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主题:[推荐]300B单端放大器研究 本主题第4409个浏览者  (总共3页) 1 2 3

 大卫
 

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[推荐]300B单端放大器研究

来源:音响骇客

这篇文章实际上已经触及到真空管放大器设计的核心内容。多花点时间,研究一下文中的推导公式和各项主张,将使得您的DIY生涯受益匪浅。 ---大卫

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300Bs单端放大器
5842-300Bs单端放大器
强放级的设计
只要根据真空管特性规格,任何人都可以自己设计真空管放大器。又,只要有电路图,任何人也都可以照图装放大器,但是每一位电路的设计者都会有自己的想法,因此在进入本文之前请先参考我设计放大器的哲学:追求放大器的最高境界【张八点】一文。

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放大器的最高境界

张八点

什么是是理想的放大器

办音响杂志二十多年,见过与听过与「拆过」的放大器不计其数,各家虽各有千秋,但都离我 的理想太远,没有一台符合我的要求。

什么是我心目中最理想的放大器呢?

大Power?大电流?亦或是全平衡输出?

当然都不是。

据我所知,放大器的音质与输出功率永远是互相矛盾的,其实很多事物也都一样,鱼与熊掌是很难兼得的,不是吗?

要好音质的放大器,就不能兼有高输出功率,因此唯有使用高效率喇叭,才能使用小功率的放大器,获得好音质。

为什么输出功率高就难获得好音质呢?

因为要使放大器的输出功率大,就必需采用推挽电路,或并联电路,但推挽电路或并联电路却是造成声音不好听的最大原因。

为什么呢?我们知道所谓的「推挽电路」,是硬把一个完整的讯号一分为二,成为上半波与下半波两个波形,然后将这上下波分?e由二个不同的放大器去放大,最后到输出级再把这分离的上下波「接合」起来,成为一个完整的讯号。

试想这二组放大器的性能怎么会一模一样? 而到最后的输出又怎么会将这上、下二个讯号「接合」的那么完美,声音又怎么会好?

而并联的情形也有点类似,并联多个晶体或真空管,每一个晶体或真空管的特性也不可能完全一样,使用多个晶体或真空管并联只会产生复杂的相位差,使得声音粗糙与聚焦不准。

既然输出功率与音质不可兼得,那又该怎么办呢?

还是句老话,只有用高效率的喇叭。高效率的喇叭只需要一点点的功率,就能推出宏大的音量,因此就可以使用单端且不并联的放大器,而不必使用推挽或并联的放大器,也因此就较能够获得好音质!

那我又为什么不想采用最近音响界甚为流行的「平衡输入与输出」的放大器呢?

我在「玩尽Altec A5」一开始也曾经提到过:「平衡式讯号传送的目的,只是为了录音室或公众广播用途,因为录音室或大众广播系统用的讯号线经常长达数十尺甚至百尺以上,太长的讯号线不但会产生音频漏失,而且还会感染到杂讯,所以才需要设计平衡式的放大器来抵消杂讯。」

平衡式的放大器需用双倍材料且不谈,若要设计出上下两个放大器的特性完全一样就比登天还要难,其道理与「推挽放大」一样,因为所谓的平衡电路就是从头到尾的全推挽电路。

再者,实际上在一般家庭使用的讯号线都很短,很少有超过三公尺的,其实即使用六、七公尺的讯号线也不会产生声音退化或感染杂音的,又为什么非平衡不可呢?

不论是真空管或晶体管都可以用单端来设计,但目前我暂时先考虑真空管。

其实我心目中最理想的真空管放大器要求与许多要求极致的音响玩家都差不多,就是「单端」、「纯A类」、「直热三极管」、「无负反馈」、「MONO」、「真空管整流」 六项,再加上我自己悟出的「绝不并联」与「使用最少零件」共计八项,此之为「张八点」。

一,单端:

单端就是英文"Single Ended"之意,简称「SE」,例如300Bse,最后面的"se"就是代表「单端」 的意思,也就是只用单支真空管做放大电路之意,有的真空管虽然表面看起来是一支,但?炔咳从辛街В?绻?龀赏仆斓缏罚?筒荒艹莆?ザ耍?灿械牡ザ擞昧街б陨系恼婵展埽??捎玫氖堑ザ瞬⒘?姆绞剑?莆?傅ザ瞬⒘?梗?⑽募虺?quot;PS",除了单端之外,就是「推挽」了,英文简称"PP",如果是「并联推挽」,则英文称为"PPP"。

为什么非要单端不可呢?刚才已经提到过,推挽式放大器必需要有倒相电路,要知设计再好的倒相电路都不可能输出完全对称的波形,因此经过推挽级输出的波形也绝不会对称。而单端设计的放大器里是没有倒相电路的,不会有不对称的问题。

第二个原因是我们目前的测试仪器只能做静态测试,而不能做动态测试,因此只能测试二次元的东西,而不能测试三次元的,实际上推挽电路在动态的工作中,其输出的波形起始点总会有提前或落后的情形,这是现阶段的仪器尚无法测试到的相位差,但是人耳却对相位差非常敏感,只要有一点点的相位差,就可察觉到。

而单端设计的输出波形没有相位差的问题,这也是为什么单端放大器听起来较为顺畅悦耳的主要原因,只要比较推挽与单端的声音就可证明。

再一个原因就是推挽电路会大幅抵消二次谐波失真,正由于如此,因而更突显出奇次谐波失真来。

我们知道乐器的泛音以二次谐波所占的比例最大,如果我们刻意降低放大器的二次谐波,因而突显出高次谐波,与原来乐器谐波的比例不同,那么重播的声音又怎么会像原来乐器的声音?

二、直热三极管:
玩真空管的朋友都知道三极管的?茸璞人募?蛭寮?艿停?咝砸步霞眩??床恢?牢?裁匆欢ǚ侵比仁降娜??懿豢伞

其实道理很简单,原因有二,一是直热式的三极管其阴极即灯丝,而旁热式的三极管阴极与灯丝是分开的,因此直热式的三极管少掉了一个极,也就是说,少了一个会渲染声音的零件;二是直热式的真空管通常都是较早期的真空管,而较早期真空管的制造品质比较后期的高,故障率非常低,而且那个时代的作风也较保守,公布的特性都有保留,在使用时往往超出规格也不会损坏,较保守的规格也代表较具有信赖度,可以使用很久,我曾经测试过几种已经使用很久的古老旧管子,结果特性都很接近新管子。

三、纯A类:

为什么要纯A类?

我们知道放大器在放大一个基本波的时候,希望其放大后所输出的波形除了与输入波形完全一样之外,还希望因放大而产生的谐波失真也尽可能低。

我们也知道前级放大器的放大电路都是A类的设计,而后级放大器里的输入级与驱动级也大多都是工作于A类,而只有在输出级才有A类、B类与AB类等不同的放大方式。

A类放大工作在真空管或晶体特性曲线的线性部分,因此引起的电压或电流变化完全与输入波形吻合,因此不但其波形失真极低,且其输出的谐波成分也较为单纯,主要是较低阶的二次与三次谐波失真。

而B类放大是由两支或以上的真空管或晶体交替工作的,在小讯号时,会工作在特性曲线的弯曲部分,因此输出波形会产生不连续的缺口,引起时间提前或落后的现象,也就是交越失真,其输出波形不是连续的,且其谐波失真含有较高阶的奇数谐波失真,也就会产生多次谐波所组成的方波,而这些高阶谐波与音乐没有任何关联,因此声音会特?e刺耳难听。

单端设计的放大器都是A类放大的设计,而只有在推挽电路中才有A类、B类与AB类设计。

AB类放大的工作点设在A类与B类之间,虽然失真不高,但终究还是推挽电路,在实际的动态工作中,还是会有时差的问题与抵消二次谐波的问题的。

那么既然A类放大的失真较低,却为什么大多数的放大器都采用B类或AB类的放大方式呢?

