6n2靚聲膽前級(jí)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

一、電子管前置放大器設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電子管是一種輸入阻抗高、工作電壓高、容易老化的放大器件，設(shè)計(jì)制作一臺(tái)夠得上Hi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)的電子管前置放大器要比晶體前置放大器相對(duì)難度大。

設(shè)計(jì)時(shí)特別注意下面幾點(diǎn)：

1。合理選用電子管：電子管的品種及型號(hào)很多，每種電子管都有不同的性能、結(jié)構(gòu)、工作條件及使用場(chǎng)合，且有一定的音色差別。正因?yàn)檫@樣，不同的電子管不能簡(jiǎn)單地互換使用。在前置放大器中，一般應(yīng)選用三極管，因?yàn)槿龢O管的線性好，噪聲較小，放大倍數(shù)不會(huì)過(guò)高，用于音頻放大可獲得較好的綜合性能和音質(zhì)，電路也比較簡(jiǎn)潔。三極管型號(hào)有多種，具體選用哪種型號(hào)則應(yīng)根據(jù)電路結(jié)構(gòu)和增益來(lái)決定。三極管放大器的增益一般為0.6 μ左右，而其μ值大都20~100之間，故放大倍數(shù)一般不會(huì)超過(guò)70. 若電路只須一級(jí)放大，可選用μ值較高的三極管，多級(jí)放大器則以選用中μ或低μ管為宜，以求得較好的穩(wěn)定性。一些歐美品牌老式電子管被媒體炒得滾熱，價(jià)格連翻數(shù)番，似乎只有這些品牌的管子最靚聲，其實(shí)這里包含了不少人為炒做因素。

我國(guó)也有幾十年生產(chǎn)電子管的歷史經(jīng)驗(yàn)，是世界上生產(chǎn)電子管的大國(guó)，管子的壽命已可達(dá)一萬(wàn)甚至十萬(wàn)小時(shí)以上，不少品牌同樣被國(guó)外發(fā)燒友視為珍品。 因而在選用時(shí)應(yīng)科學(xué)、理智地看待這一問(wèn)題，避免人云亦云，偏聽偏信。就三極管而言，國(guó)產(chǎn)6N1 、6N2 、6N3 、6N4 、6N6 、6N11等均是性能相當(dāng)不錯(cuò)的管子，只要運(yùn)用合理，同樣可以獲得非凡的音質(zhì)。更何況現(xiàn)在網(wǎng)路上流行的許多國(guó)外二手管其使用性能幾乎到了生命的盡頭。

本次制作用管鎖定在6N2，6N2是一款很優(yōu)秀的音頻放大管，它與12AX7 的參數(shù)基本一致，音色相近，僅燈絲接腳不同，在使用中代換12AX7也極為簡(jiǎn)便。6N2-PDF文件

6N2管腳6N2外型(上海)6N2外型(曙光)6N2外型(北京)

2。正確選擇工作點(diǎn)：與晶體管一樣，電子管放大器的工作點(diǎn)也應(yīng)選擇適當(dāng)，才有最低的失真和較大的動(dòng)態(tài)范圍。由于每種電子管的特性曲線都不盡相同，因而有各自的最佳工作點(diǎn)。選擇時(shí)應(yīng)按照手冊(cè)給出的特性曲線和既定的方法執(zhí)行，確保電子管在動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)能工作于最佳狀態(tài)。但音響器材被用來(lái)還原音樂(lè)的，忠于原作是它的天職，完成產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)范是設(shè)計(jì)者的不二準(zhǔn)則，但它的制造又有別于一般電器設(shè)計(jì)，在技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上還需要產(chǎn)品的“藝術(shù)靈性”。

電子管的電壓放大，在柵極電壓有一微小的變化時(shí)，其屏極就會(huì)產(chǎn)生較大的變動(dòng)，換言之，柵極電壓對(duì)屏極電流的影響是非常大的，在柵極電路無(wú)音頻信號(hào)輸入時(shí)，屏流為穩(wěn)定的直流，且柵壓越負(fù)其屏流就越小，當(dāng)柵壓負(fù)到一定程度時(shí)，屏流將等于零處于截止?fàn)顟B(tài)，如果柵極電路中輸入音頻信號(hào)U時(shí)，柵極與陰極之間的電位就會(huì)不斷變化，屏流也隨之產(chǎn)生變動(dòng)，在屏極電路的Rl上，除了它本身工作電源的直流壓降外，還增加了一個(gè)音頻交流壓降，我們適當(dāng)選取Rl的數(shù)值，即可得到放大的信號(hào)電壓。

