Тихий сигнал с борозды - почему каскод 6С51Н + КП903 побеждает шум на входе MC-фонокорректора

MC-головка звукоснимателя - один из самых строгих экзаменаторов для любого усилительного каскада. Она выдаёт от 0,2 до 0,5 мВ на выходе, её внутреннее сопротивление катушки лежит в диапазоне от 3 до 40 Ом, и весь этот сигнал нужно поднять до уровня, пригодного для дальнейшей обработки, ничего при этом не добавив от себя. Собственный шум первого каскада усиления в такой ситуации либо остаётся за горизонтом слышимости, либо выходит на авансцену и портирует всё. Третьего не дано.

Именно поэтому схема каскода на нувисторе 6С51Н и полевом транзисторе КП903 - не просто любопытное сочетание компонентов из разных эпох, а осмысленный инженерный ответ на конкретный вопрос: как получить минимальный шум на входе с источником, у которого сопротивление измеряется единицами ом, а напряжение - микровольтами?

Почему MC-головка требует особого обращения на входном каскаде

Магнитный звукосниматель типа Moving Coil устроен иначе, чем привычный Moving Magnet. Вместо тяжёлого магнита, закреплённого на кантилевере, здесь движется катушка с минимальным числом витков. Меньше витков - меньше индуктивность, меньше паразитная ёмкость, ниже подвижная масса. За это платят уровнем выходного напряжения: там, где MM-головка выдаёт 3-5 мВ, MC-головка генерирует 0,2-0,5 мВ, а у некоторых конструкций и того меньше.

Внутреннее сопротивление катушки такой головки - от 3 до 40 Ом у разных моделей. Это принципиальный факт для расчёта шума первого каскада. Тепловой шум резистора описывается формулой Найквиста, и при сопротивлении источника в 5-10 Ом напряжение теплового шума в полосе 20 кГц составляет порядка 0,5-1 нВ/√Гц. Первый каскад усиления обязан иметь собственный шум ниже этого предела, иначе он не усиливает сигнал - он усиливает шум вместе с ним, причём шум своего собственного производства.

Биполярные транзисторы с низким шумовым напряжением - BF862, 2SC1815 и их аналоги - хорошо работают в этом применении при оптимальном токе. Но у них есть шумовой ток: ток базы создаёт дополнительную шумовую составляющую при взаимодействии с сопротивлением источника. JFET-транзисторы лишены этого: ток затвора у них практически равен нулю, шумовой ток пренебрежимо мал, и при согласовании с источником низкого сопротивления они ведут себя образцово. КП903 именно такой прибор.

Нувистор 6С51Н - лампа, которую не ждали в аудиосхемах

Нувистор - сверхминиатюрная металлокерамическая лампа, разработанная RCA в 1959 году для авиакосмической и военной техники. Советский аналог 6С51Н - триод в корпусе массой 3 г, высотой 45 мм и диаметром 11 мм. Конструкция лишена слюдяных изоляторов: электроды крепятся консольно на керамическом диске внутри герметичного металлического корпуса.

Паспортные данные 6С51Н-В: напряжение накала 6,3 В при токе 130 мА, анодное напряжение 80 В, анодный ток 9,5 мА, крутизна характеристики 10 мА/В, коэффициент усиления 32. Катод оксидный косвенного накала, минимальная наработка - 5000 часов. Для схем предусиления принципиально то, что нувисторы демонстрируют сниженный микрофонный эффект по сравнению с обычными стеклянными лампами - следствие жёсткой конструкции, где электроды не имеют длинных свободных выводов.

В профессиональной аппаратуре нувисторы применялись во входных каскадах микрофонных усилителей - в том числе в Telefunken U47M - и в катушечных магнитофонах Ampex MR-70. Для первого каскада MC-фонокорректора 6С51Н привлекательна по двум причинам: высокая крутизна при низком анодном токе и устойчивость к вибрации проигрывателя.

Каскодное включение - почему именно эта топология

Каскод - схема из двух активных элементов, где первый включён по схеме с общим катодом (или общим истоком), а второй - с общей сеткой (или общим затвором). Первый элемент принимает сигнал и управляет током, второй - изолирует выход от входа и подавляет эффект Миллера.

Эффект Миллера - это умножение проходной ёмкости первого каскада на его коэффициент усиления по напряжению. В схеме с общим катодом проходная ёмкость сетка-анод умножается на (1 + Ku), где Ku - коэффициент усиления. У 6С51Н ёмкость сетка-анод составляет единицы пФ, но при коэффициенте усиления 20-30 она может стать несколькими десятками пФ - достаточно, чтобы нагрузить катушку головки и исказить АЧХ на верхних частотах. Каскодное включение решает эту проблему радикально: второй элемент удерживает напряжение на аноде первого элемента постоянным, сводя эффект Миллера к минимуму.

