高品質(zhì)耳放設(shè)計(jì)研究

庾東興

摘 要：當(dāng)今是集成電路、晶體管飛速發(fā)展的時(shí)代，雖然電子管早已被淘汰，但電子管所具有的特性是不可忽略的，尤其在音響設(shè)備音頻放大器上的魅力是無法被取代的。由此，筆者利用電子管所特有的性能，借用電腦設(shè)計(jì)、計(jì)算，手工打造了一款效果極佳的耳機(jī)放大器。

關(guān)鍵詞：耳機(jī)放大器;電路原理;元器件

中圖分類號(hào)：TN643;TN722文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）29-0058-03

Absrtact： Today is the era of rapid development of integrated circuits and transistors. Although electronic tubes have long been eliminated， the characteristics of electronic tubes can not be ignored， especially in audio amplifiers of audio equipment， the charm can not be replaced. Therefore， the author manually built an excellent headphone amplifier by using the unique performance of the electronic tube and computer design and calculation.

Keywords： headphone amplifier;circuit principle;components

在電子科技飛速發(fā)展的今天，人們?cè)谙硎芪镔|(zhì)生活的同時(shí)，也在追求更美好的精神生活，而音樂則是人們精神生活中不可或缺的組成部分，人們會(huì)借助各種音響設(shè)備來欣賞自己喜歡的音樂，愉悅心情。當(dāng)前，集成電路、晶體管已經(jīng)基本取代電子管，電子管雖已成為歷史，但它給人們帶來的特有的音樂魅力是無法被取代的。由此，筆者利用電子管的特性，借助電腦設(shè)計(jì)、計(jì)算，手工打造了一款效果極佳的耳機(jī)放大器。

1 電路原理簡(jiǎn)介

整機(jī)線路如圖1所示，是一款相當(dāng)簡(jiǎn)單的兩級(jí)放大電路。

輸入電壓放大級(jí)Q1用WE396A，功率放大級(jí)Q2用EL95。Wl是音量電位器，R1是電壓放大管Q1的柵極電阻，R2是陽極電阻，R3是陰極電阻。R3的取值和本級(jí)靜態(tài)工作電流直接相關(guān)，靜態(tài)時(shí)，陰極電流流經(jīng)R3時(shí)產(chǎn)生壓降，使陰極電位提高，且柵極經(jīng)電阻Rl接地，Q1的工作范圍在Al類，沒有柵流流經(jīng)Rl，故此Q1的柵極處在零電位上，相對(duì)于陰極而言是負(fù)壓。由于本極電流取值較大（對(duì)于電壓放大級(jí)而言），達(dá)6.8mA，所以R2、R3的阻值并不大。由R3阻值大小可以確定Ql的靜態(tài)電流，R2的取值隨Ql電流大小調(diào)整確保Ql的工作點(diǎn)正常。R3上沒有并聯(lián)電容，故其也是本級(jí)的電流負(fù)反饋電阻。

C1是兩極間的耦合電容，其作用是將Q1放大后的信號(hào)耦合到Q2的柵極，同時(shí)隔離兩極間的直流電壓，使Q2的工作點(diǎn)不受Q1的影響。兩極當(dāng)然也可以嘗試極間直耦，但Q2的柵極電位也要升高至Q1的陽極，為確保原有的工作點(diǎn)不變，Q2的陰極電阻阻值要加大，陽極電壓要升高。直耦電路使信號(hào)通道更直接，同時(shí)減少了耦合電容帶來的音染。但是，在這個(gè)電路里，直耦就意味著要提升電源電壓并加大Q2陰極電阻的功耗，而且兩極間的工作點(diǎn)直接相關(guān)，同時(shí)也加大了調(diào)試的難度。權(quán)衡利弊，筆者還是選用了電容耦合，耦合電容帶來的失真小到可以忽略，帶來的音染也可以督促設(shè)計(jì)者及時(shí)校音。C3和L4組成兩極間的電源退耦電路，消除兩極間的電源調(diào)制影響[1]。

Q2采用EL95，其是一只功率五極管，在這里，筆者將Q2接成三極管狀態(tài)，希望能得到更小的失真和柔和的音色，以平衡AKG501的薄和冷的聲底。R4、R5分別為Q2的柵極和陰極電阻。R4基本確定了Q2的輸入阻抗，在這里，R5并聯(lián)有陰極電容C2，以提高本極的增益和效率。Q2主要是通過R6來接成三極管，該電阻的設(shè)定主要是使C2的電壓稍低于陽極電壓，同時(shí)該電阻又有一定的消震作用。輸出變壓器是Q2的負(fù)載，其品質(zhì)的好壞很大程度上決定整機(jī)的性能，設(shè)計(jì)時(shí)低頻下限在-0.5dB下取值45Hz，效率按85%計(jì)算。實(shí)際使用25.4mm×40mm鐵芯，一次側(cè)用0.17mm漆包線繞3 360匝;二次側(cè)125Ω繞組用0.4mm漆包線繞560匝;600Ω繞組用0.13mm漆包線繞1 200匝，其線包結(jié)構(gòu)如圖2所示。

