Когда-то на форуме проскакивало упоминание о статье
Resistor Types - Does It Matter?Я собирался сделать ее перевод, но остановился на половине текста. И вот вернулся к нему и постарался его закончить. Что получилось и насколько это полезно - судите сами.
ВведениеОбсуждение типов резисторов часто поднимается на форумах по разработке гитарных усилителей. Некоторые люди рекомендуют использование только углекомпозитных резисторов, другие говорят что лучшие – металлопленочные. Кто прав? Ответ зависит от того, какие цели вы преследуете. Вот некоторая информация к размышлению с точки зрения шума резисторов.
Различают три основных типа шума резисторов: тепловой, контактный и дробовой. Тепловой шум, в основном, зависит от температуры, полосы пропускания, сопротивления, в то время как дробовой шум зависит от полосы пропускания и среднего постоянного тока, а контактный шум зависит от среднего постоянного тока, полосы пропускания, геометрии и типа материала.
Проволочные резисторы – самые тихие, подвержены только тепловому шуму, далее следуют металлопленочные, металлооксидные, углепленочные и последние – углекомпозитные.
Далее последует описание каждого типа шума со способами уменьшения его воздействия на схему вместе с некоторыми рекомендациями по разработке усилителей с низким уровнем шума.
Тепловой шумТепловой шум резистора равен
Vt = SQRT(4kTBR),
где
Vt – действующее значение шума
k – постоянная Больцмана(1.38∙10-23)
T – температура в градусах Кельвина(300 K – комнатная температура)
B – полоса пропускания шума в Гц(типичная полоса пропускания для аудио оборудования – 20 кГц, типичная полоса пропускания для гитарного усилителя – 5-10 кГц)
R – сопротивление(Ом)
Характеристики теплового шума определяются Гауссовской плотностью распределения вероятности, и шум имеет два различных источника некоррелированного белого шума, общая энергия шума равна сумме отдельных мощностей шума. Если считать отдельные резисторы источниками шума, то выходное напряжение шума равно квадратному корню суммы квадратов значений отдельных источников.
Приведенное выше выражение показывает, что шум находится в прямой зависимости от квадратного корня сопротивления, таким образом, если вы возьмете два резистора одного номинала и возведете их в квадрат, после чего вычислите квадратный корень, то получите то же значение, как если бы вы взяли один резистор вдвое большего номинала. Таким образом, общий шум остался таким же.
В общем, тепловой шум любого соединения пассивных элементов равен тепловому шуму, который является результатом эквивалентного полного сопротивления. Если мы работаем с чистым сопротивлением, тепловой шум равен тепловому шуму эквивалентного сопротивления. Таким образом, тепловой шум углекомпозитного резистора 1 кОм равен шуму металлопленочного резистора сопротивлением 1 кОм и не зависит от материала. Единственный способ снизить шум – уменьшить сопротивление резистора. Поэтому не стоит использовать резисторы 10 МОм во входном каскаде.
Например, при использовании 1 МОм резистора, полосе пропускания 10 кГц и комнатной температуре (300 К) вы получаете напряжение шума около 12,9 мВ. Если этот резистор находится в буфере типичного маршалоида с усилением около 83 дБ (14 125) при 1 кГц с средним положением всех ручек управления и максимальным положении регулятора высоких частот вы получите около 182 мкВ шума при выходном сопротивлении 16 Ом. Это не улучшит звук, а в хайгейновом усилителе значения шума будут расти быстрее. Выручает то, что сопротивление типичного гитарного звукоснимателя меньше, чем 1 МОм, что при параллельном включении позволяет минимизировать этот источник шума.Контактный шумКонтактный шум зависит от среднего постоянного тока и размера/материала резистора. Наиболее значительный шум в гитарных усилителях создает использование углекомпозитные резисторы малой мощности. Поскольку шум зависит от размера резистора, то использование резисторов 2 Вт улучшит характеристики по сравнению с 0,5 Вт резисторами. Исследования показали соотношение уровней шума равное 3:1 между резисторами 0,5 Вт и 2 Вт, работающих в одинаковых условиях.
Основным компонентом шума в углекомпозитных, углепленочных, металлооксидных и металлопленочных является контактный шум на низких частотах, т.к. он имеет зависимость 1/f. Проволочные резисторы не подвержены данному шуму, который присутствует только в пленочных и композиционных резисторах. Этот шум напрямую зависит от тока, протекающего через сопротивление, и константы, которая определяется материалом резистора.
Если ток через резистор не течет, то присутствует только тепловой шум. Контактный шум увеличивается пропорционально значению протекающего тока. Следовательно, для снижения шума, ток (как постоянный, так и переменный) должны быть минимальными).
Материал и геометрия резистора напрямую влияют на уровень контактного шума. Поэтому, увеличив расчетную мощность резистора на данном участке цепи, вы уменьшите генерируемый им контактный шум.
Дробовой шумДробовой шум зависит от тока, поэтому чем больший постоянный ток течет через резистор, тем выше уровень шума. Для уменьшения данного вида шума следует уменьшить постоянный ток через резистор до минимума. Это лучшее решение для первых каскадов усилителя и каскадов ревербератора, т.к. там уровень шума наиболее критичен. К сожалению, для ламповых усилителей характерны большие токи, поэтому приходится идти на компромисс. Лучшим решением будет использование проволочных или металлопленочных резисторов, однако в усилителях большим значением верхней граничной частоты индуктивность проволочных резисторов может повлиять на звук. В гитарных усилителях это не так критично.