原因是A类放大的效率太低,大约只有20%的程度,所以必需损失80%左右的功率。想要有10W的输出功率,其电源供应就需要50W左右的功率消耗,白白浪费了40W的功率。但B类放大的效率却可高达75%左右,平白就比A类多出3至10倍的输出功率(后者系对单端而言)。至于AB类放大的效率是介于A类与B类之间。

输出功率大的目的是为了能驱动效率低的喇叭,因而牺牲了音质,但是如果我们用高效率的喇叭,才有资格使用输出功率虽小,但音质却佳的单端A类放大器。

四、无负反馈:
负反馈的优点相信玩音响的同好们都知道的,负反馈可以拓宽频率响应,可以降低放大器的失真,可以固定增益,可以降低输出阻抗,提高SN比......等等,好处实在太多了,因此品牌的放大器几乎没有不采用负反馈电路的,采用负反馈可使得各项特性规格的数据都大大地提高,也使得机器更好卖,甚至有些音响玩家们还以为失真愈低就代表性能愈好,因此,有人说负反馈是放大器的万灵丹。

但是?刃械娜硕贾?溃?悍蠢〉母弊饔酶?螅?悍蠢』嵩斐墒奔溲映伲?蛭?悍蠢∈前岩丫?糯蠊?氖涑鲅逗乓徊糠只厮偷绞淙攵巳ィ?纱嘶嵩斐墒奔溲映伲?虼烁悍蠢〉纳?糇芑岜冉衔恚?蛔匀唬?冉洗簦?约安还幌驶畹鹊取

我以前装过许多放大器,有单端的,也有推挽的,根据我的经验,如果推挽放大器不加负反馈,声音就会粗,因此一定要加上些负反馈,声音才细腻。但是我装的单端放大器,即使不加负反馈,声音还是很细致的,这就表明了推挽放大器一定有不对劲的地方。

其实负反馈除了由尾至头的总负反馈之外,还有级间本身的负反馈,像是把阴极旁路电容拿掉,形成电流负反馈之类的,但也有另一种负反馈往往没有被人注意到,那就是Cathode Follow电路与SRPP电路,这两种电路实际上也是一种负反馈电路。

我们曾经做过许多次的实验,使用Cathode Follow电路的声音总是会有雾,虽然它的输出阻抗较低,频率响应较宽,失真也较低,但这个电路终究是100%的负反馈,会严重影响音质,而SRPP的电路实际上上半支真空管也是个Cathode Follow电路,声音还是会模糊,虽然影响的程度没有Cathode Follow电路来的高。

我们的PS-2真空管电源稳压器原?硪彩褂酶悍蠢。?罄匆哺奈?薷悍蠢〉?S-3,声音更活泼,自然。

像是Audio Note的放大器也强调不使用负反馈,但是他们却采用有一半负反馈的SRPP电路,似乎是有点矛盾。如果再翻翻其他的原装胆机或台湾胆机,里面采用Cathode Follow或SRPP电路的不可谓少。

不管您使用的是进口胆机,或是国产胆机,可对不起了,我可是实话实说。

如果您曾装过Oboe的前级的话,可以试试Cathode Follow与SRPP电路的比较,在Oboe的印刷电路板上是可以分?e安装这两种不同的电路的,如果您又懂一点技巧的话,也可以将第二级改为单管的电路,这样,这三种电路您都可以在这块电路板上试试看了,听听这三种电路的声音差?e,就会同意我的说法了。

但不可否认的是,负反馈除了上述的优点之外,还有可以固定放大器增益的功能,因此不加负反馈的电路,一定要使用误差极低的主动与被动零件,尤其是真空管,一定要配对,找到一对增益完全一样的,否则两个声道的增益就会不一样。

五、真空管整流:
这是我从改装Oboe前级所获得的经验,使用晶体二极管整流,声音会比较瘦,比较紧,比较薄,比较没韵味,比较不像真正现场乐器的声音。

如果您不服气,请您把您的胆机改用真空管整流试试看,或者把您觉得最好听的整流二极管带来我这里,与我的整流管做一比较。

六、使用最少的零件:
您知道失真有多少种吗?

不下于上百种!

哪有那么多的失真?

就是有。

我们知道每一个零件都各有各自的音色,因此在放大器中多用一个零件,就会多出一个零件音色,也就是多一道的音染,因此除非不得已,我是不会多使用任何一个多余的零件的。

不相信您试试看,在放大器上每多加上一个零件,就会多出一个声音,不管您加的零件是主动零件或被动零件,也不管您的零件是加在讯号通路上或电源电路上,只要多加一个零件,就会多出一种声音,如果您的放大器用上百个的零件,那岂非有上百种不同的失真?

因此,每多加一级放大、每多加一个零件,就会每多加一项失真,多一次扭曲、多一次渲染。

另外一个原因,就是多一个零件,就会产生一个高频傍路作用,愈少的零件,对高频傍路的作用就愈低,就愈能获得较宽的频率响应及良好的稳定性,因此除非没有这个零件就不能工作,就不要使用这个零件。

根据我的经验,使用的零件愈少,声音就愈纯,就愈像原来音乐的声音。

所以我要尽可能把放大器设计得愈简单愈好,使用的零件更要愈少愈好。

但是使用最少的零件也是必需要有先决要考虑的因素的,就是增益够不够。很多人都以为CD直入后级放大器的声音比较纯,就用之,但是出来的声音往往偏薄,偏尖,偏冷,还不知道是什么原因,其实原因很简单,就是CD直入的增益不够,因此CD直入到后级的必要条件之一是后级放大器的增益要高,条件之二是喇叭的效率要高,或者两者都是,如果条件不符合的话,则将会因增益不够而使得声音偏薄,声音偏瘦,声音较尖或较冷,因此如果您也想使用最少的零件的话,千万要注意上述的条件。

因此,如果您的喇叭效率不够高,或是放大器的增益不够高,就必需要使用前级,而不要盲目地去追求CD直入。

七、不并联:
不但真空管等主动零件不要并联,而且其他所有被动零件也都不要并联,甚至包括配线,也绝对不采用多芯线。

不可否认,用真空管并联可以增大输出功率,可以降低输出阻抗,可以增加驱动力;用电容并联可以增大电容量,可以把涟波滤得更干净;用电阻并联可以增加电阻的耐功率,也可以获得想要的阻值;用喇叭并联可以增加输出的音压,可以提高效率等等。

但是并联却也会造成两个零件或多个零件特性的差异情形,使得声音较为模糊,低频较为膨胀,高频化不开,中频聚焦不准,细节少,有雾,以及发声顺序不一致的情形,所以我从来就不喜欢真空管并联或喇叭并联的器材,甚至电路里有电容并联或电阻并联的我都不喜欢,这也是为什么我一定要自己装机器,而不用现成放大器的最主要原因。

张骏哲兄刚装好他的300B放大器时,曾拿到我这里来听,我见他用两支整流管并联,就问他为什么要用两支整流管来并联,他说这样可以增加电源供电的容裕度,我马上拔掉一支请他听听看,结果他自己都不相信声音马上就清楚很多,自此他也永不用并联。

所以实际的聆听实验是玩音响与装机的宝典,想当然的理论,如果不去加以实际比较,往往声音不好还不知是什么原因。

玩音响的朋友几乎都知道放大器输出功率的大小与劲道成正比,又与音质成反比,这种矛盾是很难破解的,唯一破解之道就是使用较高效率的喇叭,因为只有较高效率的喇叭才不需要高功率的放大器。但是偏偏高效率喇叭的成本太高,因此市面上效率高的喇叭就较少之又少,也因此就不得不非得用输出功率高的放大器不可,要输出功率大,就不得不用并联真空管或晶体管的方法来增加输出功率,并联的愈多,输出功率就愈大,音质就愈差,这也是为什么同品牌的高价位放大器,音质反而不如低价位的最大原因。

八、MONO:
提到Mono的设计,就不得不提到我在很久以前所经历的事,事情是这样的:大约二十多年前,我常替人装放大器,那时我装的机器都是立体声的,并且都使用稳压电路来使声音更清楚,以及立体分离度更好,因为稳压电路可以使级与级之间的电源互串现象降低,当然两个声道之间的电源互串情形也大幅降低。

有一天,我同时为两位同好装好了两台完全一样的前级,经过仪器测试与实际的聆听,一切都正常,正准备关机睡觉,突然灵机一动,想此时有两台一模一样的前级,何不将两台前级一起使用,一台当左声道,另一台当右声道,看看声音会怎样?

说做就做,那时还流行唱头,我就把唱头的输出分?e接在两台立体的前级上,结果声音一出来当场就吓了一跳,声音比单一台前级的好太多了!怎么会差?e那么大?用两台前级的声音比仅用一台立体前级的声音透明、干净、更有层次、细节更多、音像更鲜明......,简直是差太多了!

从这次的实验后,我就立志将来自己要装的放大器一定是要Mono Mono的,不管是左右声道分装两个机箱还是将两个独立的声道装在一个机箱上。

上面说的话,您要是不信,我劝您一定要试一试,听听看是不是正如我说。假如您正好也有两台一模一样的立体声前级或后级。


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设计一台放大器应由最后一级开始,然后逐级往前设计,一台放大器?鹊姆糯蠹斗治?β始丁⑶??队氲缪狗糯蠹叮?胂炔慰脊β始?驱动级/输入级一文。





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功率级、驱动级、输入级



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输出功率级

其实,所有的放大器都是功率放大器,只不故由于喇叭是需要很大的功率才能推得动,因此就需要挑选输出功率特?e大的强放管(或称功率管)来担任这个工作,并安排在整个后级放大器的最后一级,好用来驱动喇叭。

不过有好就有坏,输出功率较大的真空管,由于需要的电压与电流都较高,因此屏极就需要做得特?e粗大,而?偶?耐?滓惨??糯螅?拍芡ü?愎坏牡缌鳎?虼饲糠殴艿姆糯舐示筒豢赡芑岷芨撸?绕涫侨??堋

像300B的放大因素只有3.85,但是它的输出功率却可达7W左右,而其他束射管或五极强放管的放大率也好不到哪里去。

由于强放管的增益比较低,并需要很高的输入电压来驱动,才能达到额定的输出功率,像我们设计的300B,需要74V的输入电压才能达到7W的满输出功率,但一般前级放大器的额定输出才只有几伏而已,是无法用前级来驱动强放管的,因此就需要再加一支真空管,先将电压放大到能驱动300B的74V,才能让300B达到7W的输出功率,而此时我们需要的是电压放大率,而不是功率要高,因此这种电压放大率较高的真空管,称为电压放大管。

