基于SRPP電路的耳機(jī)放大器設(shè)計(jì)

1 引言

在高保真音響電路中，電子管放大器由于其獨(dú)特的韻味和音樂聽感，一直備受廣大音響愛好者的喜愛和關(guān)注。近年來，高保真耳機(jī)由于其使用的便捷性和相對(duì)較低的價(jià)格，受到越來越多的音樂愛好者和音響發(fā)燒友的青睞。在高保真耳機(jī)家族中，耳機(jī)阻抗從低阻、中阻到高阻均有分布：如愛科技的271S額定阻抗為48Ω，拜亞動(dòng)力的Dt48額定阻抗為200Ω，森海爾的HD580，HD600，HD650額定阻抗為300Ω等。對(duì)于阻抗較高的耳機(jī)，通常需要專門的配套電路，才能展現(xiàn)其優(yōu)異的性能。同用于音箱的揚(yáng)聲器單元相比，耳機(jī)對(duì)于它的驅(qū)動(dòng)電路性能指標(biāo)的要求更加嚴(yán)格。與晶體管相比，電子管靜態(tài)工作點(diǎn)電壓高、內(nèi)阻大，更適合輸出擺幅大、電流小的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這個(gè)特點(diǎn)使得電子管適用于驅(qū)動(dòng)對(duì)品質(zhì)要求高，但功率要求低的高保真耳機(jī)。

在音頻前置放大器中，并聯(lián)調(diào)整推挽（ShuntRegulatedPush-Pull，SRPP）電路具有高增益、低失真、低輸出阻抗等特點(diǎn)，能夠獲得優(yōu)異的音質(zhì)表現(xiàn)，因而在音響電路中廣泛應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)了一款以共陰極放大器為輸入級(jí)，SRPP放大電路為輸出級(jí)的耳機(jī)放大器電路。對(duì)該電路建立了微變等效模型，選擇合理的器件，通過理論計(jì)算控制相應(yīng)的參數(shù)，使放大器能夠較好地驅(qū)動(dòng)耳機(jī)工作。

2 輸入級(jí)

輸入級(jí)采用一只電子管三極管構(gòu)成的共陰極放大電路，其電路原理圖如圖1所示。圖中電阻RL1，Rk1和Rg1分別同電子管的陽極、陰極和柵極相連接，使電子管建立穩(wěn)定的工作點(diǎn)，同時(shí)具有合適的增益和適當(dāng)?shù)木植控?fù)反饋。V1可選擇常用的電子三極管，如單三極管ECC92，或者是雙三極管ECC82，12AU7，5814等型號(hào)中的一只電子管三極管工作原理與晶體管中的雙極性三極管不同，但和場(chǎng)效應(yīng)管類似，屬于電壓型放大器件，其主要參數(shù)為跨導(dǎo)gm，內(nèi)阻rp和放大系數(shù)μ，且三者之間滿足：





該電路的微變等效電路如圖2所示，這里將電子管看成是受控電壓源。圖中，輸入電壓可表示為：





式（2）中Ug1k1為電子管柵極和陰極兩端的電壓，Uk1為陰極電阻Rk1兩端的電壓：



共陰極放大電路的輸出電壓為：



電壓放大倍數(shù)為：



3 輸出級(jí)

輸出級(jí)采用SRPP電路，電子管既可選擇內(nèi)阻合適的三極管，如6N6，E182CC，也可選擇用于功放的小功率五極管，如6P15，6P14，EL42，EL91，EL84，EL86。

一般五極管內(nèi)阻較大，增益很高，為了降低輸出阻抗和增益，需將五極管連接成三極管使用。

文中的輸出級(jí)選用小功率五極管作為放大器件，選擇其他型號(hào)的管子時(shí)，需要根據(jù)管子自身參數(shù)確定外圍元件的參數(shù)和供電電壓VCC2。在圖3中，Rsg1和Rsg2分別將五極管V2和V3的第二柵極和陽極相連接，因而成為三極管工作方式。Rk2和Rk3分別與V2和V3的陰極相連接，為電子管提供適當(dāng)?shù)臇咆?fù)壓。RL2表示負(fù)載的阻抗。選擇不同型號(hào)的管子，由于內(nèi)阻和增益的差別，在驅(qū)動(dòng)耳機(jī)工作時(shí)，會(huì)有不同的聲音表現(xiàn)，通?？赏ㄟ^主觀音質(zhì)評(píng)價(jià)來確定管子的選擇。



圖4是圖3的微變等效電路，圖中Ip為：





輸出電壓Uo2為：



將式（6）~（8）聯(lián)立，經(jīng)過簡(jiǎn)化可得出輸出級(jí)的電壓增益為：



輸出端施加一個(gè)電壓U′o2，這時(shí)從輸出端向內(nèi)看的電流記作為I′o2，可由式（10）~（12）計(jì)算得出：





從式（11）~（13）可計(jì)算得到SRPP放大電路的輸出阻抗為：



4 整體設(shè)計(jì)

整機(jī)的電路原理圖和元器件的取值如圖6所示。





輸入級(jí)放大器件選用Ecc82雙三極管，輸出級(jí)選用6P15，基本參數(shù)如表1所示。為降低輸出阻抗，以便于和阻抗較低的耳機(jī)相匹配，輸出級(jí)SRPP電路采用雙管并聯(lián)的方式工作。放大器的相關(guān)參數(shù)計(jì)算方法如下所示，其中開環(huán)電壓增益為：



反饋系數(shù)為：



閉環(huán)電壓增益為：



輸出阻抗為：



負(fù)載電壓增益為：



5 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過測(cè)試，耳機(jī)放大器在驅(qū)動(dòng)不同阻抗負(fù)載的情況下，電路中的各項(xiàng)參數(shù)如表3所示。從表2~3中可看出，測(cè)量結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果比較接近。相對(duì)于一般的晶體管耳機(jī)放大器，電子管放大器的輸出阻抗略高，這個(gè)阻抗會(huì)影響耳機(jī)單元的總Qt值，以至于影響耳機(jī)的瞬態(tài)特性，這也是電子管耳機(jī)放大器產(chǎn)生特有的聽覺效果的一個(gè)因素。





經(jīng)實(shí)際聆聽可感覺，該放大器具有足夠的動(dòng)態(tài)范圍，中頻清晰飽滿、柔和、圓潤(rùn)、高頻明亮、通透，低頻豐滿、力度好，從整體上來感覺，聲音比較平衡、真實(shí)。

無論驅(qū)動(dòng)低阻耳機(jī)還是高阻耳機(jī)，都具有良好的聽感效果。

6 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一款基于陰極跟隨器和SRPP電路的耳機(jī)放大器，從理論上分析為控制電路參數(shù)提供了明確依據(jù)，并用實(shí)踐測(cè)量驗(yàn)證了理論的正確性。用微變等效分析方法對(duì)于電子管耳機(jī)放大器的設(shè)計(jì)具有良好的指導(dǎo)作用。