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主题:[分享]有关P-G 反馈及超三极管接法的考察 本主题第935个浏览者  (总共1页) 1

 大卫
 

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[分享]有关P-G 反馈及超三极管接法的考察

副题:有关P-G NFB 的应用、STC工作原理及其解说方法的考察

宇多 弘

目录
1 开场白;本文的目的与课题
2 各种功率级的驱动电路方式与 P-G NFB 应用例
3 基本的功率级电路
4 并用了NFB 的功率级电路分析
5 STC V1 电路的要点
________________________________________

1 开场白;本文的目的与课题

 有关STC线路的版本1(以下称STC V1)的动作及解说等等,将在「STC V1 线路的工作原理概说」(概说)及「基于STC方式的放大器制作法考察」(考察)这两篇文章中进行讨论,但有关STC与其他线路之间的横向关系,这两篇文章都没有作出阐述。

 本文的初版中,仅对P-G NFB 与STC V1 的关系作了集中的定性分析,但在这次的改订中,因为将涉及到一些除V1之外的STC各Vn(版本)及其他类似的线路,出于有必要从更广阔的视角对类似的相关线路进行讨论这一考虑,故要讨论的内容如下:

(1) 从笔者的角度对STC V1进行定义
(2) 对STC与STC相关的或类似的若干种线路方式之间的类同点及不同点进行整理 

首先对命名进行整理

 基于STC的发端者上条氏的命名和分类,据称有若干种类的STC线路存在,其总称为STC线路,其英文名为Super Triode Connection circuit。

 实际上,为了叙说的方便,STC V1线路分为用于进行工作原理解说的工作原理线路及用于实际制作的实用线路这两种,作为其变形,又有一些派生线路。笔者将工作原理线路命名为原型线路。

(1)线路形式名称:P-G NFB 并用 阴极跟随驱动线路
         →{英} P-G NFB jointed cathode follower driven circuit
   STC分类名称:准 STC V1 线路  →{英} Semi-STC V1 circuit
      ---为了说明上的方便,又称为(STC V1) 原形线路。 →{英} Original circuit
      ---理解此命名后,对(2)的理解将大为轻松。此线路已实用化。
      ---在上条氏的解说中没有出现,因此冠以「准」字。

(2)线路形式名称:P-G NFB 并用 倒置μ 跟随・驱动线路
         →{英} P-G NFB jointed inverted Mu follower driven circuit
   STC分类名称:纯 STC V1 线路  →{英} (Pure-) STC V1 circuit
      ---在上条氏的解说中最初出现,因此冠以「纯」字。

(2.1)其涵盖的线路及其名称(1) (STC V1) 工作原理线路  
     →{英} Theoretical (STC V1) circuit
      ---在理解下述(2.2)的实用线路之前,需要首先理解的中间线路。

(2.2)其涵盖的线路及其名称(2) (STC V1) 实用线路  
     →{英} Practical (STC V1) circuit
      ---性价比高,已大量应用于制作的线路。

对线路动作进行说明的步骤

  考虑到对线路动作的说明步骤,首先请看下图「STC线路的系谱」,此图对STC各线路的命名法及其由来作出了整理。从图中可见,笔者试图直接从最难理解也最艰深的实用线路着手进行线路的解说。难而实际上,若非严密地依从下图一步一步跟进,最终奢谈对实用线路的完全理解,还为时尚早。


*此帖被版主大卫修改于2007年02月14日 11:25



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 大卫
 

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 通过对准STC V1线路=原型线路的试制及动作确认,并对说明方法进行摸索和整理后的结果,便是下述“说明~理解的步骤”。

(1) 首先要理解作为原型线路的准STC V1的基本动作。
(2) 在考虑与原型线路之间的关联性的同时,下一步便是对纯STC V1线路及其动作原理的理解。
(3) 其次是对原理更为复杂,同时其线路也更适合于制作的实用线路的理解。

1.4 其他相类似的线路

 尚存在准STC V1线路与纯STC V1线路,以及其他各种STC Vn线路,田村所提倡的「差动NFB 式深度NF线路」,江口所提倡的「阴极跟随方式(深度)NF线路」,田中的「tamarindon」及其变种的野?紊煲簧杓频摹?-NFB线路」等等・・・

