小小羊儿要回家 \ 真空管耳机放大器的设计制作

Pan

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小小羊儿要回家
真空管耳机放大器的设计制作

使用耳机听音乐
用耳机来欣赏音乐的音响族！没搞错吧！CD随身听walkman之类的东西？当然不是。喜爱音乐的朋友大概都有一个共通点，那就是：每日不管它事情有多繁忙，都希望能找到一点空闲，来上一段音乐，藉以舒畅心灵，毕竟现实生活的脚步实在太快，每当我们偷得浮生片刻之际，也经常是夜深人静时。想要放松身心尽情地去欣赏宝贝音响系统所发出的美妙乐声，又恐过大的音压，惊扰家人或隔邻。即使能够利用饭后之夜晚时段，经常家中成员还得配合着牺牲点他们自己的享受。因此，聆赏音乐成为大部份发烧友必需去调和及妥协的一个重要事情。当然，有闲又多金的普罗们就相较没这方面的困扰，是让人非常羡慕的一族。
另外一种需要阅读、写字很多的爱乐者，除非有个独立空间，可以时时飘来背景音乐陪伴，否则，日日俯案、勤奋读写，那种单调辛苦的确很容易让人疲惫不堪。CD随身听在一定程度上多少能帮点忙。然而令人沮丧的是：基于商业环境竞争激烈、成本价格、方便使用等等诸多因素，太多的厂家在CD随身听的耳机及耳机放大部份，质量确实不怎么理想。想要获得较高质量的音乐表现，看来只有专用的高质量耳机及耳机放大器一途。例如STAX长期以来都致力其静电耳机及放大器之研发，成果辉煌。其它各高级耳机制造厂如Grado、AKG等等，虽都有很好的动圈耳机，偶而也会有一两款专供耳机使用的放大器，例如AKG的K1000耳机和搭配的BAP1000耳机放大器，不论外观、音质等各方面，均相当理想。可惜它们一套的售价，或许因为产量及质量的要求，价格并不那么亲切，倒是很适合有钱又极端讲究品味的朋友。所以，这次让我们来设计制作一部实用的耳机专属放大器，配合各厂生产的高级耳机，也同样能很容易的来享受美妙的音乐。希望耳机放大器这只小小的羊儿，快快归队，成为HI-FI家族里最基本的成员之一，而不再只是一个经常被作为附属的电路。
在众多厂牌的耳机当中，笔者选用了一款AKG所制造的K240DF，是一只动圈式耳机。AKG是一家颇负盛名的专业麦克风及耳机制造商。旗下多系列产品含盖无线、有线、一般及专业用途。由于质量极佳、性能稳定，因此，许许多多的音乐厅、广播电台、电视台、音乐工作者都乐于使用他家的产品。K240DF耳机、厂方称它为STUDIO Monitor，是一只Radio Station Reference Headphone。主要目的专门作为广播制作及音乐录制监听用途。因此，不被压缩或扩展的声音特质，中音域频段非常地平衡，舒适的耳罩、自动头带调整等等，都是其设计重点。可以长时间配带它去完成工作，而不觉得疲累。现在先让我们来了解一下它的各项技术规范：频率响应范围20Hz-20KHz，使用功率200mw，灵敏度88dB（算是比较低的，还好我们要给它一个专属放大器）。阻抗600Ω更容易视工作环境的需要使用较长的讯号线来传输讯息，而不致造成讯息的过度衰减。净重240公克，随机附上一条3公尺长4N无氧铜高级耳机线及大小两种规格的镀金插头。K240DF耳机的设计也符合西德IRT（German Institute for Radio Technology）标准，所以它也是最常出现在录音室优质耳机其中的一款。质量一流，制作精细、价格合理，是笔者选择它作为监听耳机之主要因素。AKG并没有为这款耳机特别设计制造专用放大器，因为K240DF多数用在电台或录音室，是不必担心找不到一个优质放大器搭配使用。对一般用家就比较不方便了！由于它的600Ω阻抗及88dB灵敏度，一般放大器上随附的耳机插孔，大部份都不能将K240DF推得很好。因此我们为它制作一个真空管耳机放大器，牡丹绿叶一番。放大器的每一声道均使用一只输出变压器来匹配耳机。如果仅是为了600Ω，200mw去制作一个放大器，实在有点儿浪费，于是笔者让这个放大器也能具有多一点点小小功率，除了专供耳机使用外（耳机使用CANNON插，装设在放大器前面板），于后面板处则装置了两声道的喇叭接线座，如果读者朋友喜欢它，也可以拿它去推一推高效率喇叭系统。这样子的安排，可算一兼二顾，颇为合宜。


