一基于wcf线路的电子管耳放的设计制作

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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

2、/前级的输出级只有四种线路可以选择， 即阴极跟随线路 （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

3、计，输出管则多用 6N5P（即 6080、 6AS7）。 SEPP 线路的电压增益是最高的， 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

4、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 250

5、V 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 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，

6、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

7、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=250V ，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、=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 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 WC

9、F 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

10、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 rp9.6K，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

11、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 DALE 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

12、， 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

13、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。