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我如何设计Amity放大器

2004年09月06日『胆艺轩』浏览选项：阅读次数：40

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类似Ariel音箱，Amity放大器作为验证我设计思想的一个实验。
　　几年前我已经读了Crowhurst和其他的50年代作者关于放大器设计的一些文章，我打算设计一个尽量小内在失真的电路--特别是针对典型的具有反电动势的负载---例如扬声器。
甚至类似Ariel扬声器这样的阻抗仅仅在3.5和8欧姆之间变化不大的负载，对于SE设计的电路来说仍然是一个值得考虑的问题。
　　扬声器的阻抗程电抗性，我们在输出管的特性曲线上考察扬声器的负载线，是弯曲的。
　　三极管A类PP电路的带负载输出特性与理想状态比较接近，不受电抗的影响。作为对比的是，其他所有包括如三极管的SE、AB类的PP或五极真空管、晶体管或MOSFET的电路，输出特性统统受负载的影响。五极真空管（或者晶体管）AB类是最坏的情况：在零信号区域周围负载线是弯曲的而且弯曲的程度最厉害，...用另外的话来说就是“小功率状态下是最糟的”。
　　扬声器的阻抗程电抗性，其中有分频元件带来的，还有就是驱动单元本身能够储备能量并在几毫秒的时候反射到放大器的输出端。对于大部分的放大器来说，来自驱动单元的的反电动势也令放大器的失真大大增大。这是为什么放大器推不同的扬声器会发出不同的声音的另外一个理由。用SE电路，弯曲的负载线仍然存在，但是在零信号区域附近曲率不大；因此它的小功率输出特性比较好。
　　音乐信号大部分的时间是在较低的电平上，而突而其来的峰值却超出平均值10到20DB。经过统计，如果扬声器的效率不是特别低的话，很大一部分的时间里放大器工作在1瓦或者更低的情况下。
如果你想保持从低到高的输出功率放大器都工作在比较好的情况下，三极管A类PP电路是比较好的选择。
深度A类的状态使电路远离AB类区域；当负载在短时间变得很小的时候，SE放大器将会出现剪峰。
　　另一个目标是将电子管的染色和失真降到最低。这跟一些SE放大器采用的失真抵消的方法非常不同。（译者注，原文是：Another goal is getting driver coloration and distortion out of the picture ... quite different from the distortion-cancellation technique seen in some SE amps.这里的DRIVER应该是指电子管而扬声器单元）
　　一些设计主张使用失真抵消技术，我对于它们能否在宽广的电平和频率范围内能否起作用持怀疑态度。而且我希望放大器拥有用稳定失真特性（失真受频率和电平变化的影响小）。我怀疑耳朵可以轻易的补偿某类失真带来的影响--如果该失真是自然、稳定、单调的，这也是为什么SE电路有出色的主观评价的理由，但是对于量和类型经常改变的失真，耳朵是非常敏感的。不幸的是，传统的分相电路通常有不对称的输出阻抗、输出电容，或者他们对B+电路有不同的敏感性，因此，偶次谐波并没有达到很好的抵消而且随着信号的变化而变化。
不稳定的失真特性正是PP电路不如SE电路透明的根源。
为了解答这问题，我们需要回到三十年代设计的古典的变压器耦合上面来。
　　为使三极管放大电路的失真最低，三极管的负载线必须水平――即采用非常高的负载阻抗，或许比一般情况下高10倍以上。完成这目标的唯一的方法是使用有源负载（但他需要额外的工作电压给有源负载的器件），或者扼流圈（电感）负载又或者变压器负载。既然我也想得到整个电平范围下的高度对称的裂相信号，我从用古典UTC和Sakuma放大器上得到灵感，采用级间变压器作为裂相元件。
　　我个人喜欢宽阔的带宽，所以选择了Lundahl的高质量的变压器。除Lundahl的产品外，Hiroshi和我在从Sowter、Peter Chappel的产品中也发现好的全平衡变压器。
