常見的電子管功放設計

/常見的電子管功放是由功率放大、電壓放大和電源供給三部分組成。電壓放大和功率放大組成了放大通道電源供給部分為放大通道工作提供多種量值的電能。一般而言電子管功放的工作器件由有源器件電子管、晶體管、電阻、電容、電感、變壓器等主要器件組成其中電阻、電容、電感、變壓器統(tǒng)稱無源器件。以各有源器件為核心并結合無源器件組成了各單元級各單元級為基礎組成了整個放大器。功放的設計主要就是根據整機要求圍繞各單元級的設計和結合。這里的初學者指有一定的電路理論基礎最好有一定的實做基礎且對電子管工作原理有一定了解一、整機與各單元級估算1、由于功放常根據其輸出功率來分類。因此先根據實際需求確定自己所需要設計功放的輸出功率。對于95db的音箱一般需要8W輸出功率90db的音箱需要20W左右輸出功率84db音箱需要60W左右輸出功率80db音箱需要120W左右輸出功率。當然實際可以根據個人需求調整。2、根據功率確定功放輸出級電路程式。對于10W以下功率的功放通?？梢赃x擇單管單端輸出級10~20W可以選擇單管單端功放也可以選擇推挽形式而通常20W以上的功放多使用推挽甚至并聯(lián)推挽如果選擇單管單端或者并聯(lián)單端通常代價過高也沒有必要。3、根據音源和輸出功率確定整機電壓增益。一般現(xiàn)代音源最大輸出電壓為2Vrms而平均電壓卻只有0.5Vrms左右。由輸出功率確定輸出電壓有效值Uout√ˉ(P?R)P為輸出功率R為額定負載阻抗。例如某8W輸出功率的功放額定負載8歐姆則其Uout8V輸入電壓Uin記0.5V則整機所需增益AUout/Uin16倍。4、根據功率和輸出級電路程式確定電壓放大級所需增益與程式。OTL功放不在討論之列(?目前常用功率三極管有2A3、300B、811、211、845、805常用功率束射四極管與五極管有6P1、6P14、6P6P、6P3P807、EL34、FU50、KT88、EL156、813。束射四極管和五極管為了取得較小的失真和較低的內阻往往也接成三極管接法或者超線性接法應用。下面提到的“三極管“也包括這些多極管的三極管接法。通常工作于左特性曲線區(qū)域的三極管做單管單端甲類功放時屏極效率在20%~25%。這里的屏極效率是指輸出音頻電功率與供給屏極直流電功率的比值。工作于右特性曲線區(qū)域的三極管多極管超線性接法做單管單端甲類功放時屏極效率在25%~30%。而標準接法的多極管做單管單端甲類功放時屏極效率可以達到35%左右。5、關于電子管特性曲線的知識可以參看《電子管特性曲線》三極管與多極管的推挽功放由于牽涉到工作點、電路程式、負載阻抗、推動情況等多種因素左右所以一般由手冊給出供選擇。鏈接如下《常用的的膽管應用數據資料》在決定了輸出級用管和電路程式之后根據輸出級功率管滿功率輸出時所需推動電壓Up峰峰值和輸入音源信號電壓U'in這里的U'in需要折算成峰峰值確定電壓放大級增益。AuUp/U'in。例如2A3單管單端所需推動電壓峰峰值為90V輸入信號峰峰值為1.4V則所需增益Au90/1.4=64倍。若為開環(huán)放大則取1.1倍余量實際所需開環(huán)放大量Au'70倍。對于多極管或者推挽功放常施加整機環(huán)路負反饋這時取2倍余量Au'=128倍整機反饋量也可以控制在6db以內。如所需增益小于50倍可以采用三極管或者五極管做單級電壓放大。如所需增益大于50倍可以采用三極管的多級電壓放大或者五極管做單級電壓放大這些將在下面的電壓放大級設計里提到。二、電壓放大級設計概要電子管電壓放大級通常由單管共陰放大器組成其基本電路如下圖所示?缊放大電路分為無信號輸入時的靜態(tài)工作情況和有信號輸入后的動態(tài)工作情況。對放大電路工作情況分析有兩種方法圖解分析法和等效電路分析法。作為簡易設計這里主要介紹圖解分析法。1、靜態(tài)工作情況分析分析靜態(tài)工作情況主要分析其屏極電壓Ua屏極電流Ia和柵極偏壓Ug。2、動態(tài)工作情況分析靜態(tài)工作情況選擇是為了動態(tài)工作具備良好的條件。電壓放大級工作于小信號只要電路設計得當非線性失真度較小基本可以忽略不計。所以對電壓放大級動態(tài)情況分析主要有電壓放大倍數頻率失真程度與輸入、輸出阻抗等。