 除了上述中的一部分为例外,这些线路都具有低内部阻抗这一共有特性,其线路方式及重放的声音虽有若干的差异,但都有其共通的特点。作为其差异,表现在各个不同的NFB方式,NFB量,以及基于不同NFB的电压增益的压缩程度,并且还与线性器件及恒流源的兼用等线路的个性有关。在这样复杂的情况下,为了避免与类似线路相混淆,有必要事先对STC V1线路的特征进行明确化。

1.5 其他相关用语的定义

 对一般真空管线路及有关教科书中所没有出现的STC (V1)固有的用语进行补充完善。对这些用语的提前领会将有助于对整体的理解。

●电压反馈管:

  基于线路原设计者上条氏的命名,从功率管屏极施加P-G NFB的三极管。
  (1) 将P-G NFB并用阴极跟随驱动级的三极管的屏极与功率管屏极相连接
  (2) 将P-G NFB并用SRPP驱动级的三极管的屏极与功率管的屏极相连接
  (3) 将P-G NFB并用倒立μ跟随驱动级的三极管的屏极与功率级的屏极相连接

  上述全部皆属于电压反馈动作方式。但是,在(3)的场合,还伴随着电压放大动作。

●STC效果:

  笔者的命名。在STC (V1)或类似线路结构下,通过采用NFB,功率管从通常的功率放大状态发生变质,其电压成分受到抑制,同时其电流成分得到强调。
  其结果便是,推动喇叭时可得到STC (V1)所固有的富于个性的音质。将此结果称为STC效果。 

1.6 注意事项

 在以下的线路动作说明中,将线路动作所必要的直流电压分配,自给偏压用的电阻及电源等一切都加以省略,而仅以直交关系来进行表述,这并非业界的标准做法,理解时要相应地注意。

 详细说明请参阅<STC放大器的实际制作考察>一文的“构成和动作原理”(前半部分),以及“实际制作例和调整方法”(后半部分)。

2 各种功率级的驱动线路方式及P-G NFB的应用例

 下表对各种线路的NO-NFB(裸线路)及其采用P-G NFB时的用途、应用及动作等的概要进行了对照。后述「3基本线路」及「4 NFB并用线路的分析」中将分别对表中各项进行分析。

注释:

☆:串叠放大器、阴极结合相位反转的下半部分、高频线性放大器等。
○:直线放大器等,传统线路中有五管超低频段radio的简易P-G NFB等。
◆:阴极跟随驱动级与功率管屏极之间采用直交P-G NFB。
  STC V1实用线路的变形线路,推动级没有增益的线路。
◎P-G NFB 并用五极管~三极管SRPP驱动线路,电压反馈管的内部阻抗十分之低,若输入级工作于恒流源之下,则与P-G NFB并用倒立μ跟随驱动线路相当,属同一线路。





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 大卫
 

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3 基本功率级线路

 在对P-G NFB 并用各线路进行定性分析之前,让我们先对基本的三种功率级线路做一个考察。
________________________________________

3.1 阴极接地线路/栅级接地线路

 阴极接地线路 (grounded cathode circuit) 及栅级接地线路 (grounded grid circuit)的各“裸线路”(without NFB application)中,功率管的内部阻抗及负载阻抗是不受任何控制的,此时的线路可说是属于完全反映了管子本身特性的线路。对内阻及负载电阻实现某种控制时,我们便必须用到NFB。

 请参考「图1a 阴极接地/栅级接地线路」。




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 大卫
 

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3.2 阴极跟随线路

 阴极跟随线路(cathode follower circuit)又名屏极接地线路(grounded plate circuit),属于传统的P-G间输入线路,其输入信号的施加对象也包括了功率管内阻在内。此线路的特征如下。

 ●施加的NFB量为μ+1
 ●增益为A=μ/(μ+1):=:1、
 ●内部阻抗为Rp=1/Gm 

此线路原本就包含有可使内部阻抗降低的NFB。

 将裸的阴极跟随线路略施变形,在栅级~屏极间输入信号,便成为实现了阴极跟随动作的下图线路(图1b)。在此,输入信号可以是信号源本身,也可以是成为信号源负载的被动元件(实际上用电阻最为方便…)。