　　在PP电路里，两个裂相信号的频率高端的平衡、对称度更难得；很多昂贵的变压器存在不对称的电容，这对于高频的失真来说影响特别大。如果变压器本身不对称，这样就算用精确对称的电子管也没太大用处。
本放大器和三十年代设计的“古典机”之间另一个差异是前者的频带要阔的多。在当时，根本没有宽带的信号源。都是窄带而且杂音大的信号源：AM收音机、78rpm记录的唱片和光学记录方式的电影的声轨道。但现在拥有65到100dB S/N和20-20 kHz带宽的信号源遍地都是。
　　使用古董零件和电路当然会发出同年代的--古董的声音。但那不是我的目标。我想使用三极管和变压器耦合―而且他们有无可匹敌的线性和超宽的通频带，例如15 Hz-70 kHz。这是为什么我要选择现代变压器，并且慎重地选低内阻三极管的原因。
　　当变压器的初级或次级的阻抗变低，它的带宽增加。级间变压器其实比输出变压器更难设计，原因就是它的初级或次级的阻抗都非常高，而输出变压器至少有一个低阻抗的次级。因为电子三极管要取得最低失真的特性，必须工作在无负载的情况下，因此级间变压器的次级没有接电阻负载。因此为了得到宽带，变压器初级的电子管的内阻必须足够小。
　　在这里合适的三极管是7119/7044/5687/E182CC系列，或者JJ Electronics新出的型号ECC99，或者Sovtek 的6H30，或者把6V6、6L6或EL34等接成三极管应用，又或者使用AVVT新出的直热系列管象AV5、AV8或AV20。（尽管常见的6DJ8/6922/E88CC系列有低的屏阻抗，但它的3次谐波失真比较大和有限的输出摆幅，因此不适宜在这里使用。）
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http://tuku.valveart.net/zhizuo/image/amity/IT-Triode-Amp.gif"; TARGET=_blank>点击看电路图</A>
将灯丝与放大器的地线进行静电屏蔽似乎是次要的细节，但实际上也非常重要。这特点是朋友Tektronix向我建议的，原因是简单却又微妙的。
　　大多的DHT（直热三极管）放大器中，灯丝暴露在高电压的B+和从AC电源引进的噪音干扰下：这两种噪音干扰通过使电源变压器的分布电容等方面耦合进来。不单如此，典型的灯丝直流供电方法同样对付不了该类型的干扰；因为它们处在共模状态下，换句话说，它影响到灯丝的两端。因此就算加上直流稳压的方法也没有作用；它只仅仅影响到差模的噪音干扰。
　　直热三极管其实对差模的噪音干扰不太敏感；当进行屏蔽后，它至少使60 Hz嗡嗡声降低了40dB--降到原来的1%，为什么DHT要特别防止共模噪音？因为它的灯丝体积比较大因此对共模噪音很敏感。电子管不是单放大栅极的信号，而它真正放大的是栅极和阴极（对于直热三极管来说是灯丝的中心）之间的电压差别。如果你希望DHT寂静，虚拟阴极--灯丝的中心比较不受噪音的影响。如同前述：直热三极管的灯丝暴露在高电压的B+和AC电源的噪音干扰下。因此，听起来产生了高频杂音和嗡嗡声，并不是哼声。如果干扰比较小，虽然听不见，但可以想象同样影响着信号，类似给信号加了一层面纱。
　　可以通过为每个灯丝端增加精密匹配的LC过滤器去减少灯丝杂音，但是有更直接的解决方案：从根源上阻隔杂音。因此电源变压器内加了静电屏蔽层。静电屏蔽层是加在灯丝电源和其他绕组之间的薄铜片，另外在电源初级绕组也加上屏蔽层。屏蔽层减少绕组间电容量到原来1%-0.1%，10年前已经是仪器和医学装备里变压器的标准。屏蔽层同样也减少了因高压绕组故障引致的危险。
　　在电源变压器里增加一个屏蔽层其实并没有增加多少成本。而这两层屏蔽层往往比其他方法更有效改进声音。
　　再看看电源B+的供应，一开始我打算使用5R4-GY作为整流（通常应用在传统的300B电路中）。但由于其电压降性能不好和可靠性差而放弃了。或许它们太旧了，但我不允许这样的情况再次出现。作为对比的是，TV阻尼二极管特别是6C*3系列和新的Svetlana 6D22S电子管电压降比较稳定，它们还有电压降低（15 V），峰值电流大（2 A）和预热时间长（30秒）等不少的优点。
