ห้องเรียนพื้นฐานการออกแบบแอมป์หลอด

[Cijtele52]

คราวนี้มาถึงเรื่อง loadline แล้วครับ เข้ามาดูวงจรกันเลย วงจรนี้ผม bias หลอด 6SN7 ง่ายๆตามนี้

Vg = -6V
Va = 200V (V plate จะใช้  Va เป็นสัญลักษณ์)
Ia =  8mA (กระแสที่ไหลผ่านหลอด ใช้ Ia เป็นสัญลักษณ์)
RL = 27Kohm (RL เป็นสัญลักษณ์ของ R plate load)
B+ = 416V (บางครั้ง B+ ใช้ตัวย่อ HT มาจาก High Tension)

ในรูปนี้ ผมให้สัญญาณผ่าน coupling capacitor ไปที่ Grid ของ 6SN7 โดยมีไฟลบ bias ที่ grid ของ 6SN7
สัญญาณที่เห็นเป็นรูปคลื่นที่ผมยกตัวอย่างให้เห็น 4 จุด จุด A, B, C และ D โดยแต่ละจุดมีขนาดของสัญญาณ 2V, 4V, -2V และ -4V

ดังนั้น เมื่อ Vin = 0V เพราะหลอดอยู่เฉยๆ ไม่มีความเปลียนแปลงของ  voltage ที่ plate (Va) ดังนั้น Vout จึงเท่ากับ 0

ที่จุด A) จากรุูปด้านล่าง พอมีสัญญาณเข้ามา Vin = 2V จะทำให้ Vg ยกระดับขึ้นมา 2V จาก -6V เป็น -4V เมื่อดูจาก plate curve หลอดจะมีกระแสไหลมากขึ้นไปตามเส้นสีส้มซึ่งที่ Vg เท่ากับ -4V กระแสควรจะเป็น 14mA

แต่ในความเป็นจริงนั้น กระแสที่เพิ่มขึ้นมา เมื่อผ่าน resistor ก็จะทำให้แรงดันตกคร่อม resistor เพิ่มขึ้นด้วย เมื่อแรงดันตกคร่อม resistor มากขึ้น แรงดันที่ plate (Va) ก็น้อยลงด้วย ดังนั้น เส้นสีส้มนี้จึงไม่ใช้เส้นที่แสดงการทำงานที่ถูกต้องของวงจรนี้

[Cijtele52]

เส้น loadline จึงถูกสร้างขึ้นมาเพื่อเป็นเส้นที่บอกว่า Va จะเปลี่ยนไปไปตาม Vg และ Ia ยังไง เพราะเมื่อไหร่ก็ตามที่ Vg เปลี่ยน Ia ก็จะเปลี่ยน และเมื่อ Ia เพิ่มขึ้น แรงดันตกคร่อม RL มากขึ้น Va ก็จะลดลง ในทางตรงกันข้าม ถ้า Ia ลดลง แรงดันตกคร่อม RL ก็ลดลงด้วย Va ก็จะมากขึ้น

ตามรูปด้านล่างนี้ เราวาดเส้น loadline 27K ohm โดยเมื่อ voltage เปลี่ยนไป 40V เราสามารถหากระแสที่เปลี่ยนแปลงได้จาก
Ia = V/RL
Ia = 40V / 27Kohm
Ia = 0.00148 ประมาณ 1.5mA
จากเส้นหนาๆสีน้ำเงิน ลากเส้นยืนออกมาทั้งสองด้าน ก็จะได้ loadline ที่ต้องการ



เมื่อ Vg เป็น -4V จะได้ Va ประมาณ 170V
สรุป เมื่อแรงดันที่ Vg เพิ่มขึ้น 2V (จาก -6V เป็น -4V หรือ +2V) ทำให้แรงดันที่ plate (Va) เปลี่ยนจาก 200V เป็น 170V ลดลงไป 30V ซึ่งถ้าเขียนจริงๆต้องเป็น -30V ดังนั้น อัตราขยาย(gain)ของวงจรนี้คือ -15 ตัวเลขที่เป็นลบ บอกได้ว่าสัญญาณขาออกนั้นกลับ phase เมื่อเทียบกับขาเข้า

ถึงตรงนี้ใครมีคำถามอะไรก็ post ได้นะครับ

การบ้าน
จากวงจรตัวอย่างด้านบน จงหา
Va ที่จุด B, C และ D
gain ที่จุด B, C และ D

[Molecular Man]

