高品质动圈耳机电子管放大器
Helmut Becker, Michael Oberesch
Glass Audio 01-0-1988
只有我们中的少数人有幸以与原始演奏相当的音量聆听音乐。 不是因为我们缺乏合适的设备，而是邻居强迫我们减少体积。 这个问题有两个答案。 我们要么搬到远离文明的公寓，要么使用耳机。 第二种选择肯定更便宜，并且具有额外的优势：就音质而言，没有任何扬声器可以与耳机竞争。
大多数立体声制造商似乎忽略了这样一个事实：耳机是最好的换能器之一。 几乎所有放大器都有耳机插孔，但这种输出通常充其量是不够的。
平淡、糟糕、简单
通常，耳机与扬声器并联连接，其中，作为一个选项，可以关闭扬声器。 耳机系统的阻抗范围为 8 至 2kΩ，但通常与耳机串联一个约 300Ω 的电阻。
这可以防止 8Ω 扬声器输出端电压过高而导致过载。 当连接到高阻抗系统时，该电阻器仅产生可忽略不计的压降。
到目前为止，一切似乎都很好。 然而，电阻解决方案忽略了这样一个事实：动圈耳机以及扬声器需要通过放大器的低内部阻抗进行阻尼。 上述串联电阻系统地防止了这种阻尼。
另一个缺点是功率放大器中使用的电源电压相对较低。 高品质耳机几乎都是高阻抗（600-2kΩ），并且需要相应的高驱动电压。 为低阻抗扬声器设计的输出级无法满足这一要求。
因此，唯一的解决办法就是专门的耳机放大器。 专用于驱动扬声器的功率放大器具有较低的内部阻抗，并以相对较小的电压摆幅和较高的电流来驱动非常低的阻抗负载。 晶体管可以完美地完成这项任务，但是放大器也可以驱动具有高电压摆幅和低电流的相对高阻抗负载吗？ 当然，通过使用晶体管，我们可以设计一个合适的电路来完成这项工作。 然而，我们中的一些人还记得另一个组件：电子管。
理想电路
对于上述要求，电子管电路是理想的。 高电源电压是电子管工作的条件，因此可以轻松支持高电压摆幅。 由于负载为高阻抗，因此您不需要驱动扬声器所需的输出变压器。 这产生了优于大多数晶体管放大器的高质量、无变压器电子管输出级。
图 1：基本电路图。
当然，你不想禁止所有半导体。 在电子管有其弱点的领域（它们受到一定的制造公差的影响，并且作为热负荷较重的部件，它们表现出相对较高的老化率），使用半导体来控制和稳定工作条件的变化。
当您将耳机连接到本来就很出色的扬声器放大器的输出时，您经常会听到音乐以外的声音。 连接会产生噪音、嗡嗡声、爆裂声和嘶嘶声； 扬声器不会再现这样的东西。 从本质上讲，耳机是比扬声器更灵敏的换能器。 它们甚至产生非常低的噪声和交流声电压。 因此，对耳机放大器的要求非常苛刻。
出色的音质
图 2 中的电路由 Helmut Becker 设计，正在申请专利 (P3200 517,2)，显示出出色的性能。 与昂贵得多的 Onkyo P3090 相比，没有发现本质区别。 当连接DT880 Beyer Studio动圈耳机时，Becker音箱清晰、自然、完美地再现了动态段落； 人声和管弦乐队的呈现没有任何色彩。
图 2：完整的耳机放大器电路图。
该电路的优点包括：
- 优异的测量结果（见表1）；
- 声音均衡、有力、清晰；
- 良好的动态范围，因此适合CD；
- 高阻尼系数、低内阻抗；
- 无变压器匹配 30 至 3kΩ 之间的阻抗；
- 可通过前置放大器扩展为全频线性放大器。
赛道
如基本电路图（图1）所示，两个输出电子管串联连接以获得直流电压，以便两个电子管共享可用的电源电压。
为避免不必要的高电源电压，必须使用能在阳极电压约150V下大电流工作的电子管。 由于音频电子管产品系列面向高阳极电压，因此尝试使用十年前作为电视机标准部件使用的三极管-五极管PCL805。
PCL805 满足上述要求，但在其他方面也显示出严重的缺点，在设计该电路时必须考虑并消除这些缺点。 例如，必须使用控制电路来抑制灯丝电流产生的相对较强的嗡嗡声。 此外，您必须补偿高度非线性的网格特性。
图 1 显示了基本电路图，它由三个功能组组成：
- 所有参考点的参考电压源；
- 运算放大器作为控制元件；
- 电子管输出级。
电子管输出级
电子管2和3串联连接以获得直流电压，因此，相同的电流将流过两者。 将两个电子管的电压降调整到相同的值将产生最大的输出摆幅能力。
电子管1b用于阳极接地电路，电子管2b连接于阴极接地电路。 电子管2b栅极上的负偏压调节输出级的静态电流。 对于 AB 类操作，您应选择静态电流。
电子管1a和2a同时用作驱动级并处理输出电子管的异相栅极驱动电压。 如果电子管2b处的栅极电压增加，则电子管1b处的栅极电压电平也必须增加，反之亦然。 这导致电子管1b和2b之间的连接点A处的电压电平相应地变化。 整个电路用作连接在地和电源电压之间的电子电位计。 其输出连接至输出电容器C2。