 并且,我们还可以从功率级的屏极向前一级的屏极直接施加P-G NFB,使前一级负载电阻的B电源与功率级的屏极共用,以实现?湫蔚囊跫??嫦呗贰2还??⒎侨魏吻榭鱿露伎梢哉庋?觯?杂诖耍??蠼??鸺啊

 此外,从特征意义上来说,阴极跟随线路与积极地降低了其内部阻抗的线路毫无二致。




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 libin_hf
 

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大卫兄,多谢了!等待下文...




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4 并用NFB的功率级线路的分析

 对驱动音频放大器功率级(输出级)的各线路形式的裸线路(NO-NFB线路)及并用了以P-G NFB为主的线路的动作进行分析。
________________________________________

4.1 与输出变压器相关的NFB并用线路

 请参考图2。 




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 大卫
 

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 作为参考,现对传统的与输出变压器有着密切关系的阴极接地线路Base的NFB 并用线路进行回顾。
 
传统的NFB线路方式基本上有如下几种:

 (1)从输出变压器次级或次次级(次级的有别于喇叭输出绕组的单独的反馈专用绕组)到输入级所施加的信号反馈,称为Overall NFB

 (2)从输出变压器次级或次次级到功率管阴极所施加的信号反馈,属于局部NFB的一种,称为Cathode NFB

 (3) 仅限于多极管的情况下,从输出变压器初级绕组的抽头或单独的绕组到第二栅级所施加的局部信号反馈,属于可以使内部电阻降低的一种局部NFB,称为Ultra linear线路

 (4)上述各反馈方法的组合使用

上述传统的负反馈应用当中,无论是哪一种反馈方式,在施加负反馈时,都对功率管的内部阻抗及其负载的阻抗不加区别对待---实际上无法进行区?e对待,而是一同不分彼此地施加NFB。

 因此,在这些传统NFB线路方式下,便不得不考虑到输出变压器的阻抗,而无法仅仅考虑功率级的内部阻抗并想办法进行降低,在这种困境之下,当然无法达到仅通过降低功率管的内部阻抗来压制输出阻抗的目的。
________________________________________

4.2 电阻负载两级线路及其P-G NFB并用线路

●线路概要

 请参考图3.1。

 电阻负载的两级直交线路并不常见,如著名的Loftin white线路。

●P-G间输入线路的采用理由

 请参考图3.2。

 若将前一级的负载电阻接在功率级的P-G之间,便等同于直接将前一级的输出信号施加在P-G间,成为P-G间输入线路的一种。


*此帖被版主大卫修改于2007年03月23日 21:40



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●NFB的线路构成

 将功率级的输出电压成分即NFB信号通过电阻负载与前一级内部电阻的电压分配来构成NFB线路。

 请参考图3.3。

 在这种情况下,仅仅是单纯地将功率级的输出电压成分利用电阻进行分压,进而构成P-G NFB。比如五灯收音机的低频电压放大级与功率级的屏极~屏极间跨接1MΩ大小的电阻等早期的做法,就相当于此P-G NFB。

 若对本线路施加较深的NFB,便不得不选用比栅漏电阻的阻值更小的电阻,因此会导致功率级输入阻抗的降低。同时,有必要在NFB电阻上串联一颗耦合电容,因此还要考虑到这里的频率截止点。NFB电阻将消耗掉输出功率的一部分,因此自然便产生将前一级的输出阻抗降低并加大其输出振幅的要求,对于这些条件,有时可用SRPP来满足。

 电阻分割式P-G NFB (驱动)方式常见于NF型模拟均衡器线路、NF型音调控制线路及线性放大器等传统的电压放大线路中。它和阴极跟随线路在形态上比较类似,但要注意的是,因分割电阻??的比率关系而使得G-K间的信号输入摆幅远大于P-G间的输入信号幅度时,整个线路将脱离P-G间输入工作方式,而转变为倾向于G-K输入的动作。

