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1、一款基于和田茂氏线路构架的电子管耳放的设计与制作 和田茂氏线路是一个比较经典的电子管前级设计,最早发表于1969年2月,虽然现在这种线路设计似乎被吹的神乎其神,但究其本质这个线路并没有太多创新的地方,只是将单元电路重新组合优化后的产物,但不可否认这个线路构架与当时主流的一些电子管前级线路比如C22、M7相比确实是有一些优势的,其电路图如下。 该线路采用三级放大设计,输入级和第二级使用高增益管12AX7组成共阴极放大线路,输出级则与常见的阴极输出不同,使用12AU7接成WCF线路,和田茂氏线路的精髓也就在于此。其实在不使用输出变压器的情况下,电子管耳放/前级的输出级只有四种线路可以选择,即阴极跟
2、随线路(Cathode Follower)、SRPP线路(Shunt Regulated Push-Pull)、SEPP线路(Single Ended Push-Pull)、WCF线路(White Cathode Follower)。近些年来虽然也有类似Grounded Grid AMP(共栅极放大)等较为创新的设计,但大多是在输入级上下功夫。 在这四种输出级线路中,如使用同型号电子管,阴极跟随线路的电压增益最低,输出阻抗比WCF线路略低一点,但可通过使用屏耗较高的功率管或并管来降低输出阻抗,常见的电子管耳放很多都是这种设计,输出管则多用6N5P(即6080、6AS7)。SEPP线路的电压增益
3、是最高的,但输出阻抗同样也是最高的。较高的输出阻抗显然是不利于驱动中低阻抗的耳机的,但在电子管OTL功放中似乎用的比较多。SRPP线路的电压增益和输出阻抗比较适中,价格高昂的EARMAX PRO这款耳放输出级就是用6922接成SRPP线路,但和WCF线路相比它的输出阻抗还是要高很多的。WCF线路兼顾电压增益与输出阻抗,电压增益接近1比阴极跟随线路高,而输出内阻却与阴极跟随线路差不多,同时可以与第二级电路进行直接耦合,我认为是比较优秀的输出级线路,唯一美中不足的是每台双声道单端机器都需要使用四枚双三极管,与C22之类的线路比多了一个管子。但这是对于当年的条件来说的,就现在来看,多了几W的灯丝功耗
4、和一枚电子管是没有什么大影响的。 线路构架使用和田茂氏线路,但器件参数与原设计不同。这主要是考虑现在的音源与当年有很大区别,原机输入级使用12AX7。这是一枚高值的双三极管,虽然增益较高,但内阻也同样较高,过高的内阻会限制了整机动态表现。因此输入级使用中值的12AT7(12AT7名管的价格也比12AX7要低不少),缓冲和输出级则使用12AU7,同时有意增大输出级的工作电流,以提高带载能力。 在实验过程中我是用输出电压为250V的变压器作为整机供电,晶体管桥式整流配合CLC滤波(82F*2+10H),实测带载电压340V左右,即B+=340V,输入级工作电压设定为250V。第一级和第二级均为RC
5、耦合的共阴极放大器,设计过程在任何一本电子管电路设计的教材中都能找到。简单地说就是在已知供电电压B+的情况下,设定屏极电阻Rp并以此为斜率在右特性曲线上绘制屏极负载线,选定栅偏压确定静态工作点,根据工作点计算阴极电阻Rk,在不严谨的设计中这样基本就可以了,阴极电容和屏极耦合电容根据经验值估算。 在这种简单估算的条件下,有几点需要指出。1.这个线路设计输出级使用WCF电路,灯丝阴极电压差较大,需要提高灯丝电位,并尽可能选择灯丝阴极耐压较高的电子管(网上有些套件使用12AT7代替12AU7,虽然从屏耗上来说问题不大,但12AT7灯丝阴极最高电压差仅为90V,可能会发生击穿的问题),否则可能会发生击
6、穿或引入交流声的问题。2.提高屏极电阻阻值有利于提高增益,但与此同时屏极内阻rp也会相应增大导致线性范围减小,再加上现在的信号源输出电平较高,因此屏极电阻取值不宜过大,尤其是对于12AX7之类高值的电子管(本机使用12AT7,值比12AX7因此为了保证足够的增益,不建议用太小的屏极电阻)。3.WCF电路输出级上管屏耗比下管要高很多,调整输出级工作点时应首先注意上管的屏极耗散功率,防止出现红屏的现象。 所有电子管特性曲线均使用美国GE给出的官方资料,在试验过程中尽量使用原型号而不是替代型号进行试验,更换电子管后需要从新测试调整工作点。 第一级设计参数如下:电子管型号:12AT7,供电电压Up=2