  ส่องกราฟหา Point กันจนตาลาย....สู้ๆ 

<ที่จุด A) จากรุูปด้านล่าง พอมีสัญญาณเข้ามา Vin = 2V จะทำให้ Vg ยกระดับขึ้นมา 1V จาก -6V เป็น -4V เมื่อดูจาก plate curve หลอดจะมีกระแสไหลมากขึ้นไปตามเส้นสีส้มซึ่งที่ Vg เท่ากับ -4V กระแสควรจะเป็น 14mA

ต้อง 2 Vเปล่าครับ ?

<ที่จุด A) จากรุูปด้านล่าง พอมีสัญญาณเข้ามา Vin = 2V จะทำให้ Vg ยกระดับขึ้นมา 2V จาก -6V เป็น -4V เมื่อดูจาก plate curve หลอดจะมีกระแสไหลมากขึ้นไปตามเส้นสีส้มซึ่งที่ Vg เท่ากับ -4V กระแสควรจะเป็น 14mA

[Cijtele52]

ส่องกราฟหา Point กันจนตาลาย....สู้ๆ 

<ที่จุด A) จากรุูปด้านล่าง พอมีสัญญาณเข้ามา Vin = 2V จะทำให้ Vg ยกระดับขึ้นมา 1V จาก -6V เป็น -4V เมื่อดูจาก plate curve หลอดจะมีกระแสไหลมากขึ้นไปตามเส้นสีส้มซึ่งที่ Vg เท่ากับ -4V กระแสควรจะเป็น 14mA

ต้อง 2 Vเปล่าครับ ?

<ที่จุด A) จากรุูปด้านล่าง พอมีสัญญาณเข้ามา Vin = 2V จะทำให้ Vg ยกระดับขึ้นมา 2V จาก -6V เป็น -4V เมื่อดูจาก plate curve หลอดจะมีกระแสไหลมากขึ้นไปตามเส้นสีส้มซึ่งที่ Vg เท่ากับ -4V กระแสควรจะเป็น 14mA

ขอบคุณครับที่ช่วยชี้จุดผิด  ต้องเป็น 2V ครับ เดี๋ยวแก้ให้ถูกครับ

[atriam]

ขอลองตอบครับอาจารย์
- Va ที่จุด B, C และ D


- gain ที่จุด B, C และ D
gain จุด B = (135-200)/4 = -16.25 เท่า
gain จุด C = (233-200)/(-2) = -16.5 เท่า
gain จุด D = (260-200)/(-4) = -15 เท่า

[Cijtele52]

ถูกต้องแล้วครับ
จะเห็นว่าคำตอบที่ได้เป็นลบเสมอ มันบอกอะไรเราได้บ้างครับ?
ตอนบ่ายจะมีแบบฝึกหัดเพิ่มเติมครับ

[saichon]

ถูกต้องแล้วครับ
จะเห็นว่าคำตอบที่ได้เป็นลบเสมอ มันบอกอะไรเราได้บ้างครับ?
ตอนบ่ายจะมีแบบฝึกหัดเพิ่มเติมครับ

ขอลองตอบครับ
gain เป็น - เสมอ มันบอกเราว่ามันจะขยายแบบกลับเฟสเสมอรึป่าวครับ

[CreÃte_Lek ♫]

ถูกต้องแล้วครับ
จะเห็นว่าคำตอบที่ได้เป็นลบเสมอ มันบอกอะไรเราได้บ้างครับ?
ตอนบ่ายจะมีแบบฝึกหัดเพิ่มเติมครับ

  อาจารย์ตกสูตรการหา gain ไปครับ ป่านนี้นั่งงงกันแล้วหล่ะครับ ว่า gain -15 ในตัวอย่างมาได้อย่างไร ครับ

[CreÃte_Lek ♫]

 เพิ่มเติมนิดนึงสูตรคณิตศาสตร์ประถม 

เครื่องหมายเหมือนกัน คูณ หรือ หารกัน ได้ผลเป็น บวก เสมอ 

เครื่องหมายต่างกัน คูณ หรือ หารกัน ได้ผลเป็น ลบ ครับ

[Cijtele52]