　　Matt Kamna做了一个示范，用示波器来观察各种整流器件的输出电压波形。在使用晶体二极管整流的情况下，在交流电经过零点时出现了明显的开关特性，从而产生了开关噪音。而传统的电子管整流则显得比较平滑，而使用TV阻尼管则得到最平滑的特性。因此甚至在低电流的前置放大器中使用，它也能提供最少的噪音。
　　我使用Tektronix公司的频谱分析仪也测量过，在滤波后的确排除了噪音。B+电源其实是从几百伏交流电压开关得到，这也是值得考虑的问题，因为这些开关噪音可以辐射到任何地方，包括B+电源、机器的底盘和交流电源进线处。因此为了进一步降低影响，我在其他级的电源供应上也增加了稳压装置--使用常见的VR管。但是真空稳压管的并没有太好的口碑，我觉得其实是使用手册指示不清楚的原因，其实真空稳压管并不需要并联电容，因此不要象使用齐纳二极管那样并联1UF左右的平滑电容。而且，真空稳压管仅存在1mV左右的平滑的宽带的噪音，而齐纳二极管的噪音却高达3-5mV，而且噪音类型是不规则的爆米花似的“BUMP”“POP”。真空稳压管同时也起到工作指示的作用。
　　我在真空稳压管的前面尝试了多种类型的滤波电路，发现它们的声音差别很大。最好的一种是什么滤波电路都不用，仅用一个电阻进行降压，但可以想象在大动态的时候，上一级电源波动会引起比较大的影响。当使用LC滤波时，声音变的非常慢，我不喜欢。简单的RC滤波电路可以说是一个折中的办法。
　　我把电路中所有的阴极旁路和滤波电路的时间常数通通设在3-4HZ，因此整个放大器的工作点的建立是同步的----我不希望在驱动级和功率输出级之间出现“打架”的现象。
　　我做的最后一个关于主观调节的地方是对灯丝分别使用AC和DC供电，结果说明DC供电的话，声音是非常乏味的。而AC灯丝供电的噪音电平仍低达1-3mV，因此我选择了AC点灯丝。有些人说使用恒流源对灯丝供电的声音是最好的，不过我没有尝试。
考虑前置放大器
　　大部分的前置放大器推本功率放大器的声音都不大好---电子管的通常比较迟钝和闷而晶体管的通常又太冲、或者无力或者粗糙。不单如此，本功率放大器也不允许通过被动前级和激光唱机相连---因为输入变压器要求信号源的内阻远小于600欧姆。我尝试去掉音量控制而直接接到CD机的输出端，声音非常引人注目，十分类似AUDIONOTE ONGAKU、WAVAC和JACK STRAYER的SV572 PP放大器。
　　后来我借了一台JEFF ROWLAND的前置放大器来推动，声音非常好，接近直驳CD的效果。但它是如此的昂贵，因为我决心设计RAVEN(大乌鸦)前置放大器来推动它。这台RAVEN放大器的电路结构直接参考功率放大器，只增加了并馈的特征。通常在电子管的屏极的电感负载里并上电阻的原因是减少电感分布电容的影响。
电路示意图
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http://tuku.valveart.net/zhizuo/image/amity/preamp.gif"; TARGET=_blank>点击看电路详图</A>
使用SOWTER的线间变压器（变压比为3.2：1）,当使用7199/E182CC电子管后整个电路的增益大约为7,而使用5687、7044则增益稍小一点.可以根据自己的品味在3管之间进行选择：3个管用在本电路的失真都非常小。　　以下是我的合作伙伴Hiroshi Ito，在完成了他的Raven/Amity/Ariel系统后的第一个反应：
　　听过本系统的人都很吃惊于本放大器和标准的PP放大器或者我的晶体管放大器之间的差别。细节非常多而且他们能很好地融合起来。另外一个问题是我的晶体管放大器现在看起来是非常的无活力、非常薄。Raven提供了从容、透明的声音和惊人的分析力，声音十分有生气、带情感。而用其他的晶体管前置放大器显得无活力和晦涩。欧洲的Ariel制作者也向我反映过听钢琴时出现中频凹陷的问题，我想原因就在这。当用此系统重播复杂的音乐例如管弦乐队和合唱时，达到了类似静电扬声器般的速度和透明感......
