Cathode follower van White

Nemen we een gewone triode, de bovenste triode in de schakeling rechts, we vergeten even het groene gedeelte en vervangen die door een weerstand naar massa. De triode krijgt een wisselspanning op zijn rooster en heeft een cathodeweerstand. Stijgt de spanning, dan loopt er meer stroom door de triode en wordt zijn impedantie ook lager. Daalt de spanning op het rooster, dan gaat de triode minder in geleiding, en stijgt zijn weerstand. In het ergste geval wordt de impedantie enkel nog bepaald door de cathodeweerstand.

Een dergelijke veranderlijke impedantie is in de meeste gevallen ongewenst. Als de belasting een relatief lage impedantie heeft (bijvoorbeeld het rooster van een vermogensbuis) dan kunnen er vervormingen ontstaan. De pieken van het signaal worden goed doorgegeven, maar de dalen zijn afgeplat omdat enkel de cathodeweerstand de spanning naar beneden kan trekken.

Maar de bovenste triode die de cathodevolger vormt heeft een anodeweerstand van relatief lage waarde. De spanning over de anodeweerstand verandert lichtjes naargelang het signaal, en dus ook naargelang de impedantie van de cathodevolger. Aha, we komen in de buurt van een oplossing!

Als de spanning over de stuurrooster van de cathodevolger afneemt, dat gaat de triode minder in geleiding. De spanningsval over de anodeweerstand wordt daardoor kleiner, waardoor de anodespanning wat hoger wordt. Deze spanningsverhoging wordt overgebracht aan de onderste buis, die daardoor meer in geleiding gaat, zodat de impedantie van de schakeling constant wordt gehouden.

Het belangrijkste deel van de schakeling is de anodeweerstand die de correcte werking van het geheel moet verzekeren. Zijn waarde moet bepaald worden aan de hand van de eigenschappen van de triodes (en in het bijzonder Gm of steilheid): Ra = 1/Gm. De steilheid van een driver-triode bedraagt 10mA/V of 10mS (millisiemens), de anodeweerstand moet dus 100Ω zijn.

Hoe zijn we aan die waarde gekomen? De vermindering van de stroom door de bovenste triode moet gecompenseerd door een identieke stijging van de stroom door de onderste triode (de stroomsterkte die daalt en stijgt gaat niet verloren maar wordt door de belasting gebruikt). Als de stroom met 1mA in de bovenste buis daalt, dan moet de stroom door de onderste buis met 1mA stijgen.

Om de stroom door de onderste triode te doen stijgen, moet de roosterspanning stijgen. Met hoeveel volt? Men gebruikt hier de steilheid van de buis, dat is een caracteristieke waarde van een buis. Bij een stijging van 1V ontstaat er bijvoorbeeld een stijging van de stroom van 10mA. We hebben een stijging van 1mA nodig, dus een stijging van de spanning van 100mV.

De spanningsstijging van 100mV moet op de anodeweerstand opgewekt worden. Als de anodestroom met 1mA daalt, dan moeten we een vermindering van de spanning over de weerstand hebben van 100mV. Volgens de wet van Ohm is R = U/I, dus R = 100mV/1mA of 100Ω, ced.

Eén van de eigenschappen van deze "push pull" versterkers (zowel de cathodevolger van White als de SRPP), is dat die verplicht in classe A moeten werken. De stroom door een buis mag nooit nul worden, anders verliest de buis de controle over de andere buis. Het rendement kan dus nooit hoger worden dan 50% en het beschikbaar vermogen is hoogstens gelijk aan de dissipatie in één van de buizen.

Het berekenen van de anodeweerstand bij de cathodevolger van White wordt in detail uitgelegd links. De berekeningen werden uitgevoerd met zowel een lage als een hoge belastingsweerstand, en zelfs de extreme waarden werden getest (oneindige belastingsweerstand en belastingsweerstand van 0Ω).

Indien men een anodeweerstand met een lage waarde gebruikt, dan verschuift de werking van de schakeling naar een gewone cathodevolger, dus een schakeling met een asymmetrische uitgangsimpedantie (de onderste triode werkt als cathodeweerstand van de bovenste buis).

Gebruikt men een anodeweerstand met een hogere waarde, dan bekomt men een spanningsversterking op de bovenste triode. De onderste triode ontvangt dus niet meer een gelijkaardig signaal op zijn rooster, maar een sterker signaal, waardoor de schakeling ook niet meer symmetrisch gaat werken.

Onafhankelijk van de belasting, is de meest optimale werkpunt, die waarbij de anodeweerstand Ra = 1/Gm (omgekeerde van de steilheid).

Omdat de triode in gemeenschappelijke cathodeschakeling een versterking heeft lager dan 1, kan men de anodeweerstand wat verhogen: Ra' = Ra * Ui/Uo. De uitleg is enkel relevant als beide triodes identiek zijn.

De ruststroom door de eindtrappen wordt ingesteld door de cathodeweerstand van de onderste eindtrap, terwijl de gelijkspanningsinstelling van de bovenste buis afhangt van de spanning op zijn rooster. Bij een directe koppeling met de voortrap hangt de spanningsinstelling dus van de anodespanning van de vorige trap.

De White cathodevolger wordt doorgaans gebruikt als drivertrap (uitgang van de voorversterker). Door de lage uitgangsimpedantie speelt de belasting (impedantie van de kabel, ingangsweerstand van de eindversterker,...) geen rol meer. De schakeling kan ook een hoogohmige koptelefoon van stroom voorzien. Met een aanpassingstransfo en voldoende zware triodes (of pentodes of beam tetrodes) kan de schakeling ook een luidspreker sturen.

De cathodevolger van White versterkt het signaal niet, daarom is er een extra voortrap bijgeplaatst. Het is een symmetrische trap (long tail), maar men had even goed een enkelvoudige triode kunnen gebruiken, waarvan men de tegenkoppeling op de cathode brengt.

Men gebruikt vaker de SRPP schakeling omdat die het signaal versterkt. Daardoor kan men een sterkere tegenkoppeling gebruiken. De uitgangsimpedantie zakt nog wat, en de vervormingen worden beter onderdrukt.

Een praktische schakeling van de cathodevolger van White. Deze schakeling kan bijvoorbeeld gebruikt worden als uitgangstrap van een voorversterker. De eerse triode zorgt voor de spanningsversterking van een microfoon De schakeling is niet geschikt als voorversterker voor een platenspeler want er is geen RIAA correctie.

Door de lage uitgangsimpedantie (in de grootte orde van 10Ω) kunnen langere signaalkabels naar de versterker probleemloos gebruikt worden. De impedantie van een normale cathodevolger is in de buurt van 400Ω en is asymmetrisch.

De bovenste ECC82 is de cathodevolger terwijl de onderste triode de aktieve weerstand is. De weerstand van 330kΩ dient voor het instellen van het werkpunt, niet voor de (signaal)tegenkoppeling. De versterking van de ECC83 wordt nauwelijks beperkt door de weerstandsverhouding van 1:330 (de versterking van de ECC83 is µ = 100).