驱动级

直接驱动强放管的放大电路称为驱动级,驱动级最重要的任务是能输出足够强放级所需的电压摆幅,例如WE300B的偏压为-74V时,则驱动级的最大输出电压就需要超过74V以上,才能让WE300B有足够的输出功率,驱动级除了能输出强放级所需的驱动电压之外,最好还要输出阻抗低,这是由于强放管的米勒效应(Miller Effect),也就是级与级之间的电容较高之故!强放管的极间电容愈大,高频响应就愈差,如果驱动强放管的输出阻抗低,米勒效应的影响程度就比较小,尤其是三极强放管的米勒效应比四极或五极管更大,因此驱动级不止是要输出电压的摆幅够大,而且还要输出阻抗低,这在下一节还会提到,因此我们就要挑选输出阻抗较低的电压放大管来担任。

又,强放管的屏?茸瓒冀系停?缌饕步洗螅?涑鲎杩挂步系停?虼艘灿腥擞媒闲」β实男⌒颓糠殴β使?碜銮??兜模??钦庵终婵展艿姆糯舐释ǔR步系停?趾牡缧祝?褂糜敕瘢?丝瓷杓普叩墓鄣愣?欤??00B的驱动而言,我认为还用不到小型强放管。

输入级

通常强放管需要输入的电压都很高,像我们设的300B就需要74V的输入电压才够,因此通常光只有一级驱动级的电压放大还是不够的,因为驱动级需要使用输出阻抗较低的真空管,而输出阻抗低的管子通常电压放大率都不高,因此就需要在驱动级之前再加上一级电压放大级,才能让驱动级输出足够的电压来驱动强放管,而这安排在后级放大器放大电路中最前面的一级电压放大级,称为输入级。

选用输入级真空管的条件与驱动级差不多,只不过驱动管的极间电容通常都比强放管小的多,因此前面一级的输出阻抗并不需要太低,但是还是不能太高。

其实不止是强放级与驱动级之间,只要是任何两级之间,都可以用上述的公式估算出频率响应来,因此我们在选用输入级的真空管时,也需要用这个公式来演算一番。

原则上,功率输出级需要的是能输出较高的功率真空管来担任;驱动级需要的是能输出较大电压摆幅的真空管来担任;而输入级则需要的是电压增益较高的真空管来担任。


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通常我们设计放大器的时候,必需对真空管的特性规格有所了解,然后根据真空管的Eb/Ib特性曲线图来设计,强放级当然也不例外,但是这份WE300B原厂的资料实在太齐全了,我们可以直接在300B特性规格推荐实例中就可以找到我们设计所需要的一切资料,而并不需要自己来用WE300B的Eb/Ib特性曲线图来设计。




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真空管特性规格

真空管特性规格名词解释

设计一台放大器时,我们必需要先了解有关真空管的各种特性规格,因为真空管特性规格可以让我们知道所有的有关该真空管的参数与资料,然后根据这些资料来设计电路,真空管特性规格中除了详列该真空管的规格之外,还有其动作的实例资料,我们可以选择其中一项动作实例,完全照着做就行了。

如果您不想依照真空管手册上的实例来设计,那就要仔细研究手册上的各项有关参数来设计一台。

无论如何,想要对真空管有较深入的了解,必需对真空管的特性规格有所了解,以下即以WE300B的特性规格来说明:

灯丝电压与电流
提供真空管灯丝点灯的电压,可用直流或交流,每一支真空管的灯丝电流都不相同,我??在实际使用时,要尽量接近这个值,太高、太低都会有副作用的,一般而言,稍稍低于厂方规格的灯丝电压是被允许的,但最好不要超过,否则会减短真空管的寿命。

例如300B的的灯丝电压是5V(直流或交流),电流是1.2A,我们在实际使用时,要尽量接近这个值,太高、太低都会有副作用。

最高屏极电压
真空管最高屏极电压,在实际使用时,不得超过这个屏压值。

例如300B的最高屏极电压不得超过450V,最大屏极损耗是40W,一般的惯例,在实际使用时,不要超过最大值的70~~80%,也就是说,300B的屏压不要超过350V,屏极损耗不要超过30W。

最高屏极损耗
电子撞击屏极时,会使屏极发热,这热表示一种功率损失,每一种不同的真空管各有各自不同的屏极损耗,我们使用真空管时,除了电压与电流之外,也要注意不要超过该管的最大损耗值,实际使用时,屏耗最好不要超过最大屏耗的70% ~ 80%,否?t真空管很快就会损坏。

如何计算屏极损耗呢?

很简单,即真空管供给屏极的电压与屏极电流的乘积:

P=EI

其中:

P=屏极损耗

E=屏极电压

I=屏极电流

例如300B最大屏极损耗40W,假设我们设计300B的屏极电压是350V,电流是80mA,则相乘后是28W,约为300B最大屏极损耗40W的70%左右,所以是很安全的。

最大屏极电流
另一个项目是最大屏极电流,如果流经真空管的电流一旦超过最大值,真空管就可能在两种情形之下损坏,一是屏极因过多的电子撞击而超热,二是阴极因过量发射而受损。玩真空管的人都有经历过真空管屏极发红的现象,那就是因超过屏耗而使得屏极发红。

在300B的资料中,300B最大屏极电流有两种不同的规定,亦即使用固定偏压时,最大屏极电流为70mA,使用自给偏压时,为100mA。因此我们在设计工作点时,不能超过这个数值。

极间电容
在表一中还有一个很重要的参数,就是「极间电容」,也就是真空管极与极之间的电容。

真空管的各极都是导体,其间也经常有电位差,因此它们有电容的作用,三极管中有「?农て痢埂ⅰ?农ひ?丝)」与「屏─阴」三种极间电容,例如WE300B的三个极间电容量,?庞肫林?涫?5pF,?庞氲扑恐?涫?pF,屏与灯丝之间是4.3pF,虽然这些极间电容都很小,但是这些小电容却会影响到高频响应,极间电容愈大,高频响应就愈差。这些参数只要代PSPICE就可以大致让我们估算一下频率响应。

外形与管座
接下来我们看看300B的外形、?炔抗乖臁⒊叽缬牍茏??00B的外形只要看照片就行了,这种玻璃管中间突出,形状有点像梨形的管子叫做"ST"管(一般直筒管状的玻璃管如EL-34或6550等叫做"GT"管),300B可说是较大型的ST管。至于各品牌的300B的?炔抗乖烊炊疾惶?谎??饨?嵩诟?00B的比较试听时再详细介绍。

原厂资料中的FIG 1是WE300B的外部尺寸图,FIG 2是300B的管底接脚尺寸图,由FIG 1中我们可以看到管子的基座部分有一个突出的针状金属栓,这是用于直立式管座时的卡栓,只要将真空管的卡栓对准这种卡栓式的管座插入,然后再向右旋转就可以把真空管卡得牢牢的,像211与845真空管都是使用这种管座插入真空管的,只不过300B的管座比较小一点而已。但是一般300B大多都使用一般四脚的管座。

我们可以?到300B常用的四脚管座,有两个较大的插孔与两个较小的插孔,其中两个较大的插孔"1"与"4"是灯丝,两个较小的插孔"2"与 "3"分?e是?偶?肫良?S郑?褂谜庵止茏?恼婵展芙凶?quot;UX-Type",有很多真空管都用这种UX-Type的管座,像是2A3、26、45、50、71等直热式三极管,或80、83等直热式的整流管都是使用这种UX-Type的管座的。

原厂推荐操作实例
所有真空管手册都有原厂提供的推荐操作实例表,不同的工作点,不同的负载,会得到不同的输出功率以及不同的失真率。如果您不想自己依照真空管的特性曲线设计时,可参考原厂推荐操作实例照着装就行了。

真空管的三参数

Gm-μ-rp (真空管的动态特性)
我们知道使用放大器的目的是放大声音信号,而真空管在实际工作时,输入的音乐信号并不是一个恒定的值,而是随着信号而变化的电压,所以我们必需要知道真空管对这些细微的变化所产生的反应,着就是真空管的动态特性(Dynamic Characteristic),决定真空管动态特性的参数有三,即「跨导」、「放大因素」与「屏极电阻」。

例如300B的灯丝电压Ef=5.0V,屏极电压Eb=300V,负压Ec=-61V时,此时的屏极电流为60mA,放大因素为3.85,屏极电阻为700W,?诺狡恋目绲嘉?500姆欧。其中放大因素、屏极电阻与跨导是真空管的最重要的三个参数,因此我们必需要先了解这三个参数的意义及相互的关系。

跨导(Gm)
Gm=DIp/DEsig

跨导(Gm)等于屏极电流变化量除以栅极电压变化量(屏极电压固定)。

其中:

DIp=屏极电流变化

DEsig=栅极信号电压变化

即真空管在栅极引起的电压变化,相对于屏极电流所产生的变化,这栅极的电压变化量,与屏极电流变化量之比,谓之「跨导」(Transconductance),又称为「互导」(Mutual Conductance),符号为"Gm",跨导的单位是姆欧"mhos"。