這個(gè)電路的實(shí)際輸出功率為1W，對(duì)于耳機(jī)放大器來說，已經(jīng)跨入“大功率”的行列，足以應(yīng)付效率相對(duì)較低的AKG501。二次側(cè)繞組中600Ω繞組作線路輸出，用本機(jī)做兩極時(shí)可以從這里輸出，R7是這個(gè)繞組的負(fù)載電阻，因?yàn)樵摾@組的線徑比較細(xì)，所以其也要取得比實(shí)際輸出大的阻抗。

電源電路如圖3所示，變壓器雙200V交流經(jīng)Dl、D2全波整流，再經(jīng)過由C4、C5、C6、C7以及Ll、L2、L3組成的二級(jí)“π”形濾波。因?yàn)閱味斯β史糯缶€路對(duì)電源的噪聲沒有像推挽線路那樣有抑制作用，因此，單端功放對(duì)電源的要求很高。此外，因?yàn)槎鷻C(jī)的靈敏度較高，因此，要加強(qiáng)對(duì)電源的重視。設(shè)立兩極“π”形濾波，降低電源的紋波系數(shù)。R8是電源的泄放電阻，在關(guān)機(jī)電子管停止工作后，這個(gè)電阻就會(huì)把電容中殘存的電能放掉。高質(zhì)量的電源也是做好耳機(jī)放大器的最基本保證。

2 元器件選擇

元器件對(duì)音色的影響較大，無論是有源器件如電子管、晶體管等，還是無源器件如電阻電容等，都能或多或少地影響整機(jī)的聲音。單就電阻而言，碳質(zhì)實(shí)心電阻、碳膜電阻、金屬膜電阻等不同類型的電阻，就有不同的聲音取向。電容類更是紛繁復(fù)雜，如瓷片電容、云母電容、金屬化紙介電容、油浸電容等，其中，紙介電容的損耗較大，性能不穩(wěn)定，但其以特有的聲音表現(xiàn)，至今仍受到電子管愛好者的喜愛。有機(jī)薄膜電容的種類較多，有聚酯電容（CL）、聚苯乙烯電容（CB）、聚丙烯電容（CBB）、聚四氟乙烯電容（CF）、聚碳酸酯（CQ）等。同一類型的電容也會(huì)因不同廠家的不同結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝有著截然不同的聲音表現(xiàn)，如MKP電容中，WIMA的清晰，SOLON的陰柔，RIFA的中性，JENSEN的通透。具體如何選用阻容器件，依個(gè)人愛好、線路特點(diǎn)及校音目標(biāo)而定。

根據(jù)制作耳放的目的，為配合AKG501，在阻容元件的選取上經(jīng)過實(shí)際的試驗(yàn)、調(diào)校，最后選擇了美國(guó)的AB碳質(zhì)電阻，雖然其比金屬膜電阻的噪聲大，但在可以容忍的限度內(nèi)，而其濃郁的音樂味正是AKG501所需要的。耦合電容選用一種早期國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的瓷管密封的紙介電容，其在表現(xiàn)豐富細(xì)節(jié)的前提下，具有致密的中低頻質(zhì)感及溫和的高頻表現(xiàn)，符合制作本機(jī)的要求。Q2的陰極電容C2選用了飛利浦的藍(lán)色軸向電解電容。主濾波電容C4和C5選用飛利浦的藍(lán)六角高壓電容，也是拆機(jī)舊品，以前裝機(jī)多次使用過。C5采用古董的美國(guó)西電電解電容，C6、C7是2只罐裝紙質(zhì)油浸電容，同樣也都是拆機(jī)舊貨。1只5H/l00mA和2只2H/120mA電感也是購(gòu)于舊貨市場(chǎng)的進(jìn)口拆機(jī)品[2]。