运算放大器
运算放大器的任务是控制直流连接放大器的工作条件，并控制音频信号。
直流耦合对于从一个电路位置控制所有放大器级的工作条件是必需的。 如图1所示，电子管1a、2a、1b也是如此。 电子管2b的静态电流仅由负偏压固定。 这决定了电子管2b的内阻。 A 点的电压电平除以 R1 和 R2 的比率，所得运算放大器电压与参考电压 URef 进行比较。 运算放大器的输出电压将改变电子管1a和1b的工作点，直到反相和非反相运算放大器输入端的电压相同。 施加到运算放大器反相输入端的参考电压 URef 也定义了 A 点的电压电平。如果选择 URef 以使 A 点的电压电平等于电源电压 Ua 的一半，则两个输出电子管都将 具有相同的内阻并消耗相同的功率。 此外，输出摆幅能力将达到最大。
图 1 还显示了叠加在参考电压上的音频输入信号。 静态电流以输入电压频率进行调制，以便放大器的输出信号成为输入信号的直接副本。 然而，它会根据电阻器 R1 和 R2 的比率进行放大。
这个相当复杂的控制电路具有一些显着的特点。 电子管电路的问题之一是灯丝电流引起的嗡嗡声。 流经灯丝的交流电流会产生磁场，该磁场也到达阴极并导致阳极电流的 60Hz 调制。 如果在运算放大器控制的电路环路中出现这种嗡嗡声，如果参考电压干净且无嗡嗡声，这种嗡嗡声将被完全消除。 您可以通过使用固定电压调节器仔细过滤和平滑参考电压来轻松满足此条件。 您将能够实现 130dB(A) 的信噪比。
这种设计的另一个优点是电子管特性的非线性的完全补偿。 由于老化造成的制造公差和变化也将得到自动补偿。 此外，控制电路重新发出强烈的负交流反馈，从而导致极低的输出阻抗。
电源
尽管具有混合电路的放大器需要大量电源电压，但电源变压器只需两个次级绕组即可工作。 具有 250V 和 100mA 负载电流的绕组对于生成为立体声输出级供电所需的阳极电压非常重要。 第二绕组为电子管产生灯丝电压。 PCL805 需要 18V、300mA 灯丝电流。 由于两个电子管将串联，因此必须选择电压为 36V、电流能力为 0.7A 的变压器。 运算放大器的正负电源电压以及电子管2b的负偏置电压和正参考电压UREf均源自该绕组。
建造
不幸的是，当我们构建这个电路时，无法避免使用双面印刷电路板。 因此，只有经验丰富的 DIY 人才应该尝试蚀刻该板。
至于馅儿，先从电源开始。 您必须安装以下组件：整流器 G11、二极管和 Z 二极管 D1-4 和 D11、电容器 C1-14、电阻器 R1-5、微调电位器 P1、固定电压调节器 IC1 以及两个保险丝 Si1 和 Si2。
在连接变压器检查电压之前，请注意有关高压的警告：放大器的阳极电压超过 300V。 这个电压水平足够高，可以把你送到“快乐的狩猎场”。 如果绝对无法避免，则只能在关闭电源的情况下操作放大器，并且要非常小心。 即使关闭电源后，高压电解装置（C14、24、24'、25'、26 和 26'）上的电压仍会长时间保持高电压。 在开始对关闭的放大器进行操作之前，请先对上述电容器进行放电。 放电时，使用1k/4W电阻。 切勿短路电容器，因为超过 10A 的短电流峰值可能会损坏电解液。
现在，打开放大器并检查对地电压：
C14 约。 +315V
C4 -18V
C8 +22V
C10 +12V
C12 +6V
通过微调电位器 P1 将 C13 上的电压电平调节至大约 3.5V。 如果所有电压水平都正确，您可以焊接电子管插座并安装电子管，但前提是您必须关闭放大器并将电容器放电。 现在，再次打开放大器并等待几秒钟，检查灯丝是否正常工作。 您应该看到电子管内的灯丝发出光芒。
再次关闭系统并放电后，即可继续灌装。 如果所有组件均已焊接，则打开放大器并通过测量 C26 或 C26' 上的电压电平进行调整。 电压应在 100 至 250V 范围内，并且必须用 P1 设置为大约 160V。 然后，短接输入并检查示波器上的通道一输出。 除了非常低的噪声信号之外，输出端不应出现任何内容。 检查第二通道是否相同。
要调整放大器的对称性，请将 1kHz 信号施加到输入。 您必须使用 390Ω/4W 电阻器加载输出。 使用示波器监视输出信号。 现在，增加输入电压，直到看到输出削波。 通过稍微修正 P1，静态点将发生移动，直到正负半波的削波相同。 在限幅电平下，输出信号必须不失真。 如果没有示波器，可以将C26、C26'处的电压调整为电源电压的一半。
图3
图4
图 5：填充指南。
图 6：音量和平衡输入电路。
零件清单
电子管和半导体
1,1', 2,2' PCL805
IC1 78L12
IC2, 2' LF351