①電壓放大倍數簡易分析根據圖一所示其交流等效負載R'L=Ra·RL/Ra+RL。u其放大倍數中頻段A=────────1ra/RL+ra/Rau為電子管放大系數ra為電子管內阻對于五極管由于其內阻遠大于R'L所以其放大倍數可由下式計算Agm·R'Lgm為五極管跨導②幅頻響應簡易定性分析在其它參數一定的情況下低頻響應主要受到輸出耦合電容C和陰極旁路電容Ck的影響。輸出耦合電容越大陰極旁路電容越大低頻截至頻率越低。高頻響應主要受到信號源內阻電子管極間電容主要是Cga、屏柵間電容由它產生密勒電容效應粗略估算為u倍的Cga本級輸出阻抗和下一級輸入對地電容的影響。信號源內阻減小電子管極間電容減小本級輸出阻抗減小以與下一級輸入對地電容的減小都可以有效的提高高頻上限截至頻率。③輸入、輸出阻抗簡易分析在一般情況下輸入阻抗主要由輸入柵漏電阻Rg決定。高頻段由于輸入電容開始顯現(xiàn)作用逐漸成容性。輸出阻抗在忽略分布電容的影響下輸出阻抗為電子管工作實際內阻和R'L的并聯(lián)值。因此盡量選擇較小內阻的電子管以降低輸出阻抗避免分布電容對高頻段的影響。做放大倍數簡易分析設6N1u35ra10kRL150KRa75K。則放大倍數A35/1+10/150+10/75=29倍。另外需要注意的1、電壓放大級的最大輸出電壓能力要大于下一級需要的最大輸入電壓2、實際電子管手冊往往給出電壓放大管做共陰放大的各種工作條件和特性。給出的參數主要有電壓放大倍數A、最大輸出電壓Eo。例如6SN7電子管手冊中所給出的條件如圖所示方便查閱以供設計便利三、功率放大級設計概要需開環(huán)放大量Au'70倍。<蟓?功率放大級設置在放大通道的末級工作于大信號狀態(tài)屏極接的是輸出變壓器、負載是具有電抗性質的揚聲器。所以是非線性失真、頻率失真的主要產生級。功率放大級著重考慮的問題是失真盡可能的小在滿足這點的情況下輸出信號功率盡可能的大轉換效率盡可能的高。功率放大管主要有如下的重要定額和特性1、最大屏極耗散功率、最大屏極電流、最大屏極脈沖電流。多極管和工作于有柵流電路的功率管還有這些特性最大簾柵極耗散功率最大柵極耗散功率最大柵極電流。2、輸出功率。所謂輸出功率的大小主要決定于功率管的型號和功放級采用的電路程式。不同型號的功率管采用不同的電路程式。功率管柵極的推動信號電壓或功率強度也有不同的要求當推動信號強度達到要求后功放級最大可能輸出功率則與推動信號強度無關。3、非線性失真。功放級工作于大信號狀態(tài)所以正常情況下整機的非線性失真主要主要產生于功率放大級。功放級的非線性失真程度除了與電路設計有關外功放管本身產生的非線性失真常達5%左右有的甚至達到10%左右。靜態(tài)情況分析功率放大級基本工作電路結構如圖所示圖中所示的是束射四極管屏極直流回路是變壓器初級繞組繞組的直流電阻很小所以屏極電壓Ua近似等于供電電壓Ea。分析功率放大級的靜態(tài)工作情況主要分析它的屏極功耗Pa、屏流Ia、靜態(tài)屏壓Ua、靜態(tài)柵偏壓Ug。其分析方法和電壓放大級類似但是直流負載線是過Ua的一條垂直于橫坐標的直線。功率放大級的放大類型與工作狀態(tài)分析電壓放大級和單管單端放大級為了減小非線性失真靜態(tài)工作點Q應該選擇在負載直線的中央部分。如圖所示上圖也表明了不同的負載線造成的不同工作情況帶來的失真。然而為了提高效率只要配合一定的電路程式靜態(tài)工作點也可以工作于更低的偏置為此功率放大級分為A類甲類、B類乙類、AB類甲乙類。仔細分還可以分為A1類、A2類、B1類、B2類、AB1類、AB2類這里的1類表示始終功率管工作于沒有柵流的驅動狀態(tài)2類表示允許出現(xiàn)柵流。常見A類、AB1類的簡易定性分析A類放大在信號整個周期內屏極回路均有屏流它屏流變化非常小非線性失真小屏極效率低屏極回路直流分量大。AB1類放大靜態(tài)工作點稍靠近屏流的截至點整個信號周期內會有屏流截至狀態(tài)出現(xiàn)造成較大的非線性失真但是屏極效率較高。為了解決非線性失真的問題在電路程式上采用推挽放大由兩管輪流工作彌補了屏流截至部分造成的失真但是需要一對幅值相等相位相反的推動信號來驅動。AB1類推挽放大的設計通?？梢圆樵兯霉β孰娮庸苁謨詠硗瓿苫蛘哒莆赵砝锰匦郧€求解。