真空管共陰極放大器 (第一部份)【转帖】

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真空管共阴极放大器 (第一部份)【转帖】

摘自：www.diyzone.net  作者：孙恩宏
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孙恩宏（Steve Sun）

前言：在大部分经典的机器上: Dynaco PAS-3X, McIntosh C-22, Marantz 7C,… 可以看到这些机器的特色: 他们都是使用一级又一级的共阴极放大电路, 再加上阴极随耦器与负回授构成整个放大电路. 他们的电源也是非常平凡的设计. 但是发烧友们还是前仆后继, 自装的, 仿制的这些 “名机” 不计其数. “改良” 的机种更不知凡几. 大家所追求的是一种古典美.

近年来才慢慢的看到有人把恆流源, 串叠, 差动放大等概念引进音响真空管电路之中. 建立了现代管机的基础.

正文：这篇文章是以后几篇文章的基础. 在了解了基本的真空管共阴极放大电路后, 我们将要讨论一些后续的主题:

? 阴极随耦器 (Cathode Follower)
? 恆流源对共阴极放大电路及阴极随耦器的影响
? Miller 效应及串叠 (Cascode) 放大电路
? 差动放大器 (differential amplifiers)
? 负载对放大电路的影响

有一点请不要误会: 有些 “现代管机” 被批评成声音像晶体机. 这并不是我所谓的现代管机! 因为有些 “现代管机” 真的在讯号路径上使用相当多的电晶体, 真空管只是用来调音而已, 例如: Audio Research LS-25 Mk-II, LS-25 输入级使用 JFET 构成的 diff amp; 50 万圆台币的前级 Audio Research Ref 2 Mk-II (不是 Mk-I, Mk-I 是 VT-100 Mk-II 后级的驱动级.) 也使用了非常多的 JFET. 有图为证:




上图是 LS-25 的输入级. 一个 JFET 差动放大加一个 JFET 恆流源.

1. 三极管放大电路
让我们从最简单的三极管放大电路看起:


在这个电路中, 讯号从栅极进入, 屏极输出.

假设三极管的屏极电位是 e_p, 流经 R_p及三极管的电流是 i_p, 电源供应电压是 E_pp. 跟据欧姆定律, 我们可以得到下列关系:



我们可以把它改写成:



这说明了: i_p 是 e_p 的线性函数, 这条直线的斜率是 –1/R_p, i_p 轴与这条直线的交点是 E_pp/R_p. 也就是说不论 i_p 与 e_p 是什么值, i_p与 e_p 一定要在这条直线上.




这条直线称为这个三极管在屏极负载 Rp之下的负载线 (load line), 简称负载线. 这条直线告诉我们这个三极管在屏极负载 Rp 之下, 屏极电位 e_p 与屏极电流 I_p之间的关系. 这条直线将是我们设计三极管放大电路时非常重要的依据. 请您注意几件事:

1. e_p = E_pp 时, 屏极电流 I_p = 0.
2. e_p = 0 时 (屏极与阴极间电位差为零), 屏极电流 I_p = E_pp/R_p..
3. R_p 不变时, E_pp 增大, 负载线会往上方平行移动. 反之, E_pp 减小时, 负载线会往下方平行移动.
4. E_pp 不变时, R_p 增大, E_pp/R_p 这点会向下移动, 整个负载线也会变的比较平.




图说：即使是售价昂贵的Audio Research REF2，其电路架构也是由本系列文章介绍的功\能方块所构成，只要用心学习，要超越铭机并非难事。




图说：Marantz 7C是一个共阴极放大器的典型设计，架构与McIntosh C22非常近似，仅工作点的设定上有所不同，另外，C22的供应电压则高于Marantz 7C甚多，在300V以上。

2. 负载线的例子
假设我们使用 12AU7 三极管, R_p = 30K Ohms, E_pp = 300V. 让我们来看一下在这个情况下 12AU7 的负载线.

负载线被两点完全决定:

? 点1. e_p = 300V 时, I_p = 0
? 点2. e_p = 0V 时, I_p = 300V/30K = 10 mA.




负载线同时告诉我们:

1. e_g = -5V 时, e_p = 145V.
2. e_g = -10V 时, e_p = 205V.
3. e_g = -15V时, e_p = 246V.
这个现象告诉我们很多事:

? 如果有一个输入讯号使得 e_g 在 –5 V 到 –15V 之间摆\动, 这时的屏极电压将会在 145V 到 246V之间摆\动. 栅极电位 10 V 的摆\动造成 屏极电位 101 V 的摆\动. 也就是说这个三极管电路是一个电压放大器. 它的电压增益 (voltage gain) 是 101/10 = 10倍.

? e_g 从 –10V 升高到 –5V 时, 屏极电位 e_p 从 205V 降低至 145V. e_g 从 –10 V 降低到 –15V 时, 屏极电位 e_p 从 205V 升高至 246V. 也就是说这个三极管的屏极输出是与输入讯号反相 (out of phase).

? e_g 正负 5 V 的均匀摆\动, 造成e_p 60 V 与 41 V 的非均匀摆\动. 也就是说这个电压放大器有失真!