要注意这"mhos"与电阻的"ohms"不一样,我们知道电导是电阻的倒数,等于电流除以电压,单位也是姆欧。

但在实用上,由于mhos做单位太大,因此通常都用百万分之一姆欧,也就是μmhos。

放大因素(μ)
μ=DEp/DEsig

放大因素(μ)等于屏极电压变化除以栅极电压变化(屏极电流固定)。

其中:

DEp=屏极电压变化

我们知道一个小变化的信号电压由真空管的栅极输入,由屏极输出就成为大变化的信号电压,而这小变化的栅极输入电压导致大变化的屏极输出电压之比,就叫做放大因素,以希腊字"μ"来表示,或又称为"mu"。

三极管的放大因素决定于真空管的机械结构,栅极离阴极愈近时,对射向屏极的电流的影响愈大,因此放大因素μ也愈大;反之,如果栅极的网孔较疏,栅极上电位的影响小,放大因素就愈小。

例如300B是专为功率放大而设计的管子,功率管的屏极工作电压较高,空间电流大,阴极(或灯丝)与屏极都做的比电压放大管粗大,而栅极的网孔也需要大,才能通过大电流,因此放大因素就不会高。

屏极电阻(rp)
(此处所谓的屏极电阻系指真空管的?炔康缱瑁??皇侵钙良?涸氐缱?

rp=DEp/DIp

屏极电阻(rp)等于屏极电压变化除以屏极电流变化(栅极电压固定)。

真空管的电流,由阴极(直热三极管的灯丝即阴极)发射,经由空间电荷、栅极,到屏极的途中,能量会有损失,转换成热,换句话说,真空管?炔坑梢跫?狡良?耐?分卸缘缌鞯淖枇?凶銎良?缱瑁?p的单位与电阻一样,为欧姆"W"或"ohms"。





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 大卫
 

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三个参数之关系
以上的三极管三个参数是非常重要的,其间的关系为:

μ=rp´ Gm

这三个参数并不是一成不变的,我们可以由原厂资料中的FIG 4、FIG 5、FIG 6图中看出其间的相互关系。

WE300B的典故

我们装300B放大器,就必需先彻底了解300B的元祖─WE300B的典故。

是谁发明了300B呢?

是美国的西电公司(Western-Electric,简称WE),要知在第一次世界大战之前,有许许多多专门制造真空管的厂家,其中有大部分我们还没听说过,这将会在以后的文章里逐步提到,而西电公司就是其中一家,而且也是世界上最早制造真空管的厂家之一。

美国西电公司在很早之前就生产了许多不同类型的真空管,而300B还是较后期的产品呢,其实大多数的真空管都是为了军事或通讯目的而设计,很少是专门为了音响用途而设计的,西电公司自然也不例外。

但是300B却是专门为了音响用途而设计的,为什么呢?因为在一次世界大战后,军事需求的真空管大幅降低,许多真空管制造商甚至于把工厂都收掉了,但是WE却在此时为了「音响用途」而开发真空管。

为什么?因为WE公司早有计划专门为电影音响用放大器而开发真空管,于1930年开发出300A的真空管,但是当时并没有立即使用,一直到1934年才把300A使用于他们的放大器「WE -1068」有声电影放音系统中,系统中的放大器编号为「WE-86」,虽然这台WE-86放大器的输出功率只有8W,但却是采用推挽放大方式的设计,主要的原因是300A的输出功率太小,必需要用推挽电路才能输出8W的功率。但是到了后来,西电又推出一款「WE-91」的放大器,就已经改用单管的设计,这台WE-91的放大器虽然只用了一支300A做单端输出,但却把屏极电压提高,使得输出能与「WE-86」双管推挽式的8W相同。

为什么西电公司要提高电压来设计他们的WE-91,而以前的WE-86却不用较高的电压呢?

原因就是刚才提到的,因为西电公司原来是专门设计军事用途的真空管制造公司,所生产的真空管必须要能耐长时间使用而性能不变,稳定性的要求特高。为了达到这个目的,除了制造时要求特?e严格之外,使用的屏极电压也比额定电压值要低很多,这样才能经久耐用,直到300A使用好几年之后,他们发现这300A的真空管果然经久耐用,许多年之后的性能都能保持不变,1936年将300A的屏耗由30W加大到40W,这样才在他们的「WE- 91」放大器中,把300A的屏极电压升高,使其输出功率增大,发现仍然还是很耐用,可见当时的规格是非常保守的。

到了1937年变更40W屏耗的300A改名为300B,300A最早期设计的原型管,屏极电压值为300V,后经过长期的使用之后发现稳定性没有问题,第二次变更为400V,而第三次再加高到450V。

除了电影用途之外,300B也曾被NASA大量做为军用机的电源稳压之用。

要知WE公司所开发的300B是WE专为有声电影放音系统而设计的,在当时,WE是美国最大的电影器材制造商,他们的放大器只租给电影院,因此市面上买不到300B的放大器,更不要说是300B真空管了,也因此可想现在的人多么幸福,最早是日本人寻找报废的300B来装放大器,当然这些报废的300B中不乏一些库存新品,因此300B是可遇不可求的,也因此除了日本的少部分音响玩家之外,世界上很少有人用300B来装放大器,更不要说是音响厂家用300B来生产他们的放大器了。

直到1989年大陆开始生产300B,这是英国PM公司的Peter跑到大陆向大陆订做的,后来大?也自己生产300B的真空管贩卖,自此之后,世界各真空管厂家纷纷采用300B来设计放大器,到现在为止,生产300B的品牌至少超过十个以上。

超级电压放大管5842/WE417A

几十年的音响生涯,我自己装过不计其数的放大器,而听过与见过的放大器,不论是进口的或是原装的(国产品才能称为「原装」,不是吗?)更是不计其数,可能比世上任何一位放大器设计者见过的都还要多,当然经验比他们都丰富多了。

从经验中,我觉得一台放大器不管电路设计有多好,或是使用的真空管特性有多好,但最重要的却是真空管的品牌,虽然在理论上,同样编号的真空管特性都一样,但是实际上的声音却是不一样,而且差?e是极大的。所以我除了要挑选真空管之外,还要挑选真空管的品牌,这是我设计放大器与其他设计者最大不同之处。

当然,要设计一台无负反馈的放大器,还是先要挑选频率响应够宽的真空管,因为无负反馈放大器的频率响应不是靠负反馈来获得的,而是要挑选本身频率响应就够宽的真空管。

因此我设计放大器的驱动级与输入级,第一要件就是要挑选屏?茸璧偷恼婵展埽?蛭??茸栌?停?德氏煊?陀?怼

要挑那一类型真空管呢?

且让我们先来分析一下音响界最常用的电压放大管,以及它??的屏?茸瑁

真空管最常用的电压放大三极管是ECC83/12AX7,这支管子的屏?茸韪叽?2,500Ω(裸特性的频率响应非常窄),如果不用大量负反馈的话,简直无法用于无负反馈式的放大器上。

与ECC83/12AX7类似的中型电压放大管是6SL7,屏?茸?4,000Ω,裸特性的频宽也不高。

ECC81/12AT7的屏?茸璞冉系停??0,000Ω左右,裸特性的频宽尚可。

ECC82/12AU7也常拿来当作驱动管用,屏?茸杞系停??,700Ω,裸特性的频宽还不错。

与ECC82/12AU7类似的真空管有6FQ7、6CG7、12BH7等,前两者屏?茸栉?,700Ω,后者的屏?茸杞系鸵坏悖??,300Ω。另一支与ECC82/12AU7相当的中型电压放大管是6SN7,屏?茸枋?,700Ω,裸特性的频宽都还不错。

还有更低的吗?有,最近期较为流行的ECC88/6DJ8,屏?茸杈偷投嗔耍??,640Ω左右(这也是为什么近期真空管放大器将ECC83/12AX7都改用ECC88/6DJ8的原因)。

还有一支真空管就是日本最近在DIYER之间常用的6463,屏?茸?,850Ω。

另外一支真空管不可不提,就是5687这支双三极管,最近有一些品牌的放大器也使用,屏?茸柚挥?,000Ω左右。

还有更低的吗?有,我就翻遍RCA与GE的真空管手册,把所有可用的电压放大管的规格都看了一遍,并列表记录下来,结果找到一支真空管,?茸韪?停?挥?,800Ω,就是5842。

另外二支真空管的屏?茸枰卜浅5停?恢??188CC/7119/7004的 1,750Ω与E288CC/8223的1,400Ω。

把所有真空管都查遍后,就要来决定我要用那一支真空管了,屏?茸枳畹偷氖?288CC/8223与E188CC/7119/7004。

看了上面各真空管的特性之后,我选中了5842,原因有二:一是5842是单三极管,而其他的都是双三极管,要知两支三极管?在同一个玻璃管?鹊乃???埽?欢ɑ嵊邢嗷ジ扇抛饔玫模?裉旒热徽业降ト??埽?偷比挥玫ト??芰恕6??842还有WE的管子,就是WE417A,WE真空管的声音当然好听。

那么,用5842/WE417A来做驱动管好还是做输入电压放大管好?