例如EL34電子管手冊上給出了多組AB1類推挽工作狀態(tài)如下圖所示的是其中一組四、電源供給部分概要從負載特性可以看出在大電流變化場合電感輸入式Γ型濾波濾波是最佳選擇。但是對于電感參數選擇有具體要求主要目的是保證電感的續(xù)流故負載電流過小不適宜應用。對于半波整流電路、電容輸入式濾波在接近空載的輕負載、小電流特性下輸出電壓近似接近全波整流。另外橋式整流也是全波整流輸出特性是一致的不應該特殊化電子管整流由于和晶體管整流原理相同不多做解釋。五、整機設計與負反饋介紹負反饋放大器取放大器輸出信號反饋到輸入電路中稱為負反饋放大器亦稱閉環(huán)放大器。反饋信號強度與輸出信號電壓成正比的稱電壓負反饋反饋信號強度與輸出信號電流成正比的稱電流負反饋。負反饋除減小電路的放大倍數以外也能在一定程度上改善放大器的性能。主要是拓展了頻率帶寬減小了失真降低了噪聲。從反饋信號和輸入信號的引入方式上又可以將負反饋分為并聯(lián)負反饋和串連負反饋兩類。顧名思義串連負反饋即反饋信號和輸入信號呈串連關系。綜合起來反饋可以細分成電壓串連負反饋、電流串連負反饋、電壓并聯(lián)負反饋、電流并聯(lián)負反饋。它們除了具有負反饋的共同特點以外還在不同程度上影響了輸入輸出阻抗。悴樵莫怨┥杓票憷?$毳?其中電壓反饋降低了輸出阻抗電流反饋增加了輸出阻抗并聯(lián)反饋降低了輸入阻抗串連反饋增加了輸入阻抗。例如電壓并聯(lián)負反饋既降低了輸入阻抗又降低了輸出阻抗而電流串連負反饋則同時增加了輸出輸入阻抗。設反饋信號和輸出信號的比值為β稱為反饋系數。對于電壓反饋反饋信號為Uf輸出信號為Uout則反饋系數βUf/Uout。設系統(tǒng)開環(huán)放大倍數為Ko則加入負反饋后的閉環(huán)放大倍數Kf可由以下簡略公式計算得出Kf=Ko/1+βKo。若開環(huán)增益Ko足夠大且反饋深度較深的情況下即βKo》1時通常當βKo>10時可以認為βKo》1公式可以簡化為Kf1/β即與開環(huán)放大倍數無關這就是在晶體管運算放大器電路中常見的閉環(huán)情況。典型的單級電壓并聯(lián)負反饋這里只作簡易分析放大系數Kf=Ko/1+βKo=Ko/1+Ko·Rs/RfRs為圖中信號源內阻由于柵漏電阻Rg往往遠大于Rs故此處忽略不計。輸入阻抗RifRg||[Rf/(1+Ko)]而此時的電子管等效內阻rafra/(1+uβ)等效放大系數u=u/(1+uβ)。這表明u值很高的束射四極管和五極管當β值較大的情況下其等效內阻可以接近甚至小于三極管的內阻值。典型的單級電流串連負反饋?抗。惝`狓uR'L放大倍數Kf────────ra+R'L+(1+u)Rk其輸入阻抗Rif和原輸入阻抗Ri的關系為Rif(1+βKo)Ri是增大的。而此時電子管的等效內阻rafra+(1+u)Rk可見電流串連負反饋將開環(huán)時的管內阻增大了(1+u)Rk倍。簡易實例分析電路由三部分組成共陰電壓放大單元V1、Ra、Rk組成、陰極輸出單元V2與其周邊元件組成、負反饋網絡Rf和Rs組成另有120K電阻和33uF電容組成了電源退耦部分。共陰放大單元簡易計算查表得12AX7特性ra50Ku100電路采用直耦由于陰極輸出器輸入阻抗甚高忽略不計。故交流等效阻抗R‘LRa220K?？梢钥闯鲭妷悍糯蠹壥堑湫偷碾娏鞔B負反饋電路套用上述分析公式得本級放大倍數K1100×220K/[50K+220K+(1+100)×2K]46.6倍陰極輸出器放大倍數小于且約等于1設陰極輸出器放大倍數K20.9。則整機開環(huán)放大倍數KoK1·K246.6×0.9·R'Lgm為五極辜rN?42倍由于反饋信號由電阻Rf與信號源內阻Rs分壓獲得電子管V1輸入阻抗甚大忽略不計故反饋系數βUf/UoRs/(Rs+Rf)≈100K/1M=0.1。整機環(huán)路負反饋屬于典型的電壓并聯(lián)負反饋故閉環(huán)放大倍數套用上述公式得KfKo/(1+βKo)42/(1+0.1×42)8倍。實際實驗結果證明采用此線路程式選用12AX7管實測閉環(huán)放大倍數為7.9倍。選用放大系數u=70的6N9P管實測閉環(huán)放大倍數為7.8倍。可以認為計算結果合理也可以看出負反饋穩(wěn)定了電路參數附反饋深度對數計算方法反饋深度Ku20lgKf/Ko如果反饋后放大倍數Kf