基于電子管的低噪聲高靈敏小型音響設(shè)計與實現(xiàn)

孟榮恩，高金宇（通訊作者），李童陽，劉擁軍

（河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州，450046）

0 引言

電子管功放是早期的一種音頻功率放大器。近年來，隨著晶體管技術(shù)的的日益發(fā)展，晶體管功放以其體積小、重量輕、制作工藝簡單、成本低、壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)逐步取代了電子管功放而占據(jù)了主流市場。但是，晶體管功放在音質(zhì)方面顯得有些尖刺發(fā)燥，聽起來比較硬朗，不夠柔和；電子管功放則在音質(zhì)方面有極大的優(yōu)勢，聽起來比較柔和，給人一種溫文爾雅、無限溫馨的感覺[1]。正因為如此，電子管功放才沒有被市場淘汰，反而受到了一些音樂發(fā)燒友和古典音樂愛好者的追捧。然而，電子管功放體積大、制作工藝復(fù)雜、壽命短等缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了電子管功放的發(fā)展，因此，對電子管功放的結(jié)構(gòu)、功能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計還是很有實際意義的[2]。

1 電子管功放方案設(shè)計

在保證電子管功放基本功能的前提下，為了減小其體積、簡化制作工藝、延長電子管使用壽命、降低噪聲[3]，本文對電子管功放的內(nèi)部電路進(jìn)行了重新設(shè)計，具體方案如圖1所示。

圖1 電子管功放設(shè)計方案

膽石結(jié)合電源：本方案中的電源模塊采用快恢復(fù)二極管整流和電子管放大相結(jié)合的方式實現(xiàn)對輸入交流電源的整流放大。與傳統(tǒng)的純電子管整流放大電路相比，本設(shè)計具有整流效果好、體積小等優(yōu)點(diǎn)[4]。

高壓延時模塊：音頻放大器中的電子管的工作需要較高的電壓，由于電子管在冷管狀態(tài)下電阻較小，高壓突然介入，瞬時電流很大，容易對電子管造成不可逆的損傷[5]。因此，在膽石結(jié)合電源的輸出端增加一個82μF的電容，通過電容的充電實現(xiàn)電源輸出端電壓的逐步提升，進(jìn)而避免高壓的突然介入，實現(xiàn)對電子管的保護(hù)。

電壓檢測模塊：音頻放大器中電子管正常工作時，燈絲處于高溫狀態(tài)。由于燈絲的溫度和膽石結(jié)合電源輸出端的電壓成正比，通過檢測電源輸出端的電壓即可知道電子管的燈絲是否達(dá)到工作溫度。因此，可以通過電源檢測模塊檢測到的電壓值來判斷電子管功放能否投入工作，避免了電子管功放過早投入工作而造成的性能下降。

底噪抑制模塊：在電子管功放工作時，為了避免電子管燈絲與陰極間漏電而將燈絲中的交流聲感染到陰極上，本方案設(shè)計了底噪抑制模塊。具體方法是在燈絲上接一只可調(diào)的繞線電位器，兩端接燈絲，中心頭接地，調(diào)整中心頭的位置使兩端阻值相等，進(jìn)而使兩端的交流電位相等而抵消，實現(xiàn)噪聲抑制功能。

負(fù)反饋模塊：在電子管功放電路中，負(fù)反饋電路對整機(jī)的交流聲和失真有極大地改善[6]。因此，本設(shè)計在一級放大電路中引入串聯(lián)電壓負(fù)反饋電路作為負(fù)反饋模塊，將輸出信號取出一部分回送到輸入端，達(dá)到削弱原輸入信號強(qiáng)度，降低失真的目的。

2 電子管功放電路實現(xiàn)

本文中的電子管功放電路主要可分為兩大部分，分別是電源部分和功率放大部分。電源部分采用由4個快恢復(fù)二極管FR207組成的整流電路進(jìn)行整流，采用6Z4旁熱式陰極雙陽極整流電子管與電容串聯(lián)的方式實現(xiàn)電壓的逐步提升。元件性能參數(shù)如表1和表2所示，電源部分原理圖如圖2所示。

圖2 膽石結(jié)合電源原理圖

表1 FR207參數(shù)表

表2 6Z4參數(shù)表

功率放大部分采用1支6N2電子管推動1支6P14電子管的兩級放大設(shè)計。同時，在第一級放大電路中引入由RP4和R10組成的串聯(lián)電壓負(fù)反饋，達(dá)到降低放大失真，提高還原度的效果。除此之外，還分別在6N2電子管和6P14電子管的燈絲兩端接入一只可調(diào)的繞線電位器，實現(xiàn)抑制噪聲的功能。為了進(jìn)一步提升電子管功放的音質(zhì)，功率放大部分電路在進(jìn)行設(shè)計時采用了雙聲道隔離技術(shù)和聲道放大平衡技術(shù)[7]。雙聲道隔離技術(shù)是在對音源信號進(jìn)行放大前就將左聲道和右聲道的信號進(jìn)行分離，然后分別由兩個獨(dú)立的放大電路對其進(jìn)行信號放大，這樣避免了交越失真，提升了功放音質(zhì)；聲道平衡技術(shù)是在左右聲道的放大電路之間加入一個平衡電路，確保左右聲道上音源的放大倍數(shù)完全相同，避免由于兩個獨(dú)立放大電路各元件性能參數(shù)誤差的不同導(dǎo)致左右聲道的放大倍數(shù)不完全相同的問題。6N2電子管參數(shù)如表3所示，6P14電子管參數(shù)如表4所示。功率放大部分電路原理圖如圖3所示。

表3 6N2參數(shù)表

表4 6P14參數(shù)表

圖3 電子管功放電路原理圖

在制作工藝方面，傳統(tǒng)電子管功放的制作主要是由手工焊接完成，存在工作量大、工藝復(fù)雜、易出錯、體積較大等缺點(diǎn)。為了克服這些缺點(diǎn)，本文采用了PCB設(shè)計布線的方式對電子管功放的電路進(jìn)行PCB設(shè)計，將電子管功放電路整合在一塊PCB板上，簡化了制作工藝，減小了功放體積。電子管功放PCB電路板如圖4所示。

圖4 電子管功放PCB電路板

3 電子管功放性能測試

電子管功放制作完成后，我們主要對電子管功放的噪聲和失真兩項指標(biāo)進(jìn)行了測量。最大噪聲如圖5所示，電子管功放的最大噪聲大約只有70dB。電子管功放在1/2功率輸出和全額功率輸出兩種情況下，將音源頻率從1kHz逐步上升至20kHz，電子管功放的輸出電壓如圖6所示。經(jīng)過分析可知，電子管功放的最大失真只有10.1%，與傳統(tǒng)電子管功放相比，在性能上得到了較大的提升。

圖5 最大噪聲

圖6 電子管功放輸出電壓

4 結(jié)束語

功放機(jī)市場的主流雖然早已被晶體管功放所取代，但是電子管功放特有的“膽味”音質(zhì)使其在市場上仍有一席之地。本文對傳統(tǒng)電子管功放的電路和制作工藝加以改進(jìn)和優(yōu)化，減小了電子管功放的體積；采用雙聲道隔離技術(shù)和聲道平衡技術(shù)，進(jìn)一步提升了電子管功放的音質(zhì)，對電子管功放的發(fā)展具有重要意義。