看了看5842/WE417A的特性,我决定驱动级与输入级都用5842/WE417A,而且我还决定只用一级放大,也就是驱动级与输入级都在一级?取

5842的特性规格
5842的特性规格与WE417A很类似,其中资料最齐全的是Raytheon的5842WA,因此我们即以Raytheon的5842WA来说明之。

5842是一支较小型的"MT"管,所谓的MT管就是"Miniature Tube"的意思,像ECC81、ECC82、ECC83、12BH7、6FQ7.....等都属之,但5842的管子更小,不是体型的小,而是这支5842/WE417A的管子特?e短,短就代表了里面的材料小,振动当然也就小,站在「音响卫生学」的立场而言,是很「卫生」的,5842/WE417A玻璃管的高度只有3.8公分左右,真是小巧可爱。

其接脚图如图一,由图中我们可知5842是一支9脚的管子,灯丝是3, 9脚,阴极6脚,栅极4,5,7,8都相连,屏极是1脚。

这支真空管的栅极非常接近阴极,因此Gm值高达25,000 mhos,是三极管中最高者,而μ值更高达45,屏?茸枰仓挥?.8KΩ。屏?茸璧停?m值高,就表示这支真空管的输出阻抗极低,因此频率响应特?e宽。

由表一中我们知道5842的灯丝电压是6.35V,电流是0.3A,最高屏极电压不得超过200V,最大屏极损耗高达4.5W。

再看5842的极间电容,屏极到阴极与灯丝的电容是0.55pf,阴极到栅极与灯丝是9.0pf,屏极到栅极与灯丝是1.75pf。

我们可以不管这支管子的极间电容问题,因为它是摆在第一级放大,前面的信号源不是前级放大器就是CD唱盘,要不就是电子分音器,这些信号源的输出阻抗都非常低,根本就起不了作用,更何况Cascode电路的极间电容只有一般放大的一半左右,就更不要管它什么极间电容了。

表中的典型的操作实例为屏压150V,阴极电阻60Ω,屏流23mA,此时的屏阻是1,800Ω,Gm值25,000 mhos ,μ值是45。

我们可以计算一下此时的屏耗:

P=EI

150×0.023

=3.45W

图二是5842的特性曲线,我们可以看到栅压由0V开始,一直到+6V的曲线间隔都很平均,因此我们取由-0.5V~-3V的偏压都可以,如果要偷懒,例如我们直接用表中典型的原厂操作实例,即屏压150V,阴极电阻60Ω,屏流23mA来工作,此时的偏压为:

Ec=R ×I

=60×0.023

=1.38V

也就是偏压为-1.38V。

5U4系列整流管的比较

整流管我也准备了不少,虽然不同的整流管整流出来的电压都不相同,但也不会相差太大,像是5AR4、CV378之类的旁热式整流管,整出的电压会比较高些,像5U4、5R4、5Z3等直热式的整流管,电压会比较低些,不同品牌与不同新旧的管子也会有差?e,各种整流管整出来的电压约在420V~450V之间。

但据我所知,比较特殊的整流管如83等汞蒸气管,整出来的电压会特?e高;另一类整流管如81、281、381之类的古典整流管,整出?淼牡缪够崽?e低,而且这两类整流管的灯丝、管座也都不相同,更换比较麻烦,因此我们这次不比较这两类的整流管,而只比较可以直接插换的整流管,虽然如此,也花了不少的时间,因为每换一支整流管就要花些时间等到电压升到稳定,这些整流管的声音差?e如下:

美国RCA 5U4G:

声音雄壮、开阔、透明、有劲,频率响应够宽。

英国Mullard 5AR4/CV1377:

声音清楚,细节较多,频率响应够宽,但是声音较薄,韵味较少。

英国Mullard CV378:

声音清楚、有韵,频率响应够宽,但是没有RCA 5U4G的声音雄厚。

英国GEC CV378:

比Mullard CV378声音清楚、频率响应更宽、更有韵、而且声音也较厚。

英国EMI Trade 5U4G/U52:

比Mullard的5AR4有韵,但解析度没有Mullard高,低音较松。

英国Brimar U52:

比Mullard CV378还要有韵,清晰度也不错,高、低两端的延伸略输给GEC的CV378。

美国Ken Rad 5U4G:

频率响应宽,清楚、透明,音色较淡。

美国Tunsol 274:

频率响应宽、透明,开阔、有劲,比上述整流管的音响性与音乐性都好。

美国WE 274B:

是本次比较的整流管中最好的一支,而且比Tunsol 274的声音还好上一大截,声音最开阔,音场规模最大,最透明,最有劲,并且还有韵,声音又厚,频率响应也最宽,可说是全面性都好,只可惜我只有两支,而且再也找不到第三支了。

声音真是好得没有话说,我们俩兴奋了好一阵子,听了许多唱片,发现细节多很多,频率相应也宽很多,最最重要的是把低频的共振问题解决了。

300B当整流管?

300B的?茸柚挥?00~900Ω,如果用来当整流管用的话,电压降应当较低,顺便也可以听听300B当整流的声音会怎样,300B是三极管,当整流管原用也很简单,只要把屏极与栅极连接起来成为二极管就行了,但是300B是单屏的三极管,因此必需用两支来做全波整流,这倒不难,反正我现成的300B多的很。

翻了翻真空管的300B纸盒,同一品牌的都只有两支,只有大陆石墨屏300C有四支之多,就用这四支300C来当整流管来用吧。

但是问题又来了,300B的管座是四支脚的,要换300B的话就要换管座,而且整台机器的零件位置都要大搬动,但这倒是难不倒我们,我俩一起动手,一人一台,没多久就改装好了,马上插上四支石墨屏的300C试试看整流出来的电压值。果然用300C整流出来的电压再经过扼流圈滤波之后的电压升高到440V左右,电压刚刚好,再听声音,嘿!实在是太好了,声音更厚,密度更高,更有肉,更?嘏???矣指?该鳎??宄??嬉粝熳钅亚蟮木褪乔逦??嘏?苣鸭娴茫?墒怯?00C当整流管,?与熊掌都能兼得,我俩都很乐。

再插上其他的300B管只试一台,看看电压一不一样,结果是换了好几种300B,,整流出来的电压都差不多。

用300C当整流管用,声音直逼WE274的整流管,已经有WE274B的味道了,要知大陆的石墨屏300C一支才不过三千多元而已,比我的WE274B要便宜太多了,而且WE274B不止是价格奇昂,而且还一管难求呢,更何况整流出来的电压比WE274B高,符合平衡式扼流圈滤波电路的要求,将来有机会,还可以换换WE300B当整流管的声音又如何。


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屏极电压的决定
我们如何在WE300B原厂推荐实例表中选择符合我们需要的实例呢?

首先是要决定屏极电压值,我们可以在原厂推荐实例表中见到由300V至400V均可,实际上还有450V的我们并没有列出,太高的屏极电压会导致真空管寿命缩短,而太低的电压又会使声音听起来软绵绵的没有劲,现今市场上的许多成品大多都采用较低的屏压设计,很多音响迷认为300B的声音没劲,就是这个原因。

例如选350V,我们可以在350V的实例中见到共有六种规格可选,同样的屏压,但却是不同的偏压、不同的电流,以及不同的屏极负载(亦即输出变压器的初级阻抗),因此获得不同的输出功率、不同的二次与三次谐波失真量。我们也可以看出不同的负载阻抗与失真有着直接的关系,负载阻抗愈大,失真愈低,但相对的输出功率也愈低。

输出变压器初级阻抗值
由WE300B负载阻抗与失真及输出功率的关系可得知负载阻抗愈高,失真愈低,但输出功率也愈低,如果您在乎失真,那么最好用5KΩ的输出变压器,此时的?出功率只有6.2W;如果您在乎?出功率,那最好用2KΩ的?出??浩鳎??r的?出功率可?10.2W;如果您既要失真低,而又要兼顾输出功率,那就在2.5KΩ至3.5KΩ之间做一选择。

但是在选择输出变压器的初级阻抗之前,我们还要知道另外的一个因素,就是输出变压器的阻抗高低与频率相应亦有关,输出变压器的初级阻抗高,表示初级线圈绕线较多,因此初级电感量亦较高,电感量大,低频响应也就比较好。但是相对地,初级匝数多,分布电容也就比较大,高频响应就会比较差;反之亦然。

当然,不同品牌的输出变压器的频率响应也都不一样,所以选择输出变压器的品牌也是一个非常重要的因素。





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 大卫
 

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采用自给偏压的设计
我们知道放大电路有自给偏压与固定偏压两种方式。什么叫做偏压?可参考固定偏压/自给偏压一文,在此我选择自给偏压的方式。


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固定偏压/自给偏压
我们知道放大电路有自给偏压与固定偏压两种方式。

什么叫做偏压?