[ 本帖最后由 Pan 于 2008-2-21 01:56 编辑 ]

Pan

设计构思
由于我们的目标是设计、制作一部专业的耳机放大器，并且让它拥有2-3W左右的输出功率，也能去推动一些极高效率的喇叭系统，这个放大器的总消耗电流大约在30mA之间。或许有些朋友会认为，外观壮硕会显得更发烧或好听些，所以在电源供给的高压部份，笔者采用了真空管全波整流之供电方式。高压滤波电容也选用Philips 200μf，385v浅蓝色外包装的高级货（佑升有卖），10亨利150mA的滤波扼流圈，总共三级滤波以供给高压所需。放大电路各真空管的灯丝供给，是由单独的固态桥式整流外加一级滤波，来确保稳定的直流点火。电路放大的架构，则是连续两级共阴极放大电路后，藉由输出变压器供应推动耳机或喇叭所需，具有必要的增益和相当的功率输出。因为各级都尽量维持在A类的状态下工作，线性非常优异，失真也很小，所以本机完全不使用任何种类的负回授，即能很稳定地工作，满足我们的需要。下一步的工作就是选择我们所需的真空管来完成这项设计。单端输出功率2W左右的扩大器，功率强放管可选择的范围，实在很广，诸如2A3、6B4、6AS7G，另外6L6、6BQ5、6CA7等的三极接法都可使用。但是在考虑经济因素（最主要是电路的结构）及效果的情况下，笔者选择了6CG7（6FQ7）这支双三极管。其它类似的12BH7、6SN7、5687等也非常适合，有兴趣的朋友也可对照着去运用，相信都会有不错的成绩。事实上，这个放大电路都能以上述的任何一支双三极管轻松的去完成全部二级的放大工作，更甚者，两级之间还可来个直接交连，达到从连入至输出完全没有交连电容器的作法。如果仅是拿放大器来推K240DF耳机，毫无疑问，这是最好的方式之一。现在我们多给了放大器一个任务，也同时希望她去推一对效率高于95dB的喇叭则放大器本身需要拥有2-3W的连续功率。为了放大器能拥有足够的电压增益及输出功率（大概不会有人想再去使用一部前级放大器吧！）功率强放有更大的宽容余裕及强放级和输出变压器间有更妥善的匹配。决定将6CG7（6FQ7）管内的两支三极管并联起来，当一支使用。或许有些朋友会提议以一支低内阻的三极管，如5687、5842、7119等，无需并联，即能搞定。这是设计的观点，笔者希望放大器2W的输出是在长时间且很稳定的状况下工作，真空管的负荷要能很「轻松」，因此，笔者放弃了使用真空管最大输出的边际效应。另一方面，真空管并联，在听觉上的确可以使得音场更加宽深；理论上，噪音也可获得大幅改善，降低很多。对于喜欢搭棚的发烧友而言，焊接的空间能够比较宽大，能用超级发烧大家伙零件，必然相对得心应手。前面的电压放大级，同样地采用一只双三极管12AU7来担任。结构上可以是SRPP，或者单级放大加一级阴极随耦。思索一下，仍然维持并联方式，除了有效降低噪音之外，唯一的理由，就是在制作的过程中，比较容易避免出错。如果换用6C4、6J5、5842等单三极管可不可以呢？答案非常明显，当然可以。唯一的不同是12AU7可替换的管子，可多着呢，个人认为乐趣会更多一点。综观二级的共阴极放大器，组成一个完整的正相放大，输出不管是供耳机或喇叭系统使用，都很方便。
真空管小档案
图表中列出耳机放大器所使用的各真空管实际应用数值，是最基本的一些特性参数，供我们参考运用。其中6CG7（6FQ7）是一支生产年代相当早的真空管，它的各方面特性很接近6SN7，只是工作电压和屏耗稍小一点，但是6CG7的体积却大概仅是6SN7的一半而已，这是材料科技进步的必然结果。6CG7到底好不好用，声音表现又是如何？这点请大家放心，举个例子，著名的Marantz经典后级9号，在放大电路里采用了这支真空管。Altec 1568及1569后级的电压放大及推动部份，也都由6CG7负责。之后真空管电视机的时代来临，在TV的水平或垂直电路里，6CG7（6FQ7）是各厂家所最喜欢用的真空管之一。它基本上是一支既稳定又耐用的好管子，不管是6V3或12V6的品种，几乎全部的真空管制造厂都曾大量生产，直到真空管彩色电视机的末期。目前仍有数量非常庞大的库存新品，价格也甚为低廉。
