超音頻正弦波電子管放大器燈絲伺服電路的設(shè)計(jì)

孟易鴻

摘要 電子管放大器又稱膽機(jī)，是音響業(yè)界最古老而又經(jīng)久不衰的常青樹，其顯著的優(yōu)點(diǎn)是聲音甜美柔和，溫暖耐聽，音樂感好，尤其動(dòng)態(tài)范圍之大，線性之好，絕非其他器件所能替代，當(dāng)今世界上頂級(jí)的音響設(shè)備無一例外均是采用電子管放大器技術(shù)設(shè)計(jì)的膽機(jī)。筆者主要分析了超音頻正弦波電子管放大器燈絲伺服電路，希望能夠更好的提高電子管放大器本身的音質(zhì)。

【關(guān)鍵詞】超音頻 正弦波 燈絲伺服

電子管放大器又稱膽機(jī)，是音響業(yè)界最古老而又經(jīng)久不衰的常青樹，其顯著的優(yōu)點(diǎn)是聲音甜美柔和，溫暖耐聽，音樂感好，尤其動(dòng)態(tài)范圍之大，線性之好，絕非其他器件所能替代，當(dāng)今世界上頂級(jí)的音響設(shè)備無一例外均是采用電子管放大器技術(shù)設(shè)計(jì)的膽機(jī)。因此對(duì)膽機(jī)燈絲伺服電路進(jìn)行深入研究，并結(jié)合當(dāng)今新理論和的數(shù)字化技術(shù)新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的膽機(jī)進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)、提升性能，是非常有意義的工作。

本文詳細(xì)深入的分析了電子管放大器的燈絲供電電路，并結(jié)合當(dāng)今的數(shù)字化技術(shù)提出了基于直接數(shù)字合成技術(shù)的超音頻正弦波電子管放大器燈絲伺服電路，用于電子管放大器的燈絲供電，延長(zhǎng)了燈絲的壽命，消除了交流聲，提高了電子管放大器的音質(zhì)。

具體分析電子管放大器的電源電路：傳統(tǒng)的電子管電源電路一般由供給電子管的燈絲、屏極和柵極的電源構(gòu)成，又稱“甲電”、“乙電”、“丙電”。其中“乙電”、“丙電”，由電源變壓器的次級(jí)高壓經(jīng)全被整流后變成脈動(dòng)的直流電壓，再經(jīng)過電容電感組成的LC濾波電路，得到平滑的直流電壓供給，50Hz工頻干擾在電源部分通過電容電感濾除，不進(jìn)入電子管內(nèi)部。但其中的“甲電”又稱燈絲電壓一般由交流電壓直接供給，50Hz工頻直接進(jìn)入電子管內(nèi)部形成一個(gè)工頻干擾源，用傳統(tǒng)方法不易消除。目前常用的幾種燈絲供電方式均存在各自的問題，有提升改造的必要，具體分析如下：

1 傳統(tǒng)燈絲供電電路分析

傳統(tǒng)燈絲供電電路一般有兩種形式：工頻交流供電、直流供電。

1.1 工頻交流供電電路

工頻交流供電，最普通的燈絲供電方式。電源變壓器的燈絲繞組產(chǎn)生的6.3V交流電壓直接對(duì)燈絲供電。不過這種供電方式高檔放大器已不再采用。目前高檔電子管放大器為了降低燈絲干擾，抑制交流感應(yīng)噪聲，都采用交流燈絲接地電路（圖1），在電源變壓器燈絲繞組設(shè)置中心抽頭并使中心抽頭接地，燈絲連線采用雙絞線進(jìn)行連接，利用兩組燈絲繞組電流方向相反，使電場(chǎng)相互抵消，以抑制交流感應(yīng)噪聲。

1.2 直流供電電路

為了徹底去除50Hz交流干擾，和提高電源穩(wěn)定度，一些電子管放大器采用了直流供電電路。

圖2中采用了常規(guī)穩(wěn)壓電源電路，為燈絲提供了一個(gè)穩(wěn)定的直流供電電路，直流供電雖然截?cái)嗔?0Hz交流進(jìn)入電子管的途徑，似乎從“理論”上消除了燈絲存在的交流干擾，但經(jīng)過實(shí)際聽音和深入分析后發(fā)現(xiàn)其負(fù)面影響也是巨大的。甚至可以說直流供電方案得不償失。

燈絲的直流供電電路存在的問題：

（1）直流電通過燈絲會(huì)產(chǎn)生一個(gè)極性固定的磁場(chǎng)，對(duì)電子的發(fā)射（尤其對(duì)直熱三極管）產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)效應(yīng)，不僅使電子運(yùn)動(dòng)軌跡成曲線，相對(duì)單位時(shí)間發(fā)射的電子數(shù)量減少;還降低了電子發(fā)射的動(dòng)能，使其力度減弱。

（2）燈絲磁化，是導(dǎo)致直流電燈絲壽命較短的物理原因之一。交流電對(duì)電子的發(fā)射沒有偏轉(zhuǎn)影響。電子的運(yùn)動(dòng)軌跡是最短的直線距離，電子的動(dòng)能足，發(fā)射速度快，單位時(shí)間發(fā)射的電子數(shù)量多。這就是交流燈絲膽機(jī)音樂力度比直流燈絲膽機(jī)音樂力度強(qiáng)的物理原因。