在谈及偏压之前我们似有必要先来谈谈真空管的供电方式。一支三极放大管至少需要三组电源:

1.灯丝电源:交流或直流均可,我们称为「A电源」。

2.屏极电源:必需是直流,我们称为「B电源」。

3.栅极电源:也必需是直流,我们称为「C电源」。

其中C电源是负的,因此也称为「C负压」或「栅负压」。

最早期的真空管A、B、C电源是用电池来提供的,后来才改用变压器整流来提供。

我们先来看看真空管的电流是怎么走的。





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请看上图,图中并未绘出灯丝的电源。我们可由图中看到,屏极的电源是由B电池提供,屏极电压是正的,经过屏极负载电阻RL到屏极;而栅极的电源是由C电池所提供,电压是负的。

真空管的阴极发射电子,被正电的屏极所吸,屏极的电流经由屏极负载电阻RL、B电池、回到阴极。

屏极的电流大小决定于栅极上的电压,栅极负压值愈低(电压愈正),屏极电流愈大;反之,栅极负压愈高,屏极电流愈小。我们可由原厂的FIG 3与图四特性曲线中看出这种关系。

上图的偏压是固定偏压的方式,我们只要在阴极上加接一支电阻就成为自给偏压电路。

请看下图的自给偏压电路,我们看到自给偏压电路的栅极并未供给任何电极,因此对地之间也是没有电压的,但是自给偏压电路的阴极对地之间却有一个正电压,因此同为对地的栅极与阴极而言,栅极较阴极为负,其负压值就是阴极上的电压值。由于栅极上不必提供另外一个负压,因此称为自给偏压电路。





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 大卫
 

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自给偏压的优点:

一、自给偏压值会自动调整,因为自给偏压是在真空管的阴极上加上一个阴极电阻Rk而产生,会随着屏压的高低而自动调整。当市电电压升高时,屏极电压与阴极电压同时提高,因此具有自动调整工作点的功能,并可以防止电流因电压提高而过荷,有保护真空管的功能,工作也比较稳定。

二、自给偏压电路只要加一支阴极电阻就行了,使用的零件少,音染也少。

三、换管子时不必再调整偏压。

自给偏压的缺点:

自给偏压的最大缺点是需要提供较高的B+电源。

因为所谓的屏极电压Ep是屏极到阴极间的电压值,因此B+的电压要加上阴极上的电压值。例如我们需要供给350V的300B屏极电压时,则B+就要加上阴极上的74V电压值,即350V+74V=424V;但固定偏压的阴极是直接接地的,只要供给350V的B+电压就够了,因此自给偏压方式的电源利用率低。

固定偏压的优点:

一、固定偏压电路提供的屏极电压较低,电源的利用率高。

二、固定偏压大多设计成可调式,因此可以任意调整负压值,可根据不同的真空管来调出最佳的工作点。

固定偏压的缺点:

一、固定偏压需要一组独立的电源,因此电源变压器需要另绕一组栅负压专用的线圈,并且还要再用一组整流电路与滤波电路,使得电路复杂化,需要增加许多零件。

二、负压值与屏极电压值相差很大,当市电变动时,负压值跟不上屏压的上升,而使得负压值过浅,而遭至屏流过荷,工作较不稳定。


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那么自给偏压要如何计算呢?

例如我??选300B屏极电压Ep是350V,输出变压器的初级阻抗是2.5KΩ,栅负压Ec-是74V,屏极电流60mA,因此300B的阴极电阻Rk值为:

Rk=E/I

=74/0.06

==1233Ω

由于没有正好的数值,我们可用1200Ω的电阻,至于这支电阻使用的瓦特数也可由下列公式计算:

W=E2/R

=74×74/1200

=4.56W

一般设计电阻的瓦特数时,都会为了防止电阻因热而产生变值,通常都会用到3倍以上的耐功率,因此我们用15W~20W的电阻。

然而虽然理论上这300B的阴极电阻为1200Ω,但是我们见到许多300B的电路图多采用880Ω至750Ω之间的阻值,那又是为什么呢?我们可由300B的特性曲线图中看到,较右边曲线的下段部分比较弯曲,因此如果我们把电流加大一些,就可以离开曲线弯曲部分远一点,失真应该也会降低一些。加大电流的方法很简单,只要把阴极电阻的阻值降低就可以了,您可以在750Ω至1KΩ之间选择,阻值愈低,电流愈大,声音会比较厚,也比较温暖;反之阻值愈高,电流愈小,声音较为活泼,明亮。阴极电阻降低之后,偏压亦会随之降低,如果我们采用820Ω左右的阻值,偏压约为-70V左右。

除了阴极电阻之外,还要一支阴极旁路电容Ck,阴极旁路电容的容量与Cut Off的低频截止点(-3db)有关,其计算式为:

fc=1/2pCR

\ C=159/fR

其中C的单位为uF,f为Hz,R为KΩ。

在强放级中,我们希望低频的截止点愈低愈好,因此可用100uF,耐压值要超过70V以上,代入公式:

f(Hz)=159/C(uF)×R(KΩ)

=1.3Hz

图中我们可以看到300B屏极对地的电压是420V,这不是屏极电压,因为所谓的屏极电压是指屏极到阴极之间的电压,要扣掉阴极上70V的电压,为420V-70V=350V。

另外,我们可以看到在300B的灯丝5V线圈上装了一支100Ω的交流声平衡电阻,串联在5V的灯丝线圈两头,就成了50Ω,因此与阴极的820Ω合起来的电阻值是870Ω。

300B的栅极电阻与交连电容的设定
不论是用什么管子,固定偏压与自给偏压的最高栅极电阻值是不相同的,300B的最大栅极电阻值在固定偏压时,不得超过50KΩ,而在自给偏压时,不得超过250KΩ。由于交连电容值愈大,高频响应愈差,所以我们尽量用较大的电阻值与较小的电容值组合,因此我采用220K的?抛柚?因为220K再上去就是270K),在音响圈?扔行矶嗳讼不队么蟮缛萦胄〉缛莶⒃谝黄穑?衔?庋?摺⒌推刀蓟岷茫?导噬弦彩侨绱耍??俏也幌不恫⒘?纳?簦?蛭?⒘?纳?舯冉夏:???晕也捎媒洗蟮?20KΩ栅极电阻,这样就可以用容量小一点的交连电容。

有了栅极电阻值,我们就可以计算前面交连电容值,我们也要用到上面300B阴极电容低频截止为-3db的公式即:

C=159/f×R

例如我们设定的低频截止点为5Hz,则代入公式:

=159/5×220

=0.14uF

能找到的现成的电容为0.22uF,耐压至少在400V或以上。

电压放大级的设计
当然,要设计一台负反馈的放大器,还是先要挑选频率响应够宽的真空管,因为无负反馈放大器的频率响应不是靠负反馈来获得的,而是要挑选本身频率响应就够宽的真空管。

前面已提到,想要频率响应宽,就需要找屏?茸璧偷墓茏樱?氩慰佳∮玫?茸璧那??埽∫晃模 在此我们选5842来担任放大器的电压放大管与驱动级!原因是5842的屏?茸杓?停?挥?.8KΩ,就表示这支真空管的输出阻抗极低,因此搭配起来频率响应特?e宽。

--------------------------------------------------------------------------------

低?茸璧那??埽。。

米勒效应与输出阻抗的关系

选用电压放大真空管,尤其是做为驱动管时,除了要看与强放管所需的输出电压摆幅之外,还要尽可能选用低?茸璧恼婵展埽?庥质俏?裁茨兀空馐俏?饲糠殴β使艿拿桌招в?Miller Effect)之故。

所谓的米勒效应(Miller Effect),就是真空管极与极之间的电容,真空管的极间电容愈大,高频响应就愈差,强放管的体积特大,因此极与极之间的距离也比较大,比一般小型电压放大管要大得多,尤其是三极管更为甚,因为三极管只有三个极,因此极与极之间的距离比四极或五极管更大,当然米勒效应也更大。

但是高频响应除了与极间电容有关之外,还与前面驱动级的输出阻抗有关。驱动级的输出阻抗愈低,功率管的米勒效应愈可以忽视,因此驱动级除了要输出摆幅大之外,还要输出阻抗低。

其实任何两级放大之间都有这种关系,并不只是功率级与驱动级,只不过是功率管的极间电容较大,因此驱动级的输出阻抗就变得更为重要了。

我们都可以用前一级的负载电阻,与后一级的极间电容,计算出其概略的-3db高频截止点,其公式为:

fc=1/2πRL{Cin+Cgp(1+A)}

=159/RL{Cin+Cgp(1+A)}

其中:

fc=后一级真空管的-3db高频截止频率,单位是KHz。

RL=前一级真空管的屏极负荷电阻,单位是MΩ。

Cin=后一级真空管的输入电容,也就是栅极到灯丝之间的电容,单位是pf。

Cgp=后一级真空管的栅极到屏极之间的电容,单位是pf。

A=后一级真空管的增益。

由上式即可知前一级的屏极负载电阻愈低,后一级的Cgp愈小,增益愈低,高频截止点就愈高,换句话说,高频响应就愈好。

那要如何来选择驱动级的真空管呢?当然是要挑选输出阻抗低的真空管,与后一级的真空管搭配起来才能获得较佳的频率响应。

举两个真空管的例子:
例如WE300B,我们可由WE300B的规格中得知极间电容:

Cgp=15pf

Cgf(即Cin)=9pf

Cpf(即Cout)=4.3pf

假设我们用一支rp较高的真空管来推动300B,例如ECC83/12AX7,根据真空管手册得知ECC83/12AX7的屏?茸?p在屏压250V时为62.5KΩ。

一般三极的屏极负载电阻RL大多设定在屏?茸?p的3~7倍之间,我们取其中间值5倍为屏极负载电阻,rp的5倍为屏极负载RL,即:

62.5KΩ×5=312.5KΩ

代入上式:

fc=159/RL{Cin+Cgp(1+A)}

=159/0.3125{9+15(1+3)}

=7.37KHz

试想,在一个没有负反馈的放大器?龋?糯蟮缏返钠德氏煊χ坏?.4KHz,这支真空管可以用吗?