12AU7（5814）就更不得了，欧规编号ECC82/CV4003。不管是民用、商用、军用，它几乎有存在于90%的电子装备里，以它的数量之多，再消耗半个世纪也不愁缺货。价格有高有低，然而质量却和价格没什么绝对关系。价格几乎是随存量及流通情形决定其价位。因此，读友在购买时，可以有太多的选择，而且便宜绝对有好货，不必太迷信某某品牌。大家可从这支管子的采购过程中，学得很多实际且有用的电子管知识，经过仔细的挑选、比较、测试、聆听，我们不难发现许多传说并不是那么真确。何况我们还能从这里面获得太多宝贵且实用的技术。12AU7的放大倍数适中，噪音很低，并联使用后将成为一支极低杂音的三极管，线性的工作区域很宽，这些特点使它成为一个相当优良的电压放大管。
高压供给电路里的全波整流管，6X4、5Y3都能适用，由于高压滤波电容之容量高达220μf，选择规格大一点的5Y3用在此处，算是稍稍豪华点。5Y3是一个高真空的全波整流管，具有125mA以上的直流供电能力，反相峰压PIV 1400v，对于整个电路的高压供应非常安全、稳定。由于它的接脚和5U4G一样，可以直接代换，声音上有很大的变化，容易满足不同的口味，相当好玩，大家不妨多多尝试，必然乐趣无穷。
电路解析
图二为全机完整的电路图及管座接脚图。放大器的部份分成两级，电路结构相同，均为典型的共阴极放大。依照特性曲线，强放级6CG7工作于A类的情况：屏压250V，栅压-8V，Ip=Ik=9mA，则Rk=8÷（0.009×2）≒450Ω。现在我们让6CG7的屏压Ep=252v，阴极电压Ek=8.75v，稍微降低一点屏流，使每个屏极流过约6.5mA之电流，在稍高一点的栅负压下，仍然非常线性。2Ip=2Ik=6.5mA×2=13mA，因此，Rk=8.75v÷13mA=673Ω，实际上使用680Ω。阴极电阻Rk消耗的功率P=I2×R=（0.013A）×（0.013A）×680Ω=0.12w，采用2W的规格，将非常安全，热噪音相对较低。傍路电容器Ck则使用220μf已远超所需，再大的数值，并不具有任何意义。栅漏电阻能够运用的范围250K~1M，因为本级采自给偏压提供栅负压，所以Rg可选用最大值，取1M的数值，远大于Rk，颇为合理。输入电阻，可抑制强放级的自激（理论上五极管、束射功率管较三极管更容易引起自激振荡，并联后的三极强放管，就更不易产生这种情形，这支输入电阻也可省略不用），使得电路更稳定工作。由于本级是趋近A类方式动作，输入电阻的阻值可以大一点，一般均在1K-10K之间，我们就选用2K2来用。6CG7内部二支三极管并联，总内阻ｒp=7K7÷2=3.85K，输出变压器的初级阻抗Zp取15K，功率容量10VA。Zp÷ｒp=15÷3.85=3.9倍，对其后负载的控制能力表现优良，也和6CG7的特性作了最完美的匹配，这只单端输出变压器比惯用的10K/10W，初级阻抗高出很多，其直流抗DCR几达1000Ω，制作上是比较需要讲究些技巧，困难一点罢了。在欧美及日系的名厂变压器中都有类似规格可供选择。输入交连电容Cc为0.47μf，耐压300V，它阻断来自电压放大级屏极的直流高压，却允许被放大了的信号电流通过，供后面电路使用。这颗电容笔者是用质量相当稳定的油浸纸质电容，贵了点，但是效果非凡，我买到的是美制编号SBB1K03474M的一款，03代表直流工作电压300V，474表示电容量0.47μf。买了10个，经测量容量误差都在2%以内。
电压放大级是一支并联的12AU7。我们让每支12AU7内的各三极管都流过1mA的电流，如此小的电流目的在更进一步降低杂音，让放大器更为安静地工作。阴极对地约有2.35V的电压，这也是许多名厂放大器第一电压放大级的电流电压设定，处理±2v的讯源还能胜任愉快。Rk=2.35v÷（0.001×2）=1.17k，就用1k2好了，Ck一样使用220μf，10v耐压即可。负荷电阻RL=51K，相对于rp算是很高，所以增益不小，Rg用270K，配合的Cc则是1μf，耐压300V由于1μf/300V的纸质油浸电容体积实在太大，这颗电容改采高质量的PP材质，不论高低频响应都会很好。另外，有兴趣的朋有，也可将12AU7换成12AT7，适度调整Rk值（不改也无妨），试试看声音的变化如何？