GL1 250V, 1A bridge (B250C1000)
D1, 2 1N001
D3 ZF18 zener
D4 ZF22 zener
D5, 5' ZF8.2 zener
D6-9, 6'-9' 1N4148
D10, 10' ZF39
D11 ZF6.2 zener
电阻器
R1, 10, 10', 24, 24', 27, 27' 10Ω
R2, 25, 25', 26, 26', 28, 28', 29, 29' 1kΩ, ½W
R3 47kΩ
R4, 32, 32' 2.7kΩ, ½W
R5 100Ω
R8, 8', 11, 11', 15, 15', 16, 16', 18, 18', 23, 23' 30, 30' 1.2kΩ
R9, 9', 14, 14' 47Ω
R12, 12' 47kΩ, ½W
R13, 13' 100kΩ
R17, 17' 39kΩ, ½W
R19, 19', 22, 22', 31, 31' 1MΩ
R20, 20' 100kΩ, ½W
R21, 21' 22kΩ, ½W
R33, 33' 100Ω, ½W
P1 10kΩ trimmer
除非另有说明，所有电阻器均为 1/4W、±5% 金属膜电阻器。
电容器
C1, 2 .047µF, 630V
C3, 3' .001µF, 250V
C4, 11, 12 100µF, 24V electrolytic
C5, 7 47µF, 50V electrolytic
C6, 13 .047µF, 50V ceramic
C8 220µF, 25V electrolytic
C9, 10 1µF, 35V tantalum
C14 220µF, 350V electrolytic
C15, 15', 18, 18', 19, 19', 20, 20' 10µF, 25V tantalum
C16, 16' 21, 21' 100pF ceramic
C17, 17' 10pF ceramic
C22, 22' .22µF, 100V
C23, 23' .22µF, 250V
C24, 24', 25, 25' 10µF, 350V electrolytic
C26, 26' 220µF, 250V electrolytic
C27, 27' 330pF ceramic
C28, 28' .001, 350V ceramic
硬件
Si1 (Fuse 1) 0.1A slow blow
Si2 (Fuse 2) 0.8A slow blow
变压器
Primary 118V AC
Secondary 1 250V, 100mA
Secondary 2 36V @ 700mA
Four 9-pin tube sockets, 2 to 8-pin dual in-line IC sockets.
可选控制装置
Volume: Dual 100kΩ log potentiometer
Balance: Dual 50kΩ linear potentiometer
(2) 10kΩ ½W fixed resistors
表格1
最终产品的测量结果
Output Power 3.4W into 100Ω
RMS at 1kHz/1% THD 6.6W into 600Ω
THD 1kHz/100mW 0.007% into 100Ω
THD 1kHz/100mW 0.004% into 600Ω
Intermodulation 600/6000Hz, 4:1 0.005% into 600Ω
Power bandwidth - 3dB 2Hz-120kHz into 100Ω
Power bandwidth - 3dB 1Kz-140kHz into 600Ω
Dumping factor >104
Input sensitivity 0.2V for 1W into 100Ω
Input sensitivity 0.5V for 1W into 600Ω
Input impedance 100kΩ (without volume control)
Signal-to-noise ratio 113dB(A), 50mW into 600Ω
Signal-to-noise ratio 138dB(A), 2W into 600Ω
Output voltage 80V RMS
Slew rate (40V into 600Ω) 80V/µSec
Power output 2-3 dynamic phones (impedance approx. 400Ω)
Power supply 220V/50Hz, 40VA