ถูกต้องแล้วครับ
จะเห็นว่าคำตอบที่ได้เป็นลบเสมอ มันบอกอะไรเราได้บ้างครับ?
ตอนบ่ายจะมีแบบฝึกหัดเพิ่มเติมครับ

  อาจารย์ตกสูตรการหา gain ไปครับ ป่านนี้นั่งงงกันแล้วหล่ะครับ ว่า gain -15 ในตัวอย่างมาได้อย่างไร ครับ

ไม่ได้บอกสูตรเพราะว่าผมอยากให้อ่านคำอธิบายเพื่อสร้างความเข้าใจครับ 

สรุป เมื่อแรงดันที่ Vg เพิ่มขึ้น 2V (จาก -6V เป็น -4V หรือ +2V) ทำให้แรงดันที่ plate (Va) เปลี่ยนจาก 200V เป็น 170V ลดลงไป 30V ซึ่งถ้าเขียนจริงๆต้องเป็น -30V ดังนั้น อัตราขยาย(gain)ของวงจรนี้คือ -15 ตัวเลขที่เป็นลบ บอกได้ว่าสัญญาณขาออกนั้นกลับ phase เมื่อเทียบกับขาเข้า

ซึ่งคำอธิบายนี้ เปลี่ยนแปลงเป็นสูตรได้แบบนี้ครับ

Gain = Vout / Vin

[Cijtele52]

ถูกต้องแล้วครับ
จะเห็นว่าคำตอบที่ได้เป็นลบเสมอ มันบอกอะไรเราได้บ้างครับ?
ตอนบ่ายจะมีแบบฝึกหัดเพิ่มเติมครับ

ขอลองตอบครับ
gain เป็น - เสมอ มันบอกเราว่ามันจะขยายแบบกลับเฟสเสมอรึป่าวครับ

ถูกต้องแล้วครับ

[johnney_chivas]

ไม่ว่างเลย....เรียนตามไปเรื่อย ๆ แล้วกันนะครับ

[akradech]

  ขอบคุณครับ

[johnney_chivas]

เอามั่ง...ขอลอกสูตรหน่อยนะครับ 



- gain ที่จุด B, C และ D
gain จุด B = (135-200)/4 = -16.25 เท่า
gain จุด C = (232-200)/(-2) = -16 เท่า
gain จุด D = (262-200)/(-4) = -15.5 เท่า

[nh123]

อ่านตามอยู่ครับอาจารย์ ไม่ได้ตอบ ดูเพื่อนๆในชั้นตอบอยู่ครับ

[johnney_chivas]

เส้น -2  มีเกน  -16.25 เท่า
เส้น -4  มีเกน  -15 เท่า 
เส้น -8  มีเกน   -16 เท่า
เส้น -10  มีเกน  -15.5 เท่า

ผมมาคิด ๆ ดูว่าเกนการขยายของแรงดันในแต่ละจุดที่เปลี่ยนไปมันไม่ค่อยจะเท่ากันเลยครับ 
ผมคิดว่ามันมีผลต่อการเลือกจุด Q point ในส่วนของการขยายสัญญาณทั้งซีกบวกและซีกลบแน่นอนเลย

แล้วจะเลือกอย่างไรดีครับเนี๊ย  [dizzy-smiley]

[chiko]

ตามอ่านตลอดครับ แอบคิดนอกห้องครับ 

[Cijtele52]

เส้น -2  มีเกน  -16.25 เท่า
เส้น -4  มีเกน  -15 เท่า 
เส้น -8  มีเกน   -16 เท่า
เส้น -10  มีเกน  -15.5 เท่า

ผมมาคิด ๆ ดูว่าเกนการขยายของแรงดันในแต่ละจุดที่เปลี่ยนไปมันไม่ค่อยจะเท่ากันเลยครับ 
ผมคิดว่ามันมีผลต่อการเลือกจุด Q point ในส่วนของการขยายสัญญาณทั้งซีกบวกและซีกลบแน่นอนเลย

แล้วจะเลือกอย่างไรดีครับเนี๊ย  [dizzy-smiley]