　　我本以为使用AMITY的爱好者通常会买或做一台中等水平的前置放大器,但实际上不是,AMITY对前置放大器的要求十分高,一般都很难满足要求.因此,我打算改进AMTIY放大器而成为AURORA放大器,增加一个内建的增益级而成为真正的合并放大器.眼利的读者可能已经注意到AURORA放大器的第一级其实是单端的放大级,不同于RAVEN。
　　我对SE放大器并没有偏见，特别是用在小信号的地方上，仅仅对于大信号输出的情况下，我觉得PP比SE要好。而SE电路的小信号输出失真也非常小。SE输入级的缺点，在于如何获得宽带全对称的SE-PP转换和更严格的噪音隔离。这电路其实在旧的WE电路里随处可见。但我加进了“并馈”、阴极旁路和SE-PP的耦合变压器在里面。Sowter 9100线间变压器在宽广的频带里能保持非常准确、对称的SE--PP转换。6SN7系列电子管是最线性、声音最佳的中小功率电子管之一。
　　在使用负反馈作为解决诸如失真、信噪比问题的普遍方法之前，电子管设计师不能不设计线性好的电子管，因此，一些古老的电子管线性非常好---这并不意外。AURORA的第一级电子管允许多种型号互换，如果你敢于尝试，你可以使用直热管如古董的26或现代的AVVT AV20。
AURORA合并放大器的第一级示意图
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http://tuku.valveart.net/zhizuo/image/amity/Amity-Integrated.gif"; TARGET=_blank>点击看完整电路</A>
尽管图上没有标示，你也可以增加输入选择开关或者JENSEN JT-10KB-D之类的隔离变压器用来连接到你的CD机上。1:1隔离变压器的好处是没有地的连接、两边也没有电连接，这样排除了地环路，而且它也滤去了数码信号里的RF干扰。如果你确定要增加1：1隔离变压器，要确保输入端到变压器端的连线要足够短，而且RCA的地端不要跟放大器的地连接（即浮地）。而静电屏蔽层必须接在变压器的次级：这样可以把数码音源含有的大量的100K以上干扰信号滤去，如果这些干扰能有效的滤去，声音会变得更清晰和自然而接近模拟音源。
　　最后，底盘上元件最好能以镜像的形式排列，而电位器放在中间，以缩短信号到两边的通路。如下图：
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http://tuku.valveart.net/zhizuo/image/amity/Amity-Chassis4.gif"; TARGET=_blank>点击看完整布局图</A>
底盘方面，虽然铜并非特别适合的材料---不够坚硬和难以加工而且非常重，但它的优点也不少，首先是导电性非常好，其次是能得到无侵蚀的接地点。这优点很重要，因为机器了一般都使用铜或者银作为导线，其中的部分导线必须接到底盘上。我们通常很难把铝和铜焊接起来，当两种不同的金属如铝和铜连接的时候，在连接处会它们会互相侵蚀。侵蚀产生了类似半导体的效应，因此该点就不再是理想中的零电位了。
要克服铜板上述的缺点，可以使用镀铜铝板，但我觉得镀银铜板或许是最好的，因为铜、铝的氧化物导电性能不好，银的氧化物依然是导电的而同的却是半导体。
设计哲学：
　　在这里总结一下我的设计哲学，回想一下，严格来说我并不属于主流HI-END的支持者，也不属于热衷于小功率直热管推号角喇叭的爱好者。
　　我专注于一条自己的路，探测一些音响技术中不为大多数人注意的地方，而不大注重潮流，希望长时间保持自己的风格。或许是设计扬声器这工作影响了我，大多数的扬声器，它们并不带反馈，因此在选择的时候迫使我去选择最佳的单元。
　　具体几点如下：
1）电路结构、有源元件要有足够小的失真，尤其有低的高次谐波失真。
　　不采用五极真空管、束射管、晶体管、MOSFET、IGBT，和其他的非线性的电子管例如12AX7、12AU7、12AT7或者6DJ8。全部的有源元件要求小的高次谐波和适当的2次谐波。倾向于使用30年代中期直热三极管和60年代早期的高跨导三极管。
　　50年代中期通过大量使用负反馈来达到要求，设计出12AX7和12AU7等来替代了优秀的大八脚管如6SL7和6SN7，因此，设计这些管的时候并没有太注意他们的3次谐波失真。
