Высокое выходное сопротивление 6Н9С режет полосу KT88 - как эффект Миллера убивает верхний диапазон ещё до выходного трансформатора

Когда ламповый усилитель на KT88 звучит тускло в верхнем диапазоне, первым делом грешат на выходной трансформатор. Дорогой трансформатор меняют на ещё более дорогой - картина улучшается едва заметно. Тогда под подозрение попадает межкаскадный конденсатор. Его тоже меняют. Результат снова разочаровывает. А причина всё это время сидит там же, где и была - в драйвере. Точнее, в его выходном сопротивлении, которое вместе с входной ёмкостью KT88 строит фильтр нижних частот прямо перед управляющей сеткой выходной лампы.

6Н9С - двойной триод с внутренним сопротивлением 44 кОм и коэффициентом усиления 70. Для предварительного каскада с высокоомной нагрузкой эти цифры прекрасны. Для раскачки KT88 они катастрофичны - и вот почему.

Что такое ёмкость Миллера и откуда она берётся в пентоде

Эффект Миллера описал Джон Милтон Миллер в 1919 году, работая именно с вакуумными триодами. Суть явления проста: проходная ёмкость между сеткой и анодом в инвертирующем усилительном каскаде не остаётся сама по себе. Она умножается на коэффициент усиления каскада плюс единица. Если проходная ёмкость лампы составляет 5 пФ, а каскад усиливает в 20 раз, то входная цепь видит не 5 пФ, а 105 пФ. К этому добавляется ёмкость сетка-катод, и суммарная входная ёмкость каскада оказывается значительно выше, чем следует из паспортных данных на межэлектродные ёмкости.

Для пентода в пентодном режиме это работает иначе: экранная сетка G2 экранирует управляющую сетку от анода, проходная ёмкость сетка-анод не превышает 1-2 пФ, и эффект Миллера практически не проявляется. Именно для этого экранная сетка и была введена в конструкцию лампы. Суммарная входная ёмкость KT88 в пентодном режиме - около 16,5-17 пФ, это ёмкость сетка-катод плюс ничтожная проходная.

Но как только KT88 переводится в триодное включение - экранная сетка соединяется с анодом - картина меняется кардинально. Теперь G2 становится частью анодной цепи и свободно качается вместе с анодным напряжением. Ёмкость между G1 и G2 (у KT88 это около 7,9 пФ по данным GEC) умножается на коэффициент усиления триодного режима - порядка 8. Добавляется ёмкость сетка-катод. Суммарная входная ёмкость KT88 в триодном режиме вырастает до 80-100 пФ и выше - в пять-шесть раз больше, чем в пентодном. Ультралинейный режим при отводе 43% даёт промежуточное значение, зависящее от коэффициента усиления на частоте измерения.

Выходное сопротивление драйвера - второй сомножитель в формуле катастрофы

Входная ёмкость выходной лампы и выходное сопротивление драйверного каскада образуют RC-фильтр нижних частот с частотой среза, определяемой формулой f = 1 / (2π × R × C). Это не теоретическое ограничение - это физический фильтр, который стоит между усиленным сигналом драйвера и управляющей сеткой выходной лампы. Всё, что выше частоты среза этого фильтра, приходит на сетку с нарастающим завалом: -6 дБ на октаву.

6Н9С работает в типичном каскаде с общим катодом. Крутизна лампы - 1,6 мА/В, внутреннее сопротивление - 44 кОм. Выходное сопротивление каскада определяется параллельным включением анодного резистора и внутреннего сопротивления лампы. Анодный резистор в каскаде предусиления на 6Н9С обычно составляет 100-250 кОм - иначе теряется усиление. При анодном резисторе 100 кОм и внутреннем сопротивлении 44 кОм выходное сопротивление каскада составит около 31 кОм. При резисторе 250 кОм - порядка 37 кОм.

Теперь подставим в формулу. KT88 в триодном режиме с суммарной входной ёмкостью 90 пФ и драйвер с выходным сопротивлением 33 кОм дают частоту среза: f = 1 / (2π × 33 000 × 90 × 10⁻¹²) = 53 700 Гц. Это звучит обнадёживающе - 53 кГц, казалось бы, далеко за пределами звукового диапазона. Но к этой картине обязательно добавляется межкаскадный резистор утечки сетки - обычно 100-220 кОм для KT88 в безопасных для катода пределах. Он включается параллельно входной ёмкости, и реальное сопротивление, нагружающее выходную цепь драйвера, оказывается параллельным сочетанием выходного сопротивления 33 кОм и резистора утечки 100 кОм. Это даёт около 25 кОм. При добавлении сопротивления монтажных проводов и межкаскадного конденсатора с его последовательным сопротивлением ситуация дополнительно ухудшается.