又假设我们用一支rp较低的真空管来推300B,例如ECC82/12AU7,根据真空管手册ECC82屏?茸柙谄裂?50V时为rp=7.7KΩ,如果我们也用7.7KΩ×5=38.5KΩ为RL代入上式:

fc=159/RL{Cin+Cgp(1+A)}

=159/0.0385{9+15(1+3)}

=59.8KHz

这个真空管的频率响应还不错,也由此可知,想要频率响应宽,驱动级就需使用rp较低的真空管。

输出阻抗低的条件
怎么样的真空管输出阻抗低,又什么情况之下的输出阻抗低呢?

‧真空管的屏极电阻(屏?茸?愈低,输出阻抗就愈低。

‧屏极负载电阻愈低,输出阻抗愈低。

‧电流愈大,输出阻抗愈低。

‧在阴极电阻上用一支电容旁路,输出阻抗也会大幅降低。

另外,有一些方法也可以降低输出阻抗,但这些方式并不符合「张八点」的原则,因此仅在此提出供做参考:

‧并联真空管,可降低输出阻抗。

‧用Cathode Follow电路,可降低输出阻抗。

‧用SRPP电路,可降低输出阻抗。

又三极电力放大管的屏?茸瓒急冉系停?缌饕步洗螅?涑鲎杩沟比灰簿偷停??砸灿腥擞媒闲」β实娜??埽?蚪?幕蛭寮?芙映扇??芾醋銮??兜摹

我选5842来担任放大器的电压放大管与驱动级!
当然,要设计一台无负反馈的放大器,还是先要挑选频率响应够宽的真空管,因为无负反馈放大器的频率响应不是靠负反馈来获得得的,而是要挑选本身频率响应特?e宽的真空管。

前面已提到,想要频率响应宽,就需要找屏?茸璧偷墓茏樱?胰梦颐窍壤捶治鲆幌乱粝旖缱畛S玫牡缪狗糯蠊埽?约八?堑钠?茸瑁

较早期真空管最常用的电压放大三极管是ECC83/12AX7,像名器McIntosh、Marantz 7之类的前级也都用这支管子。这支管子的屏?茸韪叽?2,500Ω(裸特性的频率响应非常窄),如果不用大量负反馈的话,简直无法用于无负反馈的放大器上。

与ECC83/12AX7类似的中型电压放大管是6SL7,屏?茸?4,000Ω,裸特性的频宽也不高。

ECC81/12AT7的屏?茸璞冉系停??0,000Ω左右,裸特性的频宽尚可。

ECC82/12AU7也常拿来当作驱动管用,屏?茸杞系停??,700Ω,裸特性的频宽还不错。

与ECC82/12AU7类似的真空管有6FQ7、6CG7、12BH7等,前两者屏?茸栉?,700Ω,后者的屏?茸杞系鸵坏悖??,300Ω。另一支与ECC82/12AU7相当的中型电压放大管是6SN7,屏?茸枰彩?,700Ω,裸特性的频宽都还可以。

还有更低的吗?有,最近期较为流行的ECC88/6DJ8,屏?茸杈偷投嗔耍??,640Ω左右(这也是为什么近期真空管放大器将ECC83/12AX7都改用ECC88/6DJ8的原因)。

还有一支真空管就是日本DIY界最近甚为流行的6463,屏?茸?,850Ω。

另外一支真空管不可不提,就是5687这支双三极管,最近也有一些品牌的放大器使用,屏?茸柚挥?,000Ω左右。

还有更低的吗?有,我就翻遍RCA与GE的真空管手册,把所有可用的电压放大管的规格都看了一遍,并列表记录下来,结果找到一支真空管,?茸韪?停?挥?,800Ω,就是5842。与5842特性非常类似的真空管是WE417A。

还有二支真空管的屏?茸枰卜浅5停?恢??182CC/7119/7004的1,750Ω,与E288CC/8223的1,400Ω。

把所有的真空管手册都查一遍,屏?茸枳畹偷氖?288CC/8223与E182CC/7119/7004。

但是我还是选中了5842的管子,原因是5842是一支单三极管,而其他的都是双三极管,我想两支三极管装在同一个玻璃管?龋?欢ɑ嵯嗷ジ扇诺模?热挥械ト??芸捎茫?堑比挥玫ト??苁亲詈貌还?牧耍??慰?842还有WE的管子,就是WE417A,WE真空管的声音当然好听。

还有更低的吗?有,在RCA或GE真空管手册中查不到的有美国的WE437A,英国的3A167M,或欧洲军用规格的CV5112,以及最近年来欧洲全新设计的45Π-E,这些真空管的?茸瓒贾挥?00多Ω ,μ值都在40以上,而且跨导也都比417/5842更高,同时也都是单三极管,其中WE437A与3A167M及CV5112的规格非常类似,且让我们来看看它们的规格,并且与5842做比较。





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 大卫
 

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由上表我???到WE437A的最大屏耗高达7W(5842为4.5W),最高屏压250V(5842为180V),跨导43000(5842为25000),而?茸韪?偷?50W(5842为1800W),可见WE437A的规格样样都比5842/417A好。

而45Π-E的最大屏耗更大,?茸韪?停?钪匾?氖欠糯笠蛩?值更高达52,而且价格还甚为合理,须注意的是45Π-E有两种牌子可选,其中俄国Sovtec的管子价格较低廉,但音色较冷,另一是意大利的Perugini,价格较高,但音色较佳,与WE的417A及437A有点类似。


5842的特性规格
依照张八点的想法,我们希望电路愈简单愈好,最好是只用一级放大来推300B,那只有一级放大增益够不够呢?只要用5842的管子就有足够的增益,我们曾在现代音响发表过一篇用5842组成Cascode的电路,但用Cascode有两个缺点,一是Cascode电路的输出阻抗较高,二是增益也太高,因此决定采用单支5842推单支300B,零件用得愈少,声音的污染就愈低,何乐而不为呢。

决定了电压驱动级只用一级放大电路之后,就要来研究这支单三极电压放大管的特性规格了。

5842是一支较小型的"MT"管,所谓的MT管就是"Miniature Tube"的意思,像ECC81、ECC82、ECC83、12BH7、6FQ7.....等都属于之,但5842的管子特?e短,短就代表了里面的材料小,振动当然也就小,站在「音响卫生学」的立场而言,是很「卫生」的,5842/WE417A玻璃管的高度只有3.8公分左右,真是小巧可爱。

5842是一支高互导、高增益、低杂音的中μ管,其特性规格参看5842的特性规格。

这支真空管的栅极非常接近阴极,因此Gm值高达25,000 mhos,是三极管中最高者,而μ值更高达45,屏?茸枰仓挥?.8KΩ。屏?茸璧停?m值高,就表示这支真空管的输出阻抗极低,因此频率响应特?e宽。

由原厂所附的表中我们可知道一连串的资料,首先是5842的灯丝电压是6.3V,电流是0.3A。

屏极到阴极与灯丝的极间电容是0.55pf,阴极到栅极与灯丝是9.0pf,屏极到栅极与灯丝是1.75pf。

我们可以不管这支管子的极间电容问题,因为它是摆在第一级放大,前面的信号源不是前级放大器就是CD唱盘,要不就是电子分音器,这些讯源的输出阻抗都非常低,级间电容根本就起不了作用。

灯丝到阴极的最高耐压为±100V,最高屏极电压为200V,最大屏极损耗是4.5W,最大栅极电流3mA,最大阴极电流38mA,及最高栅极电阻为0.5MΩ。

表中的典型的操作实例为屏压150V,阴极电阻60Ω,屏流23mA,此时的屏阻是1,800Ω,Gm值25,000 mhos,μ值是45。

由5842WA的Eb-Ib特性曲线图,我们可知?叛褂?V开始一直到+6V的曲线间隔都相当平均,因此我们的偏压设计可在-0.5V~-3V的范围内。

在设计之前的最重要一件事,就是先要看看5842的最大摆幅是不是能达到300B所需70V的输出,如果不能达到70V的输出,则其他都免谈了。

300B偏压是-70V,由于单端放大一定是纯A类的设计,因此大致来说强放级的偏压值就是所需输入的峰压值。

我们知道峰值电压是实效值的√2,亦即1.4142,倒数是0.7,如果要仔细计算300B在-70V时所需的实效输入电压值,则可由下列公式算出:

74×0.7-0.7

=48.3V

由于上式被减的数字很小,只有0.7V,因此通常我们都省略这个数字,简单地说,纯A类放大的偏压值所需的输入电压就是峰值电压值。

也就是说,5842至少要能输出70V的峰值电压,也就是直接减去0.7的实效值是48.3V。

那么5842的最大输出有多大?这就要先看看5842的特性曲线与负载曲线了。

欲知一支放大管的最大摆幅,就要先计算一下这支真空管的实际增益,因为真空管的μ值是放大因素,而不是实际放大倍数,因为真空管的实际放大倍数与屏?茸?p及负荷电阻RL有关,其公式为:

A=μRL/rp+RL

我们已知5842的μ值为45,rp为1,800Ω,假定我们取屏极负荷电阻为rp的4倍,即 :

1,800×4=7,200Ω

代入公式:

A=μRL/rp+RL

=45×7200/1,800+7200

=36倍

注意!这是有阴极旁路电容的增益,如果不用旁路电容,增益会低很多。

偏压值的设定
知道了增益之后,就要决定偏压值了,假设偏压设定为-1V,放大倍数为36倍,则此时的最大输出才只有36V,当然不能驱动300B所需的-70V。

因此我们就必需选择至少2V的偏压,乘上36倍,就可达到70V的输出,为了保险起见我们设定为2.2V。

我们用-2.2V的偏压就真的能有70V的输出吗?