●线路的名称

 电阻分割式P-G NFB回路的英文名为「resistor distributed P-G NFB driven circuit」。
 
________________________________________

4.3 阻抗阴极跟随驱动线路及其P-G NFB并用线路

●线路的概要

 极为有名的阴极跟随驱动线路的工作原理的相关解说文章到处都有,在此则加以省略。

●P-G NFB的并用

 请参考图4.1。




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 大卫
 

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 将三极管阴极跟随器的屏极与功率级的屏极相连,使B电源和NFB信号同时提供给阴极跟随器,在这样的P-G NFB方式下,它将呈现与电阻分割P-G NFB 线路相类似的动作,其结果是取得了相当的STC效果。

 线路的工作原理在之后进行说明。很明显地,这种接法等于是将NFB信号的分割电阻用阴极跟随驱动管的内部电阻及插入阴极的(恒流源或)负载电阻来替换。

 来自阴极跟随器前一级的输出电压从阴极跟随器的栅级输入,且允许较高的输出阻抗,不过,这样一来,在电阻分割式线路中所不存在的阴极跟随器的非线性屏极特性将有可能在NFB中得到反映。  

 在线路构成上,它等于是将STCV1线路的电压反馈管的放大功能去除之后的一种线路形式。因此,除了信号输入的方法不同以外,仅着眼于功率级的动作来看的话,与STCV1线路的动作完全相同。 

●P-G间的输入无法成立的场合

 一般地为了获得P-G NFB效果,在做法上有在阴极跟随器的负载电阻(阴极电阻)上串入恒流源,或使用高阻与负电源将低电位端向负电位拓展等手段。若负载阻抗(即阴极跟随器的阴极电阻)远大于阴极跟随器的内部阻抗,则使得G-K间的输入幅度大大超过P-G间的输入幅度,进而脱离P-G间的输入动作,向P-G间的输入倾斜。

●线路的名称

 当然应该称其为“P-G NFB并用阴极跟随器驱动回路”。英文名为「P-G NFB jointed cathode follower driven circuit」。 
________________________________________

4.4 SRPP 驱动线路及其P-G NFB并用线路

●线路概要

 对于SRPP驱动线路,只要它处于裸线路状态(无任何反馈)下进行动作,便与阴极接地线路等价,属于极为普通的大振幅驱动线路。对于裸线路的分析,在此则加以省略。一旦对裸线路加入P-G NFB,则其变形线路便可呈现出各种各样的动作。

●P-G NFB的线路构成

 将功率级的屏极与SRPP上管的屏极直接相连,便可向SRPP直接提供其动作所需的DC电压及NFB信号。自功率级的输出电压及NFB信号以一定的电压分配施加在由上管(电压反馈管)及下管(电压放大管)所构成的SRPP推动级上,由此构成NFB线路。

●作为P-G间输入线路来动作的场合

 一旦将SRPP的电压反馈管(上管)的屏极与功率管的屏极相连接,便等同于对功率级的P-G间进行信号输入,因此呈现出P-G间输入线路的效果。不过,这只适用于相同的三极管(比如双三极管)所构成的SRPP,其上下管的内部阻抗要求采用极为接近的近乎1:1的管子。 

 采用双三极管SRPP的场合,上管(电压反馈管)与下管(电压放大管)分别分担大约1/2的NFB信号电压,要施加更深的P-G NFB便不太可能,因此只能获得轻微的STC效果。

 在线路上,它相当于一个不完全的STC,我们并不将它列入STC V1线路的范畴。

●线路的名称・・・SRPP动作的场合

 线路名称为「P-G NFB并用SRPP驱动线路」,英文名称为「P-G NFB jointed SRPP driven circuit」,以便有别于STC V1线路,将它列为STC分类之外的相关线路。 

●作为非P-G间输入线路来动作的场合

 构成SRPP的管子为五极管和三极管的场合,基于五极管的负载及工作点的设定,五极管有呈现出恒流源特性的倾向,其内部阻抗将变得相当之高,导致变成上管(三极管=电压反馈管)的负载来进行动作,对于功率级来说,线路便脱离了P-G间的输入动作,变成G-K间输入动作了。将五极管用FET/BJT*来替代时,其结果也一样。 