Ультралинейный режим при 43% отводе - входная ёмкость примерно 40-50 пФ - даёт частоту среза порядка 130-160 кГц. Уже лучше, но запас по фазе при петлевом усилении с глубокой общей ООС становится критичным именно в районе 100-200 кГц, и фаза начинает уходить раньше, чем кажется по положению -3 дБ точки.

Почему 6Н9С особенно неудачна - конкретные цифры и сравнение

6Н9С - аналог 6SL7GT, лампа с высоким коэффициентом усиления и высоким внутренним сопротивлением. Обратная сторона этих достоинств - плохая способность разряжать ёмкостную нагрузку. Ток анода в типичной рабочей точке составляет около 2-3 мА. Этого катастрофически мало для перезаряда входной ёмкости KT88 на высоких частотах.

Сравним с более подходящими альтернативами. Лампа 6Н8С (аналог 6SN7) имеет внутреннее сопротивление около 7-8 кОм при крутизне 2,6 мА/В и коэффициенте усиления 20. Меньшее усиление, зато выходное сопротивление типичного каскада - 7-10 кОм, что даёт частоту среза в четыре-пять раз выше, чем при 6Н9С. Анодный ток 9-10 мА позволяет увереннее управлять ёмкостной нагрузкой. Лампа 6Н6П с внутренним сопротивлением около 2,6 кОм и анодным током 30-50 мА в режиме катодного повторителя даёт выходное сопротивление менее 100 Ом - и вопрос о полосе пропускания снимается полностью.

ЕСС99 или 5687 - двойные триоды с низким внутренним сопротивлением и высоким анодным током - способны раскачать KT88 в любом режиме без каких-либо потерь в полосе. EC86 (советский аналог 6Э1П) в каскадном включении снижает эффект Миллера самого драйвера и даёт выходное сопротивление нескольких единиц кОм при сохранении разумного тока.

Расчёт: где именно начинается завал и как его измерить

Практический способ проверить полосу пропускания каскада драйвер-выходная лампа - измерить выходное сопротивление драйвера, входную ёмкость выходной лампы (или взять из даташита с учётом режима работы), и рассчитать частоту среза по формуле. Затем - измерить реальную АЧХ усилителя с разомкнутой общей ООС, при наличии. Точка -3 дБ на верхних частотах без ООС покажет реальную полосу открытой петли. Если она ниже 50-80 кГц - стабильность при замыкании ООС с глубиной более 10-12 дБ оказывается под вопросом.

Для KT88 в пентодном режиме с входной ёмкостью 17 пФ и драйвером с выходным сопротивлением 33 кОм частота среза составит около 285 кГц - вполне достаточно. В ультралинейном режиме (40-43% отвод) - примерно 130-160 кГц при тех же условиях. В триодном режиме - 53-70 кГц, что уже создаёт проблемы при использовании ООС. Добавление стопового резистора 1-2 кОм в цепи сетки KT88, необходимого для подавления паразитных колебаний, ещё больше сужает полосу - этот резистор суммируется с выходным сопротивлением драйвера.

Три пути решения - какой и когда оправдан

Первый путь - заменить 6Н9С на лампу с низким внутренним сопротивлением. 6Н8С даёт немедленный результат при сохранении топологии каскада: выходное сопротивление падает в три-четыре раза, полоса пропускания расширяется. Плата - потеря части усиления, которое нужно компенсировать дополнительным каскадом или переходом к более чувствительному входному каскаду.

Второй путь - добавить катодный повторитель между драйвером и выходной лампой. 6Н6П в режиме катодного повторителя даёт выходное сопротивление около 60-80 Ом, полосу - в пределы сотен килогерц. Минус - дополнительная лампа, дополнительное питание, дополнительная фазовая задержка в петле ООС.

Третий путь - снизить выходное сопротивление существующего каскода на 6Н9С, зашунтировав нагрузочный резистор источником тока или применив каскодное включение. Каскодный усилитель на паре 6Н9С (нижний триод в режиме с общим катодом, верхний - с общей сеткой) снижает эффект Миллера самого драйвера и немного улучшает выходное сопротивление. Но кардинально проблему это не решает - внутреннее сопротивление нижнего триода никуда не исчезает.

Высокое усиление 6Н9С - семьдесят у одного триода - соблазнительно. Один каскад, и уже достаточно напряжения для полного отклонения KT88. Но за это усиление приходится платить дважды: высоким выходным сопротивлением, которое давит полосу, и низким анодным током, который не успевает перезарядить входную ёмкость выходной лампы. Хорошие драйверы для KT88 не бывают высокоомными.