在實(shí)際制作中發(fā)現(xiàn)采用不同品牌的國(guó)產(chǎn)6N2其實(shí)際特性相差極大(下文再詳述)，從另一方面也反影出個(gè)別國(guó)產(chǎn)品牌器件的素質(zhì)差別。

特性曲線(0)特性曲線(1)特性曲線(2)特性曲線(3)特性曲線(4)

3。采用行之有效的降噪措施：電子管的輸入阻抗很高，且須對(duì)陰極加熱，極易感應(yīng)或引入各種交流干擾噪聲，故電子管放大器的信噪比(S/N )很難做好，對(duì)于前置放大器更是如此。

目前，比較有效的降噪措施主要有：

(1 ) 用穩(wěn)壓電源為燈絲供電。旁熱式電子管一般采用交流電源給燈絲供電。這樣，由于燈絲與柵極之間寄生電容的存在，交流電對(duì)該電容充放電，便會(huì)在柵極電阻上產(chǎn)生電壓降，導(dǎo)致較大的交流聲。此外燈絲在正常工作溫度下會(huì)發(fā)射少量的電子(尤其是燈絲兩端)。這些電子飛到陰極套筒內(nèi)壁，再經(jīng)陰極電阻入地形成交流干擾，若陰極電容容量不大或無(wú)陰極電容，這種交流干擾就得不到有效抑制。若采用直流穩(wěn)壓電源，如用三端穩(wěn)壓塊均構(gòu)成的穩(wěn)壓電源為燈絲供電，便何避免上述原因引起的交流聲，使S/N 得到明顯改善。

(2 ) 降低燈絲與柵極之間的電位。若不想采用直流穩(wěn)壓為燈絲供電，可采用傳統(tǒng)的方法在燈絲電源兩端并聯(lián)一只(50~100)Ω的線繞電位器，并將滑動(dòng)臂接地，以降低燈絲與陰極之間的電位，減輕交流供電對(duì)S/N 的影響。此外，將輸入級(jí)電子管的燈絲腳之一接地也可收到類似的效果。

(3 ) 給燈絲繞組的中心抽頭加一定的正電壓加正電壓的目的是使燈絲對(duì)陰極為正電位，把燈絲發(fā)射的電子重新拉回?zé)艚z，抑制燈絲發(fā)射電子產(chǎn)生的交流聲。此外，在允許值內(nèi)適當(dāng)降低燈絲的供電電壓也有一定效果。

(4 ) 改善屏極電源的濾波效果。如今，高耐壓、大容量的電解電容已唾手可得，屏極電源濾波電容的容量可以用得大一點(diǎn)，如用220 μF 以上的。若是多級(jí)放大器，則可采用分要級(jí)退耦濾波的方法來(lái)改善屏極電源的濾波效果。要求較高的還可采用扼流圈濾波方式，直至采用穩(wěn)壓電源供電。

(5 ) 減小雜散電磁場(chǎng)對(duì)電路的干擾。電磁場(chǎng)干擾也是影響S/N 的主要因素，因而，高質(zhì)量的前置放大器應(yīng)采用電磁干擾小的電源變壓器，柵極信號(hào)引線應(yīng)盡量短，并使用屏蔽線。輸入級(jí)電子管最好加上屏蔽罩。燈絲引線要絞合起來(lái)，并遠(yuǎn)離柵極。

(6 ) 避免地線回路的干擾接地不當(dāng)?shù)姆糯笃鳌Ｍㄟ^(guò)地線回路竄入柵極回路的各種交流干擾對(duì)S/N 的影響可能比其他因素更大，應(yīng)引起高度重視。對(duì)于較為簡(jiǎn)單的放大器來(lái)說(shuō)，避免地線干擾最有效的方法是采用一點(diǎn)接地，即輸入信號(hào)與柵極電陰、陰極電陰、陰極電容的接地點(diǎn)焊在一點(diǎn)上，然后與電源濾波電容的接地點(diǎn)連接，再與機(jī)殼相聯(lián)。對(duì)于多級(jí)放大器，可先將各級(jí)的接地點(diǎn)分別匯集于一點(diǎn)，再按從前級(jí)到后級(jí)的順序?qū)⒏骷?jí)的接地點(diǎn)與電源地連接起來(lái)，然后再與機(jī)殼相連。與機(jī)殼相連的最佳點(diǎn)可能是電源地端或輸入地端，究竟哪個(gè)更好一般由實(shí)驗(yàn)確定。