 在并用了P-G NFB的「五极管+三极管」的SRPP驱动线路的场合,由于可将五极管与电压反馈管(三极管)的内部阻抗的比设定到10:1的程度为止,因此在这种情况下,几乎所有的NFB信号电压都变为由五极管来负担,可实现较深的NFB。

 请参考图4内容。




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 大卫
 

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 并且,此线路几乎与上条氏的「STC线路V1」相同,与后述的「4.5 倒置μ跟随器驱动线路及其P-G NFB并用线路」中所要说明的P-G NFB并用场合下的线路在动作上是同等的。

 此线路动作的概要如下。

  ◇ 推动级的下管采用五极管或FET/BJT*时,并且上管的三极管的内部电阻较低时
  ◇推动级呈现恒流源动作,同时兼具有将输入信号进行V/I变换的功能,向电压反馈管(上管)送入电流信号
  ◇在电压反馈管(上管)的阴极电阻进行I/V变换
  ◇基于以推动级所呈现出的恒流源为负载的阴极输入线路=grounded grid线路,进行电压放大
  ◇向功率级的P-G间输入信号,信号进一步通过推动级与电压反馈管(上管)在功率级屏极得到反映
  ◇将输出信号=NFB信号通过电压分配,进而实现P-G NFB。

●线路的名称(倒置μ跟随器驱动线路动作的场合)

 不用说,下一节的要叙述的「P-G NFB并用倒置μ跟随器驱动线路」的英文名即为「P-G NFB jointed inverted Mu follower driven circuit」,亦可称为STC V1的实用线路。
________________________________________

4.5 倒置μ跟随器驱动线路及其P-G NFB并用线路

 请参考图5。

 1996年前后在美国所流行的μ跟随器驱动线路。亦即在将恒流源作为负载的电压放大级进行放大动作的线路。(以此为蓝本,用电阻负载方式的P-G NFB也可达到同样的目的,但是考虑到要并联下一级的内部阻抗,便失去了使用恒流源的意义。)




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●倒置μ跟随器驱动线路概要

 请再次考察图5的μ跟随器驱动线路。

 倒置μ跟随器驱动线路为笔者命名的μ跟随器驱动线路的变形线路。

 它是将作为电压放大级负载的恒流源搬到电压放大级阴极的下方而形成的线路,进行这样的变形之后,并不影响其放大动作,同样可以很好地驱动功率级,就这点来看,它与μ跟随器驱动线路相同。

 但是,非常够呛的是,此线路在接受热~地所构成的非平衡方式的输入信号时,需要输入变压器来进行隔离(接地的分离)。平衡输入方式下自然要采用输入变压器,所以不会有麻烦,问题是以非平衡方式的RCA作为输入端子的设备占据了主流。

●倒置μ跟随器驱动线路与P-G NFB并用时,并不呈现P-G间的输入动作




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 请参考图6。

 一旦将电压放大管的屏极与连往B电源的功率级的屏极相连接,电压放大管便立即变身为电压反馈管。电压反馈管上所放大的信号以处于阴极到地端之间的恒流源为负载,向功率级的G-K间输入信号。说到负载,虽然还应算入作为功率级负载的输出变压器初级阻抗,但其值与恒流源所呈现出的巨大阻抗相比,可以完全加以忽略。 

 因此,功率级G-K间的输入振幅将变得很大,无法呈现出与P-G间输入线路+阴极跟随器相类似的动作。并且,它与P-G NFB并用阴极跟随器驱动线路除了信号输入的方式不同以外,其他的一切都相同。 

●NFB的线路构成

 其NFB是使功率级输出的电压成分通过电压反馈管与恒流源之间进行的电压分配来实现的,与前述P-G NFB并用阴极跟随驱动线路在信号输入的方式上不同,除了电压反馈管具有放大功能以外,其P-G NFB方面的构成和动作基本相同。

 P-G NFB并用倒置μ跟随器驱动线路实际上与上条氏的STC V1的动作原理线路几乎相同。在上条氏的线路中,是将自功率级的信号施加于在电压反馈管的阴极所插入的电阻上来进行输入的。通过这种做法,可避免在恒流源动作之下的功率管栅级电流及阻抗的下降。 