那可不一定!一是偏压用的愈深,放大因素就愈低;二是屏压用的愈低,放大因素就愈低,因此上面的公式我们并不能直接用其结果,总是要打些折扣的。

而rp也一样,与采用的栅压、屏压与?茸璧那?咭嘤泄亍

我们选择的工作点为-2.2V,为了要有足够的输出摆幅,我们选的屏压高达180V,因为屏压太低也会使放大因素降低,到时最大摆幅到不了300B所需的70V,请看5842WA特性曲线图,屏压180V,偏压-2.2V时的电流为20mA左右,因此阴极电阻Rk就可算出:

R=E/I

=2.2/0.02

=110Ω

在此我们可以利用一支稳流元件来取代这支电阻,使得电路更稳定,而且杂音也要比电阻低很多。

由于阴极电阻的阻值很低,因此就需要较大容量的电容来旁路,假设我们设定低频-3db的截止点为10Hz,代入公式:

C=159/10×0.11

=144uF

我们可用220uF的电容取代。

屏极负荷电阻的设定
我们知道真空管的负荷电阻范围为rp的3~7倍,假设我们选6.8KΩ,在5842?茸璧?~4倍之间,但是我们还要看看使用这个阻值时,跨压能不能超过70V,如果屏极负荷电阻的跨压不能超过70V,是无法让5842的输出能达到70V的,我们可用欧姆定律来计算一下:

E=RI

我们已知负荷电阻为6800Ω,电流为20mA,代入公式:

=6800x0.02

=136V

已超过70V,因此可放心用6.8KΩ来做为5842的屏极负荷电阻。

再让我们来计算一下这支电阻所需要的功率值:

P=ExI

=136x0.02

=2.72W

我们可用一支6.8K/6W的电阻。

此时亦可知供应B+的电压:

180V+2.2V+136V

=318.2V

反交连电路的设计
这个电压我们可由强放级的电源做个p型反交连电路来提供,我们已知强放级的电压约为430V,而5842的B+为318.2V,两者相差112V左右,因此这p型反交连电路的电阻即可由欧姆定律求出:

R=E/I

=112/0.02

=5600

所需功率值:

P=ExI

=112x0.02

=2.24W

我们可用一支5.6K/6W的电阻。

电压误差10%均属正常
如此整个放大电路的工作点与零件数值都计算出来了,要注意的是这只是纸上作业求出的数值,实际上会因使用不同的真空管、不同的电源变压器、不同的扼流圈而有差异,而且您家的电源也不一定完全是220V的电压,因此实际的电压值是会有出入的,只要是在误差10%之?榷际粽?!

5842WA与417A/5842的比较
虽然417A/5842与5842WA有类似相同的特性,但是用于单管推300B时,最好不要使用417A/5842这支真空管,您可以比较一下两者的曲线图,5842WA的偏压可设范围很广,甚至到-3V都可以。反观417A/5842,最高只能设在-1.5V左右,推300B的摆幅不够,300B是无法达到满输出功率的,除非您用的是极高效率的喇叭,不在乎输出功率。

其实417A/5842有WE的管子,声音当然有WE的味道,如果用来推2A3或45之类的强放管,则用则支WE417A是再好不过的了 。

电源电路的设计
电源电路的设计很简单,只要一支电源变压器及一组高压整流电路就可以了。由电路图中,我们可知电源变压器的初级线圈是115V,次级线圈有许多组,分?e提供各真空管的灯丝电压,与一组380V或400V的高压,两者都可以使用,相差并不很大。

本机各真空管的灯丝均采用交流电压供应,因此所有的灯丝都不需要整流电路,只要把各真空管的灯丝接脚直接接到变压器的相关线圈上就可以了。

要注意的是5842的灯丝有一个「※」的记号,另在300B的阴极上也有一个「※」的记号,表示这两点相连,也就是说,5842的灯丝不直接接地,而是接在300B的阴极电阻,有降低交流声的功效。

高压整流电路是用一支整流管来整流,整流出来的直流电压之后如为Mono机的可采用平衡式扼流圈滤波电路,如为Stereo机则下面一支扼流圈可不用。扼流圈之前的滤波电容容量不能乱用,必需查看所用整流管的特性而定,在真空管手册上都可以查得到的,一般而言,旁热式的整流管在开机时阴极还没有立即发热,因此可以用较大一点的滤波电容,像5AR4/GZ34之类的整流管,滤波电容可以用到200uF都没有关系。但是使用5U4G之类的直热式整流管时,就要特?e注意不能使用太大容量的?容,因为在开机时直热式整流管等于处在短路的状态,如果电容容量太大,整流管的灯丝就很容易损坏,而本机使用5U4G之类的整流管时,建议50uF以下是个好容量,要不60uF还勉强可以,100uF或以上的容量就容易对整流管造成伤害了。


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平衡式扼流圈滤波电路

我第一台自己设计的300Bs终于开声服役,只不过我还是不能忍受一件事:就是使用扼流圈的副作用---在较低的频率会有一个峰值,原来我用的6550A放大器中没有装扼流圈,所以低频并没有凸起的峰值,但是用了装有Choke的300Bs之后,低频就会有明显的凸包,低频有一陀浓得化不开的地方,很让人受不了。

向精业先生自己装的一对单端6550A放大器,对电源滤波电路里使用扼流圈是又爱又恨,爱的是加了扼流圈之后,听感上的频率响应较宽,背景杂音较低,音质也比较有高贵感,也比较透明,但恨的是低频会有凸起,不干净,我们都知道那是出自于电感与电容所产生的谐振峰值,我们也曾经讨论过,并说好要找一天来做实验,看看能不能解决这个问题。

这一天,大家聚在一起,有熊园伟、向精业、曹一、石杰夫和我,我们还是用这对我装的300Bs做实验。

原先设计的滤波电路:





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一、扼流圈有无的实验
向精业先提议:我们听听装扼流圈与不装扼流圈的声音到底有何不同?

石杰夫先生负责施工,拿起烙铁把原来的扼流圈焊下来,改用一支330Ω的10W电阻来滤波,听听看不装扼流圈的的声音。




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果然拿掉扼流圈后的低频的凸起就没有了,低音比较清楚,凝聚,也比较Q,但是中高频的声音却比较毛燥了,音质变松,有背景杂音,整个舞台的音像比较向前,高频的延伸性也差了些。

二、只接一支扼流圈的实验
再接回扼流圈,听听有扼流圈的声音:




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低音的凸起马上出来了,但是中高频整体的声音就干净了起来,声音的密度也高了起来,高贵感出来了,背景杂音降低了不少,而且高频也比较细,比较延伸,音像比较后退些,声音也比较不冲。

三、驱动管接在扼流圈之后
这次的实验是将驱动管的供电经过330Ω/10W的电阻改接在扼流圈之后:




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低频的凸起仍然一样,但是背景杂音又低一些,声音的密度又提高了,高频又延伸了一些,较滑溜,质感又好了一点,可见驱动级也要用扼流圈的音质较好。

四、恢复为强放与驱动分?e各装一支扼流圈




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实验到此,我们再回到最先的强放与驱动各装一支扼流圈。

低频的凸起范围更大了些,低频的细节又少了,但是中高频的质感更好,高频也比较延伸,质感更好,音色滑溜而顺畅,高贵感也更好了。

五、改为双p 型滤波电路
想不到这扼流圈还这么好玩,我当初设计强放级与驱动级分?e用两支扼流圈,其目的是将?这两级之间的电源串音影响降低,但却不知如果把这两支扼流圈接成双p型滤波电路的话声音又会如何?反正我们想要把两支扼流圈玩到尽。





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还是由石先生动手,改接扼流圈是非常容易的事,一下子就换好了。

声音一出,大家都感到很惊讶,声音改变的程度更大,质感比分?e到强放级与驱动级的更好,声音的密度更高、更干净,而且声音又更滑溜,更丰富,听感上的频率响应又更宽,音场的透视更清楚,而且又深,音场高度也更高。

为什么我们会惊讶?因为照理说把强放级与驱动级用两支扼流圈分开来串,杂音将比较低,应该比双p的效果好,但是我们都错了,这才知道双p的滤波电路使得电源的涟波更低,强放级与驱动级?都沾到光。

所以说,想像中的理论归理论,还是要用实验的方法才能发现另一个结果。

但是这种双p型的?V波法,低频的凸起又大一些,而且经过双p的滤波,电压也会比较低一些。

六、最好的滤波电路---平衡式扼流圈滤波电路





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