⒋確保阻容件有足夠的散耗功率或耐壓

前置放大器電子管的工作電流雖只有幾個(gè)毫安，但屏極電源電壓一般都在200V以上，功耗仍相當(dāng)可觀。故應(yīng)保證電路中所用電阻的散耗功率和電容的耐壓足夠大。選用時(shí)，兩者的取值一般應(yīng)為實(shí)際功耗和所加電壓的兩倍以上。否則，可靠性將降低。

二、三極管前置電壓放大電路的分析計(jì)算

三極管電壓放大電路通常由一級(jí)或多級(jí)阻容耦合電壓放大電路和阻抗變換電路組成，有的還加有負(fù)反饋電路。掌握這些基本電路的原理和計(jì)算方法，便可根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)出種各樣的前置放大器。

電壓放大電路常用的有共陰極放大電路和SRPP放大電路。下面就其工作原理與計(jì)算方法兩方面分別簡(jiǎn)單介紹。

A) 阻容耦合共陰極放大電路
 

共陰極放大電路可以由三極管或五極管構(gòu)成，但五級(jí)管構(gòu)成的共陰電路由于噪聲較大，一般只用于后級(jí)放大器。

① 工作原理

當(dāng)在電子管柵極加入信號(hào)電壓后，便使屏極回路產(chǎn)生肪動(dòng)的電流ia，ia流經(jīng)Ra時(shí)，在Ra上產(chǎn)生電壓降Ua，這就是被放大了的信號(hào)電壓。其振幅的相位變化與ia相反。當(dāng)屏壓從高變低時(shí)，電容Ca放電;屏壓從低變高時(shí)，電容Ca充電。充、放電電流注經(jīng)RL時(shí)，在RL上產(chǎn)生的電壓降U。便是電路的輸出信號(hào)電壓。若放大器由兩級(jí)共陰電路構(gòu)成，則RL便是第二級(jí)電子管的柵極電陰Rg，輸出信號(hào)電壓U。將加入第二級(jí)電子管柵極作進(jìn)一步的放大。

② 計(jì)算方法

作為高保真的電子管放大器，我們希望其頻響盡可能寬些。電子管的低頻響應(yīng)主要由輸入耦合電容Cg、輸出耦合電容Ca及陰極旁路電容Ck決定，其中Cg與Ca取值應(yīng)滿足下式要求，即：

Cg(Ca)≥1/2πfLRg

式中，fL放大器的下限頻率，一般取20Hz，Rg為柵極偏置電阻的值，計(jì)算Ca時(shí)，Rg為后面一級(jí)電子管的柵極偏置電阻的值。陰極電阻Ck則可用下式估算：

Ck≥(3~5)/2πfLRk

而高頻響應(yīng)主要由負(fù)載電阻R’a。及分布電容Co決定。其高端截止頻率為：

fH =1/2πR’aCo

可見(jiàn)Co或R’a越小，頻響越寬。其中Co的值視所用電子管及電路形式而有一定差異，它約等于屏極輸出電容和下一級(jí)柵極輸入電容的和。因而應(yīng)選用輸入、輸出電容均較小的電子管，并且應(yīng)盡可能減小由布線形成的分布電容。而R’a較時(shí)，雖對(duì)高頻響應(yīng)有利，但也不能過(guò)小，因?yàn)殡娮庸艿碾妷悍糯蟊稊?shù)KO=SR’a，R’a較小時(shí)，KO在數(shù)值上等于內(nèi)阻Ri、Ra及下一級(jí)柵極電阻的并聯(lián)值，即：

1/ Ugm2=1/Ra+1/Ri+1/R’a

Ra的值可在(50~500)KΩ之間選取，而R’a的最大允許值一般為：

R’a=Ri·τa/(CoRi—τa)