（3）直流燈絲供電會(huì)造成電子管的早衰。電化學(xué)知識(shí)表明：不同的金屬的化學(xué)電極勢(shì)各自不同，直流大電流通過兩種不同金屬材料的連接處時(shí)會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)效應(yīng)，造成電腐蝕。功率電子管的燈絲電流相當(dāng)大，改為直流供電后燈絲和管腳引線的焊接處可能因直流電腐蝕而燒斷，減少電子管的壽命令電子管過早損壞。

實(shí)際聽音也證明燈絲交流供電比直流供電音色更好，燈絲壽命更長(zhǎng)。所以直流燈絲供電并不是一個(gè)好的供電方案。

2 超音頻正弦波電子管放大器燈絲伺服電路方案

上述兩種傳統(tǒng)供電方案不能完美的解決燈絲供電的干擾問題和燈絲壽命問題，加之燈絲在上電時(shí)承受大的沖擊電流，容易造成燈絲沖擊熔斷，影響電子管壽命。基于以上的分析，本文章提出一種“超音頻電子管放大器燈絲伺服電路”，配合開機(jī)軟上電，在去除50Hz工頻干擾改善音質(zhì)的同時(shí)，也提高了燈絲的壽命。

2.1 實(shí)現(xiàn)思路

為燈絲提供超音頻的純正弦波的驅(qū)動(dòng)電壓去驅(qū)動(dòng)燈絲，這樣驅(qū)動(dòng)燈絲電流的交流頻率在人耳的聽覺（ 20H-20KHz）以外，人耳無法覺察，因?yàn)槭羌冋也ń涣鞴╇?，上述直流供電的弊端均不?fù)存在。交流供電不會(huì)對(duì)燈絲造成不良影響。為了避免上電時(shí)全部額定電壓瞬間直接加到燈絲對(duì)燈絲的沖擊，設(shè)計(jì)了軟上電電路，用數(shù)字電位器實(shí)現(xiàn)，在上電時(shí)數(shù)字電位器置零，在上電后的十秒鐘內(nèi)線性平滑的調(diào)到最大值，實(shí)現(xiàn)燈絲電壓由零到額定值的“軟上電”，保護(hù)燈絲免受沖擊，提高了燈絲的壽命，使電子管的壽命得以延長(zhǎng)。

具體實(shí)現(xiàn)：正弦波信號(hào)發(fā)生采用直接數(shù)字式頻率合成器（ Direct Digital Synrhesizer）DDS數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，DDS具有高精度、高分辨率、低諧波干擾等優(yōu)點(diǎn)，采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)產(chǎn)生頻譜純凈、幅值穩(wěn)定的超音頻正弦波信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)過功率放大，為燈絲提供純凈穩(wěn)定激勵(lì)電源。并在上電時(shí)為燈絲提供一個(gè)電壓緩慢上升的軟上電過程，減小燈絲的沖擊電流，延長(zhǎng)燈絲壽命。

2.2 電路實(shí)現(xiàn)

電路主要包括正弦波信號(hào)發(fā)生電路、數(shù)字電位器、低通濾波器、功率放大電路、CPU電路和電源電路。如圖3所示：正弦波信號(hào)發(fā)生電路、數(shù)字電位器、低通濾波器、功率放大電路依次相連，正弦波信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生的正弦波信號(hào)通過數(shù)字電位器分壓后進(jìn)入低通濾波器濾除高次諧波，得到25KHz的幅度穩(wěn)定的正弦波進(jìn)入功率放大電路進(jìn)行功率放大，產(chǎn)生6.3VRMS、25KHz的正弦波為電子管放大器燈絲提供激勵(lì)電壓。

具體電路如圖4所示：由正弦波信號(hào)發(fā)生芯片AD9833，數(shù)字電位器軟上電電路AD5263，低通濾波器AD829，功率放大電路LM3886。DDS芯片產(chǎn)生的正弦波信號(hào)，通過數(shù)字電位器分壓后進(jìn)入二階巴特沃斯低通濾波器濾除高次諧波，得到25KHz的幅度穩(wěn)定的正弦波，之后進(jìn)入LM3886構(gòu)成的放大器進(jìn)行功率放大，產(chǎn)生6.3VRMS，25KHz的正弦波為電子管燈絲提供激勵(lì)電壓。CPU電路如圖5所示：STM32F030F4的硬件SPI口連接AD9833和AD5263，PA3、PA4為兩芯片提供片選信號(hào)。

軟件實(shí)現(xiàn)：軟件功能較為簡(jiǎn)單，STM32F030F4上電后初始化SPI口，后將數(shù)字電位器置為最低，之后控制DDS芯片輸出，再緩慢提高數(shù)字電位器輸出，使功放輸出合適的電壓，提供給燈絲。這方面的文獻(xiàn)、例程較多很容易獲得，本文不再贅述。

本文章摒棄了傳統(tǒng)的電子管燈絲供電方案，取代以超音頻燈絲供電方式，這是使用現(xiàn)代數(shù)字化技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)電子管放大器進(jìn)行性能提升的有益嘗試。