电源供给，笔者是以4支质量优良的Philips 220μf，耐压385v电容组成三级π型滤波。高压全波整流管5Y3吃掉2A的电流，所以单独给它一组5V，3A的灯丝绕组。4支放大用的真空管则共享一组经过固态桥式整流及简单滤波、降压的直流电源，数值均标示于线路图上。第一级高压滤波之扼流圈10H，150mA的直流阻抗DCR=140Ω，压降大约4V左右。由于输出变压器的初级交流阻抗Zp=15K，其直流阻值DCR=1K，会产生13V的压降，所以B1就需要252V+13V=265V的电压，那么第二级滤波器的降压电阻R=（346v-265v）÷（0.03A）=2k7，消耗的功率P=I×I×R=（0.03）×（0.03）×2700=2.43W，请使用5w的规格。~0.03A为全机静态时之消耗。12AU7的屏极上约需要70V的电压，那么B2该要有约70V+（0.002×51000）=170V的电压，所以这支滤波电阻R=（265v-170v）÷0.004A=24K。手边正巧没有24K的电阻，笔者用了一支27K/2W电阻来代替，所以B2降低了约10成为160V，电路仍很稳定地工作，也就懒得去变回来了。
实际制作
为了耳机使用上的便利，首先决定将耳机插孔置于前面板。笔者对一般市售的立体声耳机插座之质量，实在不敢领教，只好选用质量可靠的Cannon插座。这样一来，不得不将原厂所附很高级的镀金公插给剪掉不用，换上Cannon公插，是颇心痛的选择。没办法，为了确保质量，也只好如此。将喇叭输出座仍然安排在后面板，因此，在组装本机时，建议大家从第一只滤波电容器（高压）的负端分别拉出4条线，其中2条分别接至喇叭座的负端，一条接到前面板Cannon座的第3脚，一条接至桥式整流子的负端。Cannon座有三支接脚的一型，用得最多之处就是放大器的平衡输出入端及麦克风插座，多年来笔者遭遇过不同厂家的不同接法，有些厂家会把第1或第2脚当地线，顺便接到机座的地点，幸好各厂都会在使用手册上说明接法，也不至于弄错。5Y3及整流子的联机，宜将两条线对绞成"麻花"状，直流供电的灯丝最好也能这样施工。200Ω/5W的水泥电阻，请记得一定要焊在0及16Ω的喇叭接线座上，它并不会影响音质，在拔拔插插的过程中，就相对安全许多。
四支放大管的施工，一个方法，也就是笔者刻意让它们基本架构完全相同的本意—避免出错，组装顺手。所有的放大管先完成灯丝的接线，其次将各真空管的第1、6，2、7，3、8以短线相互连接，如果是这样焊接，保证烦死了。较好的方法是，先剪掉所有管子中心的接线脚（有的管座没有中心接脚的就不必剪了），以6CG7为例，将680Ω电阻的一边先穿过第3或第8脚，套上约1公分的绝缘套，再穿过第8或第3脚，剪掉多余的零件接脚，在3、8其中之一脚接上220μf的正极，焊好3、8两点，再将电阻的另一端及220μf的负极焊至地在线即成。
栅级2、7两脚也比照着处理，只不过我们可利用空余的第9脚作为2K2，1M及0.47μf的接线柱，省事又方便。接下来处理屏极1、6脚，也是相同的作法，将输出变压器的P接线，留好适度的距离，剪断，将线的绝缘胶皮剥去约1.5公份，直接穿过1、6两点，焊锡就完成了。因为它位在最上层，线也最粗，就不套上绝缘套了！其它三支管子很快地就可以完成。个人认为是极简单、快速的方法，提供朋友们参考。焊接完成后，清除焊锡堆，线头等，再仔细检查各焊点是否确实，即可上电，量测各点电压。由于使用的电源变压器及输出变压器不同，请调整各高压点电压，如图标（增减两支高压之降压电阻之阻值）。好了，现在您已经完成了一部高质量的耳机放大器，应该好好享受它的成果，别担心，她绝不会吵到别人。
注意事项
长时间过大的音压，将会造成听力永久的伤害。适度的音量，偶而的爆棚，将是最佳且明智的选择。
当插上耳机插之前，或变更讯源、换片的时候，请将您放大器的音量左旋至最小，保护双耳及耳机。这是有效且必需的步骤，亲爱的朋友，您请一定要养成习惯。
上述两项尤其对以耳机聆听音乐的发烧友而言，是最最要紧的事情。剩下的工作就是选择您喜欢的片子。■

【看图片】真空管实际应用数值。
【看图片】The Professional Headphone Amp
  

[ 本帖最后由 Pan 于 2008-2-21 02:00 编辑 ]