ВыводыДля уменьшения уровня шума следует:
- Использовать меньшие номиналы резисторов, т.к. тепловой шум растет пропорционально сопротивлению;
- Проволочные резисторы обладают наименьшим шумом, далее следуют металлопленочные, металлооксидные, углепленочные и углекомпозитные. Однако, проволочные резисторы имеют небольшой ряд номиналов и обладают индуктивностью, что ограничивает их применение. С другой стороны, многим нравится влияние на звук углекомпозитных резисторов, которые «звучат» «теплее», чем пленочные и проволочные. Искажения вызываются модуляцией сигнала контактным шумом. Поскольку шум имеет обратнопропорциональную зависимость от частоты сигнала, он «звучит» менее раздражающе, чем белый шум. Но хороший шум – тихий шум и, по моему мнению, его следует снизить до минимума. Искажение сигнала является темой отдельного разговора;
- Используйте резисторы большей мощности (если только они не проволочные), потому что контактный шум уменьшается с увеличением размеров резистора;
- Старайтесь минимизировать токи, потому что контактный шум прямо пропорционален току, протекающему через резистор;
- Не забывайте, что потенциометры также являются резистивными элементами и почти всегда они являются углекомпозитными, в особенности большие номиналы (например, номиналом 1М, который часто ставится в цепь регулирования громкости). Они могут быть основным источником шума в гитарном усилителе. Для уменьшения шума следует использовать потенциометры небольших номиналов и большой расчетной мощности;
- Первый каскад усилителя является наиболее критичным, т.к. оказывает максимальное влияние на отношение сигнал/шум и имеет большое усиление. Он оказывает наибольшее влияние на уровень шума в последующих каскадах усиления. Триоды следует включать параллельно для увеличения отношения сигнал/шум, т.к. шум в этом случае равняется квадратному корню из суммы квадратов уровня шума отдельных триодов и увеличивает отношение сигнал/шум на 3дБ. Входного каскада на пентоде следует избегать, так как он является источником другого рода шума, образующегося из-за добавления сетки на пути тока между катодом и анодом. Если необходимо очень большое усиление, следует использовать каскод с автоматическим смещением, который обладает большим усилением, чем пентод, но не является дополнительным источником шума. Кроме того, каскодное включение не обладает микрофонным эффектом, часто проявляющимся на пентоде EF86. Каскод с автоматическим смещением обладает лучшими характеристиками, чем с фиксированным смещением на сетке, поскольку не обладает зависимостью от напряжения источника питания сетки и имеет более теплый тон.
Несколько практических замечаний:
Поскольку высококачественные металлопленочные резисторы дороже, чем углепленочные, то гитарист может не выказать желания уменьшить уровень шума, заменив все резисторы на металлопленочные. Исходя из имеющейся информации, выработаем несколько общих правил для достижения компромисса:
- Поскольку шум пропорционален сопротивлению, то резистор утечки сетки номиналом 1М будет являться источником большего уровня шума, чем антизвонный резистор сопротивлением 68К, поскольку его сопротивление в 14,7 раз больше. Поэтому выбор между металлопленочным и углекомпозитным резистором для номинала 1М более важен, чем для резистора 68К. Однако, когда гитара включена в усилитель, сопротивление и емкость звукоснимателя и кабеля приложены параллельно резистору 1М, поэтому его влияние на шум уменьшается. Когда гитара отключена или ее громкость выкручена в минимальное положение, резистор 68К является основным источником шума. В зависимости от типа лампы и топологии входного каскада шум резистора может быть выше собственного шума лампы. Для уменьшения шума используйте минимально возможное значение антизвонного резистора;
- Поскольку шум пропорционален току через резистор, то антизвонный резистор номинала 100К будет шуметь меньше, чем анодный резистор 100К, т.к. ток анода обычно равен 1-2 мА, а ток сетки пренебрежимо мал. Поэтому лучше использовать анодный металлопленочный резистор. Исключением из этого правила является делитель напряжения из двух резисторов между анодом одной лампы и сеткой другой. В этом случае, хоть ток и не течет через сетку, следует использовать металлопленочные резисторы;
- Шум оказывает большее влияние в таких каскадах, как входной, каскад возврата с ревербератора и петли эффектов, чем в анодных резисторах, резисторе утечки сетки и делителях напряжения для сетки, поэтому в этих участках цепи следует использовать металлопленоные резисторы для уменьшения шума. В тех местах, где усиление невелико, можно использовать более шумные резисторы, без значительного увеличения уровня шума, поскольку уровень сигнала в этих цепях значительно выше собственного уровня шума резисторов.
Еще одно замечание – необходимо знать, на какое напряжение рассчитан резистор. Полуваттные и некоторые одноваттные резисторы обычно рассчитаны на напряжение 250-350 В. Убедитесь, что резистор рассчитан на то напряжение, которое будет в том участке цепи, где он применяется. Я использую резисторы 1 Вт в цепях с напряжением 500 В и 2 Вт для напряжения 750 В.
Размещение рекламы