткий, единицы сантиметров внутри одного корпуса, паразитная ёмкость минимальна, и весь потенциал завала остаётся чисто теоретическим. Похожая ситуация в микрофонных предусилителях с высоким требуемым коэффициентом усиления и коротким внутренним монтажом. Проблема реально проявляется именно там, где сигнал с высокоомного выхода нужно передать на расстояние, будь то отдельный блок эквалайзера, разнесённые по корпусу узлы или межблочная коммутация с разъёмами и переключателями. В таких узлах разумнее либо выбрать 6Н8С сразу, либо оставить 6Н9С для получения нужного усиления, но развязать её от кабеля буферным катодным повторителем на второй половине той же лампы или на отдельном триоде с высокой крутизной. Такое решение сохраняет выигрыш в усилении и снимает ограничение по частоте среза, а разница в паспортных параметрах превращается из недостатка в особенность, которую достаточно один раз просчитать на этапе проектирования схемы, чтобы больше к ней не возвращаться.
В старой студийной и измерительной аппаратуре решение этой задачи можно увидеть наглядно: в многих советских микшерных пультах и магнитофонах входные каскады с высоким усилением на 6Н9С почти всегда стоят рядом с источником сигнала, а между блоками сигнал уже передаётся через отдельный выходной каскад пониженного сопротивления, часто именно на второй половине той же лампы, включённой повторителем. Такой же приём применяли в измерительных генераторах и ламповых вольтметрах, где высокоомный вход требовал большого усиления на входе прибора, а выход на разъём для подключения кабеля к внешнему регистратору всегда буферизировался отдельным каскадом. Разработчики той эпохи не считали формулу mu = gm x rp абстрактной теорией, а закладывали её прямо в топологию платы, разнося высокоомные и низкоомные участки схемы по разным сторонам корпуса и сознательно сокращая длину проводников именно там, где стояла лампа с высоким мю. Этот же принцип работает и сегодня при повторении подобных схем на макетной плате: чем выше паспортное мю выбранной лампы, тем короче должен быть путь сигнала до следующего каскада, и тем внимательнее стоит отнестись к любому лишнему сантиметру кабеля или проводника на плате.