7、50V ,工作点Ip=1.6mA Ug=-1.5V ,屏耗Pp=0.4WPpMAX,Rp=100K PRp=0.256W,Rk=909 PRk=0.0023W,Rg=330K 如使用12AX7作为输入级,则工作点如下 第二级设计参数如下:电子管型号:12AU7,供电电压Up=340V ,工作点Ip=8.3mA Ug=-6.8V Up187V ,屏耗Pp=1.55WPpMAX,Rp=27K PRp=1.86W,Rk=1.2K PRk=0.083W,Rg=470K 和田茂氏线路比较复杂的地方在于第三级,即WCF缓冲输出的部分。WCF电路一般文章讨论比较少,在电子管声频放大器实用手册中将其描述为“并
8、联控制型级联放大线路”而Valve Amplifiers中则将之与-follower(跟随线路)、SRPP线路等放在一起讨论,也许他们都属于原著中所述的“the cathode follower with active load”(使用有源负载的阴极跟随线路)一类。 我认为WCF线路本质还是一个使用有源负载的阴极输出线路,设电子管V3的上半个三极管部分为V3A下边那个三极管部分为V3B。V3A栅极与前一级屏级电阻相连直接耦合构成阴极输出线路。屏极电阻RV3A其上的压降为V3B提供了输入信号,而V3B既是一个与V3A直耦的共阴极放大器,同时V3B与其周边元件又共同构成了V3A的阴极负载。V3A的
9、工作电流和工作点都由V3B来决定,工作电流与V3B相同,偏压则是V3B的屏极电压和第二级管子屏极电压之间的电压差。RV3A的取值与跨导有关,当Rp=1/Gm时效果较好,注意我们平时查到的跨导一般为典型值,比如12AU7的典型值Gm=2.2mA/V,但电子管工作电流不同时跨导会发生改变,需要根据具体工作状态调整。 第三级设计参数如下:电子管型号:12AU7,供电电压Up=340V,工作点(V3B)Ip=5.5mA Ug=-6.5V Up=193V 屏耗Pp=1.06W,V3A屏耗Pp=1.87W,Rp=620 PRp=0.019W,Rk=1.2K PRk=0.036W,Rg=1M(此时屏极内阻r
10、p9.6K,跨导Gm1.6mA/V,放大系数15.6) 电源部分使用了三枚电阻,R1、R2对高压进行分压,为输出级电子管提供一个高电位防止灯丝-阴极击穿,同时也是电源部分的泄放电阻。R1=100K R2=270K,将灯丝电位提高到92V。R3是降压电阻并与C9构成RC滤波,R3=27K。 为了方便,使用PCB制作这个线路,线路板选用2mm板材,70铜箔,沉金工艺。 胆机虽然通常使用大功率电阻制作,但在实际应用中可以发现有很多电阻的功耗并没有那么高,用小功率电阻完全可以。当然理论上用大功率电阻可以减小接触噪音,不过现在不同厂商的产品体积差异比较大,比如VISHAY PR02系列电阻,尺寸与DAL
11、E RN60类似,但功率能达到2W,因此从外部尺寸判断电阻功率也是不可靠的,而且大功率电阻的精度往往没有小功率电阻那么高,因此最好还是根据实际需要选择。但不管是用那种电阻,如使用PCB制作,在安装电阻的时候,功耗较高的电阻不能紧贴PCB安装。 滤波电容容量不需要太大,毕竟电子管机的工作电流很小,应当理性选择,没必要和晶体管机一样追求大水塘。尤其是使用电子管整流时,较大的滤波电容可能会烧毁整流电子管(在前级中常用的整流管6Z4就比较脆弱,5AR4之类的管子要强一些)。耦合电容选用薄膜电容,为了保险起见,耐压最好高于400V。 实验板完成图 最终的线路图和实测工作点如下 装配使用乐潘的P0702电
12、源变压器,电感使用10H 70mA的品种。第一级和第二级的电子管使用带中心抽头的那组灯丝绕组,中心抽头接地。输出级使用另外一组灯丝绕组,同时绕组单边接到高压分压处,抬高灯丝直流电位,灯丝供电线需绞合。因为整机功耗不大所以高压绕组只用一组即可,同样需要绞合。变压器屏蔽层、三孔电源插座中的接地针、线路板输出端的接地点三者都通过螺丝接到机壳上,RCA插座、电位器则不必接地。 输入管使用GE 6201(既12AT7WA),第二级和输出级使用GE 6189(既12AU7WA),这两个都是直代的品种,如使用5963之类的近似管则需要从新调整工作点。 整机无负反馈输出级无阴极电容的情况下计算输出阻抗297,使用大环路负反馈和阴极电容厚理论上输出内阻可以降低到30欧姆左右(参考电子管耳机放大器输出级电路分析这篇文章)。 听感上还不错,搭配32欧姆的低阻抗耳机效果还可以,但不如接高阻抗耳机效果好,这也是没办法的事情,电子管本身特性如此,如使用5687或12BH7等电子管作输出级会更适合低阻抗耳机。