高保真電子管耳機(jī)放大器的設(shè)計(jì)

李永星 孫雷明

【摘要】高檔耳機(jī)的輸入阻抗較高，所需的推動(dòng)功率也比較大。大多數(shù)音源無法完美推動(dòng)，所以在音源和耳機(jī)之間加入耳機(jī)放大機(jī)就成為必要。利用電子管6N11，采用一級(jí)陰極放大電路作為前級(jí);利用VMOS管IRF610，采用CCS單端放大電路作為后級(jí)，制作出一款簡(jiǎn)單的耳機(jī)放大器，取得了較好的聽音效果 。

【關(guān)鍵詞】耳機(jī)放大器;電子管;CCS

耳放，是耳機(jī)放大器的簡(jiǎn)稱。

在耳機(jī)系統(tǒng)中，音源與耳機(jī)之間加入一個(gè)耳機(jī)功率放大器的環(huán)節(jié)，可以改善音質(zhì)、調(diào)整系統(tǒng)的音色走向，特別是千元以上較為高檔的耳機(jī)，使用耳機(jī)放大器后音質(zhì)改善是明顯可聞的。目前的很多音源，尤其以電池為電源的，大多有耳機(jī)輸出插孔，但是為了降低成本、增加播放時(shí)間，這個(gè)插孔的電路和用料普遍十分平庸，不能滿足高保真聽音的需求輸出功率都比較小，因此，如果耳機(jī)靈敏度不是很高，音源輸出功率不是很大，加耳放，對(duì)于音質(zhì)是會(huì)有明顯提升的。

耳機(jī)放大器的設(shè)計(jì)制作類似于前級(jí)放大器，很多耳機(jī)放大器可當(dāng)作前級(jí)來使用，對(duì)信噪比、失真等指標(biāo)要求很高。由于耳機(jī)的靈敏度很高，電路設(shè)計(jì)稍有不慎，用耳機(jī)很容易聽出噪音或失真。

在這次設(shè)計(jì)中，前級(jí)放大電路原理如圖1所示。

圖1 前級(jí)放大原理圖

前級(jí)放大電路設(shè)計(jì)中，采用電子管6N11做前級(jí)放大。6N11屬于旁熱式陰極高頻低噪聲高頻電壓放大雙三極管。雖然該管在過去爭(zhēng)議頗多，但是目前很多電子管廠及多個(gè)品牌的國(guó)產(chǎn)音響放大器都使用該管，由此可見它的聲音自然有不凡之處。

用電子管制作的功放，被發(fā)燒友稱作膽機(jī)。電子管自1904年英國(guó)工程師菲利明（Fleming）發(fā)明，迄今已逾百年。到了信息時(shí)代的今天，電子管在電子世界的大部分領(lǐng)域已銷聲匿跡，被晶體管取而代之。但在一些特殊領(lǐng)域中，電子管還擁有無法代替的地位，特別是在音響發(fā)燒器材的龐大隊(duì)伍中，電子管還有著晶體管無法體現(xiàn)的引人入勝的獨(dú)特魅力，用電子管制作的高保真音頻功率放大器以其獨(dú)有的特色、醇厚優(yōu)美的音質(zhì)，有別于晶體管功放。所以在音響領(lǐng)域，電子管仍保有重要位置而且長(zhǎng)盛不衰。

電子管在音響應(yīng)用方面，最簡(jiǎn)單又最實(shí)用的莫過于作前級(jí)放大，因?yàn)榍凹?jí)不需要昂貴又復(fù)雜的輸出變壓器，同時(shí)也由于它需要的工作電源電壓高，這使得訊號(hào)的放大倍數(shù)較大、動(dòng)態(tài)裕量高，即使是放大到幾十伏電壓也不會(huì)因?yàn)楣╇妷旱南拗贫斐上鞑ㄊд妗?/p>