В паре 6С51Н + КП903 нувистор занимает нижнюю позицию каскода и включается по схеме с общим катодом. Полевой транзистор КП903 - верхнюю, по схеме с общим затвором. Сигнал подаётся на сетку нувистора, а выходной ток снимается со стока КП903. Такое сочетание объединяет низкий шум нувистора на входе с превосходной линейностью и малой входной ёмкостью КП903 в верхнем плече.

Характеристики КП903 и почему он уместен в верхнем плече каскода

КП903 - кремниевый эпитаксиально-планарный полевой транзистор с n-каналом и затвором в виде обратно смещённого p-n-перехода. Выпускается в металлокерамическом корпусе КТ-4-2. Максимальная рассеиваемая мощность с теплоотводом - 6 Вт, рабочий диапазон частот - до 30 МГц. Напряжение отсечки в зависимости от буквенного индекса: 5-7 В для КП903А, 1-6 В для КП903Б.

В верхнем плече каскода КП903 работает с постоянным напряжением на затворе - сигнальная составляющая сюда не попадает. Изменение напряжения сток-исток у нижнего элемента (нувистора) подавляется: КП903 видит изменение тока, а не напряжения. Именно это свойство каскода и используется - напряжение на аноде нувистора остаётся практически постоянным, и проходная ёмкость триода не умножается на усиление.

Немаловажно и то, что КП903 в каскодном включении с заземлённым по переменному току затвором обеспечивает высокое выходное сопротивление. Это позволяет получить высокий коэффициент усиления при использовании резистивной нагрузки или источника тока в цепи стока.

Расчёт рабочей точки и практические параметры схемы

Для MC-входа с внутренним сопротивлением головки 5-20 Ом нувистор 6С51Н смещают в рабочую точку с анодным током 4-7 мА - область оптимальной крутизны при умеренном токе накала. Напряжение на аноде нувистора задаётся напряжением на истоке КП903, которое определяется резистором в цепи истока или стабилизатором на затворе верхнего транзистора.

Суммарное напряжение питания - порядка 80-120 В: 40-50 В на нувисторе, остальное на КП903. Нагрузкой в цепи стока служит резистор 10-22 кОм или источник тока на дополнительном полевом транзисторе. Второй вариант даёт более высокий коэффициент усиления и лучшее подавление пульсаций питания.

Входное сопротивление схемы задаётся нагрузочным резистором на сетке нувистора. Для MC-головок с внутренним сопротивлением 3-40 Ом рекомендованное нагрузочное сопротивление составляет от 20 до нескольких сотен Ом - в 10-20 раз больше внутреннего сопротивления катушки. Это условие правильного демпфирования: слишком высокое сопротивление оставляет катушку без гашения резонанса, слишком низкое - забирает часть сигнала.

Шумовой пол и ожидаемые параметры

Для MC-головки с выходом 0,3 мВ и внутренним сопротивлением 10 Ом тепловой шум источника в полосе 20 кГц составляет около 58 нВ. Каскад с эквивалентным шумовым напряжением на уровне 1-2 нВ/√Гц даст отношение сигнал/шум около 60-65 дБ до коррекции RIAA - и выше 75 дБ после неё, поскольку коррекция поднимает уровень низкочастотных составляющих, где сосредоточена основная музыкальная информация.

Нувистор 6С51Н при токе около 5 мА обеспечивает крутизну порядка 10 мА/В - достаточно, чтобы подавить собственный шум на уровне, конкурентоспособном с лучшими биполярными схемами. Преимущество перед обычным ламповым предусилителем без каскода - отсутствие эффекта Миллера и существенно более широкая полоса, что критично для точной передачи высокочастотных составляющих при коррекции RIAA.

Каскод как интерфейс между двумя мирами электроники

В паре 6С51Н + КП903 встречаются две технологии с разными сильными сторонами. Нувистор на входе - физически стабильный вакуумный прибор с нулевым током сетки, нечувствительный к статическому электричеству. КП903 в верхнем плече - мощный JFET с хорошим выходным сопротивлением, способный работать при напряжениях, нетипичных для маломощных сигнальных транзисторов. Вместе они образуют каскод, где каждый делает то, для чего создан.

Такой подход не требует трансформаторного согласования - дорогостоящего и чувствительного к внешним полям элемента, традиционно ставившегося между MC-головкой и фонокорректором. Правильно реализованный активный каскод на 6С51Н и КП903 предлагает сравнимый шумовой пол при полной управляемости параметров согласования - и без ограничений на полосу пропускания, свойственных трансформатору.