คำถามนี้ดีมากครับ จริงๆว่าจะอธิบายทีหลัง แต่ถามก่อนก็อธิบายได้ก่อนเลย

สิ่งที่เราต้องการในวงจรขยายทั้งหลายคือคุณสมบัติความเป็นเชิงเส้น หรือ Linearity วงจรที่ Linearity สูง คือวงจรที่มีอัตราขยายเท่ากันตลอดไม่ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม (ร้อน เย็น ชื้น ฯลฯ) หรือคุณสมบัติของสัญญาณ (ความถี่, ความแรง) เช่น ถ้าวงจรมีอัตราขยาย 5 ถ้าใส่สัญญาณ 1V ก็ต้องออก 10V ไม่ว่าจะร้อน เย็น ความถี่สูง ความถี่ต่ำ ฯลฯ

แต่สิ่งที่เราเห็นจากการคำนวนอัตราขยายด้วย loadline คือมันไม่เท่ากันเสมอไป ถ้าเปลี่ยนจุด bias เปลี่ยน loadline ไป Linearity ก็เปลี่ยนไปด้วย ความไม่เป็น Linear นี้จะทำให้เกิดความเพี้ยน หรือ distortion ซึ่งเรื่อง distortion เดี๋ยวจะคุยกันทีหลังครับ

ส่วนวิธีเลือกจุด Bias นั้นปกติก็ใช้วิธีทดลองไปเรื่อยๆครับ ในกรณีที่ไม่มีเครื่องมือวัด distortion เราก็ใช้วิธีคำนวนในกระดาษเทียบกันหลายๆจุดครับ

อย่างไรก็ตาม การรับรู้ของมนุษย์นั้นกลับไม่ Linear แต่เป็น logarithmic ถ้าใครสนใจลองศึกษาเพิ่มเติมได้ทีนี่ครับ https://en.wikipedia.org/wiki/Weber%E2%80%93Fechner_law ซึ่งหูได้ยินเสียงแล้วสมองแปลความหมายใน scale ที่เป็น log ไม่ใช่ linear ยกตัวอย่างเช่น ถ้าเอาเครื่องกำเนิดสัญญาณที่มีขนาด 1V peak to peak (1Vpp) ต่อกับลำโพง แล้วเร่งสัญญาณให้เป็น 2Vpp เราจะได้ยินเสียงต่างกันเพียงนิดเดียว สัญญาณ 2Vpp ไม่ได้ดังเป็น 2 เท่าของ 1Vpp

เพราะฉนั้นตอนนี้อย่าเพิ่งกังวลว่ามันจะไม่เท่ากันในระดับทศนิยมครับ เราต้องการ Linearity ในวงจรก็จริง แต่อัตราขยายด้านบนกับด้านล่างต่างกันในระดับ 5% ถือว่าน้อยมาก

แต่ในวงจรหนึ่งไม่ได้มีภาคขยายแค่ภาคเดียว ถ้ามีหลายๆภาค ความไม่เป็น Linear ในแต่ละภาคจะรวมกันไปเรื่อยๆ จนถึงจุดที่เราเริ่มฟังออกก็เป็นไปได้เช่นกันครับ

[akradech]

สอบถามครับ ว่าถ้าเราเปลี่ยน Load line เป็นค่าอื่นๆ

เพื่อหาว่าค่าใหนให้ความเป็น Linear ดีสุด ได้หรือไม่ครับอาจารย์

ผมกำลังคิดว่าจะลองหา Load line ที่ 25kOhm ดู เปรียบเทียบกับ 27kOhm ดูครับ 

[Cijtele52]

สอบถามครับ ว่าถ้าเราเปลี่ยน Load line เป็นค่าอื่นๆ

เพื่อหาว่าค่าใหนให้ความเป็น Linear ดีสุด ได้หรือไม่ครับอาจารย์

ผมกำลังคิดว่าจะลองหา Load line ที่ 25kOhm ดู เปรียบเทียบกับ 27kOhm ดูครับ 

ได้ครับ ลองเปลี่ยน loadlline เป็น 25k กับ 47k โดยใช้จุด bias เดิมดูครับ
เมื่อเปลี่ยนแล้ว ให้หาค่า B+ ใหม่ด้วยนะครับ

[Cijtele52]

ส่วนเพื่อนๆคนอื่นๆ มีโจทย์ให้ทดลองหา gain ของวงจรแบบที่เป็นตัวอย่างที่ผมใช้ 6SN7 โดยเปลี่ยนหลอดไปตามนี้ครับ