3 制作和裝配

元器件準(zhǔn)備完畢后，要對(duì)整機(jī)裝配進(jìn)行調(diào)試。整機(jī)裝配重點(diǎn)在于地線的排布和大小信號(hào)流程的安排。接地看似簡(jiǎn)單，其實(shí)最難處理，若有一點(diǎn)地方處理不當(dāng)，縱使電源濾波做得再好，也會(huì)引來不可忍受的交流噪聲。在這里，每個(gè)聲道、每一級(jí)都有單獨(dú)的接地點(diǎn)，這些接地點(diǎn)匯集到整機(jī)的總接地點(diǎn)，在輸入端的附近接機(jī)殼，以消除交流噪聲;信號(hào)流程要避免大小信號(hào)間的干擾，以提高聲音的透明度;元件排布上也應(yīng)如此，在避免相互干擾的前提下做到整齊有序，發(fā)熱配件還要考慮有足夠的散熱空間;小信號(hào)輸入端盡量遠(yuǎn)離噪聲源，如電源變壓器和濾波電感，以提高整機(jī)的信噪比;同時(shí)，輸入端也要避免后級(jí)的強(qiáng)信號(hào)竄入，做不好時(shí)不僅會(huì)影響聲音的清晰度，嚴(yán)重時(shí)還可能產(chǎn)生自激，使機(jī)器工作不穩(wěn)定。

通常情況下，電子管功放的焊接一般多采用搭棚焊接的方法，在走線處理上也要遵循減小干擾的原則。例如，低電平信號(hào)的引線不僅應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高電平引線和強(qiáng)干擾引線，而且要避免平行走線以減少耦合。同時(shí)，為減少引線的等效電容和電感，在走線轉(zhuǎn)彎處要避免為美觀而折成直角或銳角，應(yīng)彎成弧形。大電流的燈絲引線是一強(qiáng)干擾源，特別是燈絲交流供電時(shí)，稍有不慎，這50Hz的噪聲就會(huì)竄入信號(hào)通道，因此，燈絲引線要使用雙絞線，以減少泄漏的交流雜波。此外，走線要盡量遠(yuǎn)離輸入端，能屏蔽就更好。本機(jī)安裝采用電子管內(nèi)置的方式，主要考慮放置的方便，同時(shí)也因?yàn)橛鞋F(xiàn)成閑置的空機(jī)箱。輸入在機(jī)箱的右后側(cè)，放大部分在機(jī)箱的中部，電源變壓器、主濾波電容和電感都放在機(jī)箱的左側(cè)，2只輸出變壓器安裝在前側(cè)，3只電子管安裝在一塊專門制作的玻璃纖維印刷電路板上。經(jīng)過精心排布，整機(jī)的信噪比達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，雖然使用交流燈絲供電，但噪聲較低。

4 整機(jī)的調(diào)試

由于本機(jī)電路很簡(jiǎn)單，而且兩極放大都是自給偏壓設(shè)計(jì)，因此，其調(diào)試相對(duì)簡(jiǎn)單。在焊接完全部零件后，先不插電子管，將前面的音量電位器關(guān)小，通電檢查，在空載的情況下，高壓在280V左右，燈絲繞組的電壓交流6.3V也在正常范圍。之后關(guān)機(jī)，等濾波電容放電完畢后，插上電子管，在輸出端接上負(fù)載電阻，或者直接插上耳機(jī)再通電，此時(shí)電子管燈絲應(yīng)該正常點(diǎn)亮。在電子管預(yù)熱完畢后，測(cè)量C4上的電壓約為265V，電壓放大管的陰極和陽極電壓約為1.8V和175V，功率放大管的陰極電壓約為11.5V，沒有打火冒煙的現(xiàn)象，耳機(jī)里也聽不到異常的聲音?？梢?，整機(jī)的靜態(tài)工作點(diǎn)基本處在正常位置，接著就可以接入信號(hào)試聽[3]。

5 校音

在整機(jī)調(diào)試過程中，陽極的工作電流對(duì)聲音的影響也給人留下了深刻的印象，從開始設(shè)定的1mA起，逐漸加大電流，音質(zhì)逐步改善，聲音的厚度也隨之增加，6～8mA時(shí)最佳，再調(diào)大電流就有過載現(xiàn)象。對(duì)于陰極電容，電壓放大級(jí)396的陰極不加電容比加電容好，而功率放大級(jí)EL95卻相反，陰極電阻上并聯(lián)一個(gè)電容后聲音更接近所追求的那類，而且這個(gè)電容和耦合電容一樣重要，幾乎是用什么電容出什么聲，很容易聽出區(qū)別。

經(jīng)過兩周不斷電的煲機(jī)，確認(rèn)本機(jī)已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Morgan Jones.電子管放大器[M].薛國(guó)雄，譯.北京：人民郵電出版社，2013.

[2]龍淡樵，孫重威.怎樣設(shè)計(jì)放大器[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1962.

[3]徐松森，徐柏華.高保真膽機(jī)制作詳解[M].成都：電子科技大學(xué)出版社，2012.