在電子管耳機(jī)放大器設(shè)計(jì)中，由于電子管本身的內(nèi)阻數(shù)值較高，為保證耳機(jī)放大器能夠和負(fù)載實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，控制耳機(jī)放大器的輸出阻抗是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。在常用的幾種電子管耳機(jī)放大器輸出級(jí)電路中，包括Cathode Follower（射極跟隨器）、SRPP（Shunt Regulated Push-Pull分流調(diào)整式推挽放大器）和SEPP（Single-Ended Push-Pull 單端推挽）電路。

在這次設(shè)計(jì)中，除耦合電容改用較佳的Wima電容外，電阻也采用低噪無磁的國(guó)產(chǎn)軍工大紅袍，整流管用IN5407。

在這次設(shè)計(jì)中，沒有加入負(fù)回饋，如果感興趣的可以自己嘗試，但此時(shí)要注意反饋電阻要接往的是柵極而不是陰極，這與兩極共陰極放大輸出端的波形是反相的，如入陰極，會(huì)使陰極極電位下降，相對(duì)柵極電位提高而形成正反饋。除了加設(shè)負(fù)回饋，當(dāng)然也可嘗試換用不同品牌的電容作校聲試驗(yàn)，也可通過改變輸出電容數(shù)值或改變負(fù)載電阻數(shù)值等作進(jìn)一步嘗試。在制作過程中曾試用了Wima電容以及國(guó)產(chǎn)新德克等，結(jié)果是Wima音質(zhì)通透，速度適中，但音樂味有些偏淡;新德克韻味不錯(cuò)，但通透性、分析力稍感欠缺。總之這個(gè)一級(jí)共陰極放大前級(jí)的特點(diǎn)是音質(zhì)通透、音樂的背景寧?kù)o，分析力較高，全頻表現(xiàn)相當(dāng)均衡。

后級(jí)采用場(chǎng)效應(yīng)管IRF610進(jìn)行放大，采用這種設(shè)計(jì)形式，既保留了電子管功放音色耐聽、數(shù)碼味小的特點(diǎn)，又避免了電子管功放笨重的輸入輸出變壓器，整機(jī)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，外觀大方，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

圖2 后級(jí)放大原理圖

后級(jí)放大電路原理如圖2所示。從電路上看，這是一個(gè)非常適合自做的放大器，電路采用了簡(jiǎn)單的單端A類電路，圖3（a）所示的是普通的電阻負(fù)載單端A類放大電路，效率最高為12.5%。（b）圖所示的A類放大器采用了CCS（Constant Current Source，恒流源）取代了無源的電阻偏置，CCS的特點(diǎn)是能夠提高效率，最高能夠達(dá)到25%?？紤]各種因素之后，最終采用了CCS放大電路形式。

圖3 單端A類放大電路

圖2所示的電路有兩點(diǎn)需要注意：一是基于場(chǎng)效應(yīng)管的源極跟隨器的電流驅(qū)動(dòng)能力比較強(qiáng)，但是電壓增益小于1，因此這個(gè)電路只適用于無需電壓增益的應(yīng)用，其次，所示的單端電路對(duì)電源紋波的抑制能力非常弱，很容易受到電源噪聲的干擾，因此最好采用穩(wěn)壓電源供電，質(zhì)量比較好的電源適配器，以滿足需要。

圖中所用VMOS的型號(hào)為IRF610，實(shí)際上很多類似的型號(hào)都可以采用，如IRF630、IRF510、IRF530等等。恒流源采用常見的LM317構(gòu)成的電路，設(shè)計(jì)恒流電流為250mA。恒流電流值可以根據(jù)公式Iout=1.25/R5，電流單位為安培，電阻單位為歐姆。

最終設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖4所示，印刷版PCB圖如圖5所示。

圖4 電路原理圖（另一聲道相同）

圖5 印制板PCB圖

雖然這個(gè)耳機(jī)放大器的電路只是簡(jiǎn)單的單端A類放大電路，但是它的聲音確實(shí)令我非常滿意，推動(dòng)我的森海塞爾HD600耳機(jī)顯得輕松自如，聲音效果也不錯(cuò)。更主要的是完全由自己設(shè)計(jì)制作完成，聽著美妙的音樂，心情上更為舒暢。