　　12AT7等被设计在电视里的放大电路中，他的线性也不好，因此最好不要用在音频中。
　　而6DJ8/6922是普遍采用于彩色电视里RF放大，不是为了音频设计的。它声音里表现出来的“细节”其实是它本身高的3次谐波导致的，因此在PP电路中更不适合使用。
2）电路的每一部分都为了该级有源元件能达到最佳的线性度而设计。
　　对于三极管来说，意味着采用有源器件、电感或者线间变压器作为负载，而不是采用RC耦合。
　　RC耦合的原意是应用在HF的宽带上---同时必须加上大环负反馈，但其实它的失真比采用有源器件、电感或者线间变压器作负载的电路要大2-4倍。我个人更喜欢电感或者线间变压器因为他们的电路更简单可靠，而且没有有源器件带来额外的染色。同时我也不赞同采用晶体管作为恒流源负载，或许是害怕他们不够可靠。
　　采用电感、变压器耦合的另外一个优点是没有RC耦合里前驱动级管和输出级管的恢复时间问题：例如瞬间过载的话，RC耦合的输出级管通常需要几百毫秒去恢复到工作点上，而采用电感、变压器耦合则立即可以恢复到正常的工作点上，这对于HIFI放大器来说是必须的。
3）无局部或者全局的负反馈。
　　或者其他人会说所有的三极管都存在大量的局部反馈啊，但我觉得这种反馈跟我们平常理解的不同，一般我们平常说的反馈（无论是局部的还是全局的）对谐波失真里各次谐波的比例没有效果，减少的只是失真的量。任何型的反馈都没影响对和声学的比率有，仅仅改变他们的大小。
　　直热三极管和类似直热三极管声音和其他管的唯一区别就是没有高次的谐波。
　　如果电量本身是线性的，反馈就没必要存在了，因为反馈不可能做的很好，特别是针对复杂、非线性的扬声器负载，会代来相位差和稳定性问题。
　　无负反馈可以将扬声器带来的反电动势和输入电路隔离开来。
4）足够的驱动裕量
　　一般商用的电子管放大器在驱动部分仅有1-2DB的裕量，因此大信号的剪峰会立刻出现。这导致了较长的恢复时间和夸大了剪峰的可辨别度。我宁可采用3-6db的裕量，因此驱动电路在输出级深度剪峰的时候仍保持其本身的线性。　　或许驱动级有足够的电流和低的输出阻抗更重要。许多放大器的染色其实出现在驱动级，因为驱动级不能提供足够的电流来产生足够的栅压摆幅。假若有足够的电流，输出管会发出更透明的声音，并失去它们因此而著名的音色。这意味着输出管在一定的情况下会产生栅流。
5）屏弃整流器的噪音干扰
　　通常使用晶体管整流和大容量的滤波电容会产生最大的噪音干扰。
　　因为典型的晶体二极管的开关噪音频带在4-20K，它们往往在大容量电解电容的等效电感里和电源变压器次级分布电容里产生谐振。谐振的Q值是非常高的，通常在5-100之间。
　　这是为什么在质量好的PP电容上并联大电解电容反而会令声音更差的原因。同时它也是为什么电源线可以改变声音的原因，因为电源线在此情况下担当了小线圈的角色。
　　这些噪音干扰向底盘、B+电源、音频电路和连线辐射。虽然这种噪音干扰能用过滤、屏蔽的办法减少，但最有效而简单的办法就是从根本上消除它。
　　我使用混合的扼流圈--电容的PI滤波器对B+电源进行滤波，可以把干扰降到最小。
　　从整流的波形来看，最粗糙的是一般晶体二极管的，其次是快速恢复二极管，然后是常规的电子管，最平滑的是TV阻尼管整流。结论：
　　这套电路结构和器件选择纯粹是个人爱好和理解，每一个设计者都有自己的爱好和选择，而这正是为什么音响器材听起来不同的原因。
　　我的选择并不表示声音一定是最好、完美的----因为从来就不存在哪样是最好的。
　　“完美的声音”只在我们的头脑里出现，或者在一些自封为“专家”的写手文章里出现。
　　不要迷信他们，要相信自己的耳朵。
　　每一个人对同样的声音有不同的感觉，而对它的理解是你自己所独有的。
　　我接触音响器材25年了，交了很多朋友，但大约只有2-3个人的看法跟我完全一样。
　　为什么你要向你不认识的陌生人去请教？请自己来听，不要在商店和HIFI展去听，尝试多接触一些喜欢冒险的DIY者，或许你会有惊奇的发现。

原作者：	lynn	上篇文章: 6AS7G阴极输出耳放的制作
来源：	imxp翻译	下篇文章: 音色“温暖”的211单端放大器

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