หลอดแรก 6DJ8 หลอด ยอดนิยม
ลองหาจุด bias เองดูนะครับ เลือกเอาตามความพอใจ
ใช้ loadline สองค่า 10Kohm และ 20Kohm ตีเส้น loadline เทียบกันใน plate curve เดียวกันนะครับ


หลอดถัดไป 5687
เลือกจุด bias ตามใจเช่นกัน loadline 5Kohm และ 10Kohm

[akradech]

B+ = กระแสผ่าน R (8 mA) * 25,000 Ohm + 200 V (Plate V)
     = 200+200
     = 400 V

วาดเส้น loadline 25K ohm โดยเมื่อ voltage เปลี่ยนไป 40V เราสามารถหากระแสที่เปลี่ยนแปลงได้จาก
Ia = V/RL
Ia = 40V / 25Kohm
Ia = 0.0016 = 1.6mA



      
Va ที่จุด A, B, C และ D               =       175          140       235       260
                  
โวลต์ต่างกัน ที่จุด A, B, C และ D   =    175-200   140-200   235-200   260-200
โดยมีการกำหนดโวลต์ที่กริด Grid V  =        2                4            -2         -4
Gain = Vout(plate) / Vin(grid)  =     -12.5         -15         -17.5           -15

[akradech]

Load line 47k ขอติดไว้พรุ่งนี้นะครับอาจารย์ ส่งการบ้าน 25kOhm ก่อนครับ ถ้าถูกค่อยไปต่อ  ขอบคุณครับ

[atriam]

ขอลองหาหลอด 5687 ครับอาจารย์




เท่าที่เข้าใจเมื่อเปลี่ยน RL แล้วจะทำให้ B+ เปลี่ยนครับ และ gain ก็เปลี่ยนด้วยครับเท่าที่เข้าใจครับอาจารย์ผิดถูกช่วยแนะนำด้วยครับ

[atriam]

ขอถามครับอาจารย์แล้ว RL มีวิธีเลือกไหมครับ ประมาณค่าที่เหมาะสมหรือต้องลองลากตามความพอใจครับ

[akradech]

ส่งการบ้านโหลดไลน์ ที่ 47kOhm ครับ

ลองเปลี่ยนใช้ Load line ที่ 47kOhm         
Vg = -6V         
Va = 200V (V plate จะใช้  Va เป็นสัญลักษณ์)         
Ia =  8mA (กระแสที่ไหลผ่านหลอด ใช้ Ia เป็นสัญลักษณ์)         
RL = 47Kohm (RL เป็นสัญลักษณ์ของ R plate load)         
B+ = 576V (บางครั้ง B+ ใช้ตัวย่อ HT มาจาก High Tension)         

ฺB+ คิดมาจาก = (8mA * 47000 Ohm)/1000 + 200(Plate Voltage) = 576 V

วาดเส้น loadline 47K ohm โดยเมื่อ voltage เปลี่ยนไป 40V เราสามารถหากระแสที่เปลี่ยนแปลงได้จาก

Ia = Va diff/RL      
      
Ia = 40V / 47Kohm      0.00085106
Ia = 0.000851 ประมาณ 0.8mA   

Va ที่จุด A, B, C และ D               =       165          130       238       272
                 
โวลต์ต่างกัน ที่จุด A, B, C และ D   =    165-200   130-200   238-200   272-200
โดยมีการกำหนดโวลต์ที่กริด Grid V  =        2                4            -2         -4
Gain = Vout(plate) / Vin(grid)  =     -17.5         -17.5         -19           -18

[Cijtele52]

ทั้งคุณ akradech และคุณ atriam ทำได้ดีทั้งคู่ครับ 
เดี๋ยวรอคนอื่นๆมาช่วยทำ 6DJ8 ก่อน แล้วจะมีบทสรุปของตรงนี้ บวกกับการดัดแปลงวงจรเพื่อให้ง่ายขึ้นครับ

ผมมี 6ES8 อีกหลอดนึงให้ลองทำครับ

[CreÃte_Lek ♫]

  สงสัยจะเหนื่อยจากงานกัน ส่งการช้านกันน้อยจังแฮะ   

[johnney_chivas]

ไม่มีเวลาว่างเลยล่ะครับ.....

[Cijtele52]

นั่นสิครับ เงียบไปเลย อาทิตย์หน้ายังมีต่อนะครับ มีเรื่อง cathode bias, cathode follower และ input/output impedance ครับ