式中，τa為電子管屏極時(shí)間常數(shù)，其值為：

τa =

式中，M為頻率畸變系數(shù)，一般取1.1~1.26。

電子管的柵偏壓可用下式求出，即：

Eg≥1+Ugm2/0.7μ

式中，Ugm2為下級(jí)所需的最大輸入電壓或本級(jí)的輸出電壓，μ為手冊(cè)給定的放大系數(shù)。柵負(fù)壓的絕對(duì)值一般應(yīng)比輸入信號(hào)電壓振幅大(0.5~1)V，以免陰極發(fā)射的電子打到柵極上，出現(xiàn)柵流。

一般情況下，下一級(jí)的柵極電阻和本極的交流屏壓可分別取：

R’a =(5~10)Ra

Ua =(0.33~0.5)Ea

柵負(fù)壓確定后，可在電子管屏極特性曲線上作出靜、動(dòng)態(tài)負(fù)載線，并在其工作點(diǎn)上求出Ri、S、μ分貝值。若Ri與上面的設(shè)定值相差很大，則R’a應(yīng)重新計(jì)算。

這時(shí)，可用下式計(jì)算出中頻區(qū)的電壓放大系數(shù)Kz。

Kz=μ/(1+Ri/Rg+Ri/Ra)

再根據(jù)工作點(diǎn)電流Io與柵負(fù)壓求出陰級(jí)自偏壓電阻的值，即
 

Rk=Ez/Io

由于電子管特性曲線的非線性,會(huì)導(dǎo)致Ia與Ug不比例的輸出電流波形，產(chǎn)生非線性失真。此時(shí)，若用動(dòng)特性曲線的線段代替表示電流的縱坐標(biāo)來(lái)分析其非線性失真會(huì)更方便些，所以，這些電流值可用對(duì)應(yīng)的線段來(lái)表示，線段的不對(duì)稱程度，反映了非線性失真的大小。

B) SRPP電壓放大電路

1)該電路特殊的電路結(jié)構(gòu)原是為高頻放大器設(shè)計(jì)的，由于它具有失真低，噪聲小，頻響寬等特點(diǎn)，能適應(yīng)高保真要求，因此被許多現(xiàn)代電子管音頻放大器所采用。

上管、下管的直流通路串聯(lián)。下管構(gòu)成三極管共陰極電壓放大電路，上管構(gòu)成陰極輸出電路，且作為下管的恒流負(fù)載。其輸入信號(hào)由下管的屏極提供，然后由上管的陰極輸出。由于陰極跟隨器的電壓放大倍數(shù)接近1，這種電路的電壓放大倍數(shù)取決于下管，與一般三極管放大電路差不多，但其輸出陰抗很低，帶載能力大為提高，易于和低阻負(fù)載匹配。由于上管、下管的電壓一并由上管的陰極輸出，故這種電路又稱為并聯(lián)調(diào)整式推挽電路。其特殊的結(jié)構(gòu)減輕了電子管分布電容對(duì)高頻的影響，高頻響應(yīng)可比一般三極管電路寬三個(gè)倍頻以上，但由于上管陰極電壓約為1/2 Ea，已超過(guò)一般電子管陰極、燈絲間的限壓值，故應(yīng)用時(shí)最好讓燈絲帶70V左右的正電位懸浮工作，否則，可靠性較差。

2)計(jì)算方法

由于無(wú)負(fù)反饋時(shí)，Ri=△Ua/△Ia;有負(fù)反饋時(shí)屏流為△Ia/(1+S RK)。所以，上管的內(nèi)阻

Ri=△Ua/[△Ia/(1+S RK)]= Ra+μRK

這個(gè)Ri即為下管的負(fù)載，它在交流時(shí)等效并聯(lián)于下管的屏極，故電壓放大倍數(shù)

KV=SRa(Ra+μRK)/(Ra+ Ra+μRK)

=μ(Ra+μRK)/(2Ra+μRK)

考慮到負(fù)載接入時(shí)，放大倍數(shù)會(huì)有所降低，這時(shí)

KV=μ(Ra+μRK)/(Ra+RK)(Ra+RL+1)(Ra+μRK)

電路的輸出阻抗等Ro等于輸出電壓的變化量△Uo與上管、下管的總電流變化量△I1、下管產(chǎn)生的電流變化量△I2之和的比值。即：

Ro=△Uo/(△I1+△I2)

經(jīng)過(guò)一系列推導(dǎo)，可得：

Ro=Ra(Ra+RK)/[2Ra+(1+μ)RK]

其他參數(shù)的計(jì)算可參考三極管電壓放大電路的計(jì)算方法進(jìn)行。