 因此,正如前述「4.4 SRPP 驱动线路及其P-G NFB并用线路」中提到过的,对于采用了P-G NFB的SRPP驱动线路,若用管为具有恒流特性的五极管或FET/BJT时,电压放大部分的内部电阻将很低,当V/I变?Q成为其主要动作时,便与STC V1实用线路很接近,甚至直接变成为STC。

 对于STC V1实用线路,看上去似乎很象前述的基于五极、三极管的SRPP驱动线路,但在动作原理上来说,它的五极管或FET/BJT并不像后者那样单单作为恒流源器件来动作。即它的五极管或FET/BJT还具有如下功能。

 (1)基于控制栅级或gate/base上所施加的输入信号进行从电压→电流的变换(V/I变换),以此产生信号电流,电压反馈管凭借其阴极电阻进行I/V变换的同时进行放大(这是完全不同的地方)。

 (2)同时,与电压反馈管一起作为P-G NFB的信号电压的分压电阻进行动作,并分担了绝大部分的信号电压(这是相同的地方)。

 (3)同时,通过适当的电路设定使电压反馈管分担大部分DC电压,本身则分担少部分进行动作(这也是相同的地方)。

如上所述,STC V1实用线路的五极管或FET/BJT同时进行着多重性的动作,具有多重功能。其详细分析请参阅<STC放大器的实际装机方法的考察>的构成及动作原理:(前半)。

 补充:前述「4.3 阴极跟随驱动线路及其P-G NFB并用线路」所示线路与STC V1 动作原理线路{P-G NFB并用倒置μ跟随器驱动线路}之间的共通性可在「图6 P-G NFB并用倒置μ跟随器驱动线路」中加以认识。
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5 STC V1 线路的特征

 在本文的「1 开场白・・・本文的目的与课题」中提到过,原型线路、动作原理线路及实用线路三者的工作原理几乎相同。不过觉得有必要对它们的共同点及不同点作一补充说明,特简单叙述如下。

5.1 虽然仅有些微差异,但此差异不容忽视

 在原型线路中,电压反馈管基本上呈现阴极跟随驱动动作,同时辅以P-G NFB,并不具有电压放大功能。但在动作原理线路及实用线路中,电压反馈管便兼具有以恒流源为负载的电压放大功能及对来自P-G NFB的信号电压进行电压分配的功能。

 因此,这两类线路中的电压反馈管的动作明显不同----这是事实。

(1)电压放大功能的有无。

 前者在阴极跟随动作下,将栅级输入的信号忠实地反映到阴极,并不进行电压放大。而后者则进行电压放大。这种差异最终导致功率级输入信号波形的何种差别,有必要进一步分析。 

(2)作为P-G NFB的信号电压分配元件进行动作。

 基于所取的工作点,以及阴极跟随的负载与恒流源负载若为同一器件,则这两类线路的NFB动作可视为相同。然而,在实际的实用线路中,基于同前一级之间的相互关系而将电压反馈管设定在1mA以下的极小的小电流模式下进行动作时,便与通常的单纯的阴极跟随动作有着很大的差异。

5.2 STC V1线路的特征?

 到此,若谈到STC V1线路的特征,便在于是将侧重点放在(1)基于P-G NFB的功率级的放大率μ抑制效果上,还是将侧重点放在(2)P-G NFB中加入三极管的非线性的这两个问题点上了。

 上条氏初期的文章中是以后者为主体来叙述的。

 而按照笔者的考虑,对于STC V1线路的特征,到底应是将侧重点放在前者之上,即(1)抑制输出电压振幅的线路特性之上。其理由在于,基于笔者的考虑,应该立足于STC与“电压放大器”,即对电压振幅不进行抑制的放大器之间的对比这一观点之上,对STC线路进行定位。  

 对于具有类似性格的V1线路之外的STC线路,也适用于上述的考虑。这里所说的STC之外的具有类似性格的线路,指的是江口氏设计制作的「阴极跟随功率放大器」、田村氏设计制作的基于电阻器件之P-G NFB的「强NF线路之放大器」。



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 大卫
 

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