基于电子管的低噪声高灵敏小型音响设计与实现

2021-08-09孟荣恩高金宇通讯作者李童阳刘拥军

电子制作 2021年15期

孟荣恩，高金宇（通讯作者），李童阳，刘拥军

（河南职业技术学院，河南郑州，450046）

0 引言

电子管功放是早期的一种音频功率放大器。近年来，随着晶体管技术的的日益发展，晶体管功放以其体积小、重量轻、制作工艺简单、成本低、寿命长等诸多优点逐步取代了电子管功放而占据了主流市场。但是，晶体管功放在音质方面显得有些尖刺发燥，听起来比较硬朗，不够柔和；电子管功放则在音质方面有极大的优势，听起来比较柔和，给人一种温文尔雅、无限温馨的感觉[1]。正因为如此，电子管功放才没有被市场淘汰，反而受到了一些音乐发烧友和古典音乐爱好者的追捧。然而，电子管功放体积大、制作工艺复杂、寿命短等缺点严重限制了电子管功放的发展，因此，对电子管功放的结构、功能进行优化设计还是很有实际意义的[2]。

1 电子管功放方案设计

在保证电子管功放基本功能的前提下，为了减小其体积、简化制作工艺、延长电子管使用寿命、降低噪声[3]，本文对电子管功放的内部电路进行了重新设计，具体方案如图1所示。

图1 电子管功放设计方案

胆石结合电源：本方案中的电源模块采用快恢复二极管整流和电子管放大相结合的方式实现对输入交流电源的整流放大。与传统的纯电子管整流放大电路相比，本设计具有整流效果好、体积小等优点[4]。

高压延时模块：音频放大器中的电子管的工作需要较高的电压，由于电子管在冷管状态下电阻较小，高压突然介入，瞬时电流很大，容易对电子管造成不可逆的损伤[5]。因此，在胆石结合电源的输出端增加一个82μF的电容，通过电容的充电实现电源输出端电压的逐步提升，进而避免高压的突然介入，实现对电子管的保护。

电压检测模块：音频放大器中电子管正常工作时，灯丝处于高温状态。由于灯丝的温度和胆石结合电源输出端的电压成正比，通过检测电源输出端的电压即可知道电子管的灯丝是否达到工作温度。因此，可以通过电源检测模块检测到的电压值来判断电子管功放能否投入工作，避免了电子管功放过早投入工作而造成的性能下降。

底噪抑制模块：在电子管功放工作时，为了避免电子管灯丝与阴极间漏电而将灯丝中的交流声感染到阴极上，本方案设计了底噪抑制模块。具体方法是在灯丝上接一只可调的绕线电位器，两端接灯丝，中心头接地，调整中心头的位置使两端阻值相等，进而使两端的交流电位相等而抵消，实现噪声抑制功能。

负反馈模块：在电子管功放电路中，负反馈电路对整机的交流声和失真有极大地改善[6]。因此，本设计在一级放大电路中引入串联电压负反馈电路作为负反馈模块，将输出信号取出一部分回送到输入端，达到削弱原输入信号强度，降低失真的目的。

2 电子管功放电路实现

本文中的电子管功放电路主要可分为两大部分，分别是电源部分和功率放大部分。电源部分采用由4个快恢复二极管FR207组成的整流电路进行整流，采用6Z4旁热式阴极双阳极整流电子管与电容串联的方式实现电压的逐步提升。元件性能参数如表1和表2所示，电源部分原理图如图2所示。

图2 胆石结合电源原理图

表1 FR207参数表

表2 6Z4参数表

功率放大部分采用1支6N2电子管推动1支6P14电子管的两级放大设计。同时，在第一级放大电路中引入由RP4和R10组成的串联电压负反馈，达到降低放大失真，提高还原度的效果。除此之外，还分别在6N2电子管和6P14电子管的灯丝两端接入一只可调的绕线电位器，实现抑制噪声的功能。为了进一步提升电子管功放的音质，功率放大部分电路在进行设计时采用了双声道隔离技术和声道放大平衡技术[7]。双声道隔离技术是在对音源信号进行放大前就将左声道和右声道的信号进行分离，然后分别由两个独立的放大电路对其进行信号放大，这样避免了交越失真，提升了功放音质；声道平衡技术是在左右声道的放大电路之间加入一个平衡电路，确保左右声道上音源的放大倍数完全相同，避免由于两个独立放大电路各元件性能参数误差的不同导致左右声道的放大倍数不完全相同的问题。6N2电子管参数如表3所示，6P14电子管参数如表4所示。功率放大部分电路原理图如图3所示。

表3 6N2参数表

表4 6P14参数表

图3 电子管功放电路原理图

在制作工艺方面，传统电子管功放的制作主要是由手工焊接完成，存在工作量大、工艺复杂、易出错、体积较大等缺点。为了克服这些缺点，本文采用了PCB设计布线的方式对电子管功放的电路进行PCB设计，将电子管功放电路整合在一块PCB板上，简化了制作工艺，减小了功放体积。电子管功放PCB电路板如图4所示。

图4 电子管功放PCB电路板

3 电子管功放性能测试

电子管功放制作完成后，我们主要对电子管功放的噪声和失真两项指标进行了测量。最大噪声如图5所示，电子管功放的最大噪声大约只有70dB。电子管功放在1/2功率输出和全额功率输出两种情况下，将音源频率从1kHz逐步上升至20kHz，电子管功放的输出电压如图6所示。经过分析可知，电子管功放的最大失真只有10.1%，与传统电子管功放相比，在性能上得到了较大的提升。