用一个图来整理这些观念:




3. 固定偏压
为了使输入讯号以 e_g = -10V为中心, 在 –5 V 与 –15 V 之间摆\动, 最直接了当的做法是直接提供 固定的 –10 V 给栅极. 这个栅极 –10 V 电压称为 ”栅极偏压 “ (bias), 简称偏压. 这种提供偏压的方法称为 “固定偏压法” (fix biased):




使用固定偏压时, 需要有负电源供应. 而且栅极电位不是地电位, 所以必须加上 C1 隔绝直流.

4. 自供偏压
另外一种更为常见的偏压供应法是自供偏压.

上一节中我们直接使用 –10V 电源供应提供栅极负偏压. 如果您仔细观察, 您会注意到: V1 管的阴极电位是 0V. –10V 负偏压是指: 栅极的电位比阴极低 10V.

接下来请您再观察一下负载线:




12AU7栅极在 –10 V 偏压下工作时, 屏极电位必须是 205 V, 屏极电流必须是 3 mA. 这 3mA 的电流也会流经阴极. 如果我们在阴极下方加上一个 10V/3mA = 33.3K Ohms 的电阻, 就可以利用这 3 mA 的电流把阴极电位提高至 +10 V. 所以, 这个三极管电压放大器变成:




如此一来我们就可以不需要 –10V 电源供应. 这种偏压供应法称为自供偏压 (Self biased), 亦称为阴极偏压法 (cathode biased).

一只三极管, 两个电阻构成一个电压放大器. 这个电压放大器是一个非常重要的电路, 需要电压增益的地方都看的到它的影子.




图说：大名鼎鼎的McIntosh C22前级，其实架构也是非常简单，採用两级共阴极放大器串接后，搭配一个阴极随耦器输出。关于阴极随耦器的使用方式与电路分析，我们也相在后面的文章中有完整的论述。



5. 工作点.
我们利用12AU7 特性曲线及负载线, 根据 –10 V 负偏压的要求知道: 屏极与阴极电位差必须是 205 V, 而且屏极电流必须是 3 mA. 这时屏极电位应该是 215V, 屏极电流是 3 mA. 205V, 3 mA这点称为 “工作点” (operating point).

您也许\会问: 为什么要取 205 V, 3 mA 做为工作点? 可不可以取其他点? 当然可以! 您可以选择负载线上任意一点, 但是, 选择工作点时有一些原则应该遵守:

1. 工作点的屏极功\率必须小于最大屏耗 (max plate dissipation). 以 12AU7 为例, 工作点必须在 Pa = 2.75W这条双曲线的下方.
2. 工作点不应太接近 Vg = 0 这条曲线. 原因是: 栅极偏压为 0 V (因管而异) 时, 会有很多运动中的电子由阴极流入栅极, 产生栅极电流. 栅极电流由栅极流向阴极. 栅极电流会使这个共阴极放大器的输入阻抗降低. 有栅级电流的放大器被称为 “2” 类. 没有栅级电流的放大器则被归入 “1” 类. “2” 类的放大器需要低阻抗与能产生较大电流的驱动级.

6. 一个完整的电压放大器
现在我们已经知道如何设计一个真空管电压放大器. 但是, 利用一只三极管两个电阻所构成的电压放大器还需要加上一些修饰才能独立存在. 第四节中, 我们已经知道如何利用阴极电阻来设定栅极偏压.现在我们要来讨论第四节留下的一个小问题: 如何使这个三极管电压放大器的栅极电位 e_g = 0V. 使栅极电位为 0 V 的办法是把栅极经由一个 100K 至 1000K 欧姆的电阻接地:


栅极经由一个 100K 至 1000K 欧姆电阻接地的原因是要进一步避免产生栅极电流. 在真空管特性表中通常会列出 R_g 的最大值. (有些设计会利用栅极电流与超过 1M 的 Rg 来设定栅极偏压, 称为栅漏偏压, grid-leak bias. 请您参考: Radio Designer Handbook, 第四版, 489 页的说明.)

因为屏极电位高于 0 V甚多, 为了避免有直流影响下一级, 所以加上了 1 mf 的 “交连电容” (coupling capacitor). 这种交连的方法称为电容交连 (capacitor coupling), 或是 AC 交连. 如果省略这个交连电容, 屏极输出接至下一级放大的输入端, 这种交连的方法称为直接交连 (direct couple), 或是 DC 交连. 在输入端因为栅极处于地电位, 不会有直流的问题, 所以不需要另一个交连电容.

参考资料:
1. Bruce Rozenblit: Beginner’s Guide to Tube Audio Design, Audio Amateur Press, 1997.
2. Morgan Jones: Valve Amplifiers, 2nd ed., Newnes, 1999.
3. Valley, Wallman: Vacuum Tube Amplifiers, McGraw-Hill, 1948.



图说：共阴极放大器是真空管非常标准的应用，以DZ刚推出的仿Conrad Johnson PV3前级套件为例，就是採用两个共阴极放大器串接的架构稍做修改而来，读者不妨拿出电路进行比对，看看变化在哪里？

[ 本帖最后由 diyzone-xm 于 2008-3-19 11:02 编辑 ]