膽機(jī)信號(hào)環(huán)路與電路優(yōu)化

中國(guó)科技開(kāi)發(fā)院廣西分院 林成剛

1.概述

上世紀(jì)60年代之前曾經(jīng)風(fēng)靡全球的電子管，如今已基本被晶體管或集成電路所取代，但電子管音響?yīng)毺氐囊羯珡膩?lái)不乏追隨者。圖1是一張經(jīng)典的電子管放大器電路圖，筆者曾經(jīng)與許多玩機(jī)幾年的新手和玩機(jī)多年的老燒就有關(guān)信號(hào)走向或信號(hào)環(huán)路（回路）等進(jìn)行交流，部分燒友給出的答案出乎意料，對(duì)電路分析概念，對(duì)電子管電路的放大原理等了解不多，部分燒友主要通過(guò)音響論壇了解膽機(jī)的制作方法，憑著一股興趣和毅力把玩膽機(jī)，對(duì)電路中各器件作用知之甚少，基本知識(shí)的缺乏讓人擔(dān)擾。

放大器運(yùn)行存在暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)之分，工作正常的放大器其穩(wěn)態(tài)直流電無(wú)法流經(jīng)電容，而輸入的音樂(lè)信號(hào)為瞬變暫態(tài)（交變信號(hào)）電容阻力小，故穩(wěn)態(tài)直流電與瞬變暫態(tài)信號(hào)有不同的電路表現(xiàn)，由此產(chǎn)生信號(hào)環(huán)路概念。膽管和晶體管的放大原理是一致的，交變信號(hào)環(huán)路上的任何器件都將直接影響交變信號(hào)的運(yùn)行，是影響聲音質(zhì)量的最直接因素。因此，理解信號(hào)環(huán)路原理是做好膽機(jī)和石機(jī)的基礎(chǔ)。

以下筆者按照信號(hào)環(huán)路原理，分析各種信號(hào)在傳輸過(guò)程中的相互干擾狀況（不分析有關(guān)負(fù)反饋、射極輸出等），從原理上了解各種信號(hào)干擾對(duì)聲音的影響。

2.信號(hào)傳輸

任何工作正常的電路都存在一個(gè)最佳的工作環(huán)路，環(huán)路斷裂將導(dǎo)致電子流中斷電路無(wú)法正常運(yùn)行。分析電路有一個(gè)閉合環(huán)路的概念，電子管放大器也同樣如此，電路工作的穩(wěn)態(tài)與暫態(tài)對(duì)應(yīng)電子管放大器的直流與交變兩類(lèi)信號(hào)狀態(tài)，直流提供工作基礎(chǔ)，交變即為輸入的音樂(lè)信號(hào)是我們要聽(tīng)的“聲音”。

以電壓放大級(jí)為例，直流狀態(tài)閉合環(huán)路見(jiàn)圖2紅線所示。直流從B2經(jīng)R3－V1－R2－T1－V3－R7－R9最終回到B2，形成了一個(gè)直流通道閉合環(huán)路，這個(gè)似乎并不難理解。當(dāng)V1管子工作點(diǎn)建立之后，直流通道處于穩(wěn)定狀態(tài)，其工作點(diǎn)即為交變信號(hào)放大的基準(zhǔn)點(diǎn)，放大后的交變信號(hào)圍繞這一基準(zhǔn)波動(dòng)。

信號(hào)輸入后電壓放大管的交變信號(hào)環(huán)路見(jiàn)圖3示。信號(hào)輸入V1后引發(fā)電子管陰極到陽(yáng)極間的電子流數(shù)量變化，導(dǎo)致V1管工作狀態(tài)隨輸入信號(hào)而變化，形成信號(hào)的放大效應(yīng)。波動(dòng)的“信號(hào)”經(jīng)V1－R2－C5－B2－R3，最終回到V1，形成交變信號(hào)的閉合環(huán)路。交變信號(hào)之所以如此運(yùn)行，是因?yàn)檩斎隫1的交變信號(hào)引起V1電子流變化即V1的電流變化，變化的電流按照最小阻力原則形成閉合回路，我們從圖3可以看出V1－R2－C5－B2－R3－V1是交流最小阻力回路。

3.信號(hào)干擾

3.1 級(jí)內(nèi)信號(hào)干擾

將圖2與圖3合并后見(jiàn)圖4，虛線分別為電壓級(jí)直流傳輸線和交變傳輸線，兩條虛線有部分重疊干擾。

不改變電路原理，我們將圖3中的C5換一個(gè)位置，見(jiàn)圖5，其交變信號(hào)環(huán)路如圖中虛線所示。顯然，圖5更直觀更明確表達(dá)了各器件在交變環(huán)路中的作用，我們發(fā)現(xiàn)C5在圖3中起濾波的作用，在圖4中是有用的交變信號(hào)必經(jīng)之路。因此，C5這一電容同時(shí)擔(dān)負(fù)著有用交變信號(hào)通路和交流紋波旁路的作用，存在明顯的信號(hào)交疊問(wèn)題。

3.2 級(jí)間信號(hào)干擾

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8

電壓級(jí)直流與功率級(jí)交變傳輸線如圖6示，虛線有許多相互交疊干擾的地方。類(lèi)似的，級(jí)間交變信號(hào)存在類(lèi)似的干擾問(wèn)題。

兩條虛線兩路電子信號(hào)在導(dǎo)線中發(fā)生著你我看不到也不期望的碰撞，功率級(jí)的強(qiáng)信號(hào)削弱或淹沒(méi)電壓級(jí)弱信號(hào)，導(dǎo)致聲音“蒙”、不清晰，音樂(lè)的細(xì)節(jié)在你我不斷升級(jí)投資摩機(jī)的持久戰(zhàn)中早已注定被電子“撞”掉了。同時(shí)，直流中的交流紋波成份疊加到電壓級(jí)和功率級(jí)，是討厭的交流嗡嗡聲的主要來(lái)源，即使加大投資C3、C4、C5也很難處理干凈這種因信號(hào)交疊而產(chǎn)生的交流嗡嗡聲。

與C5類(lèi)似，C4既要負(fù)擔(dān)濾波又要讓有用的信號(hào)通過(guò)，同樣存在信號(hào)交疊干擾問(wèn)題。

4.電路優(yōu)化

4.1 優(yōu)化思路與方法

從常見(jiàn)的電路圖可以看出，存在交流紋波與輸入信號(hào)干擾的C4和C5主要置于電源部分，電源部分是最常見(jiàn)、最容易忽略的信號(hào)交疊最嚴(yán)重的地方，電源不僅提供電路工作的電壓和電流，而且還參與交變信號(hào)環(huán)路的工作。既然信號(hào)交疊無(wú)法避免，那么通過(guò)器件接入點(diǎn)的優(yōu)化減小信號(hào)環(huán)路和相互影響，尤其是盡可能避免前后級(jí)強(qiáng)弱信號(hào)環(huán)路的交疊將是電路設(shè)計(jì)的要點(diǎn)之一，對(duì)無(wú)法避免產(chǎn)生交疊的地方必須弱信號(hào)、有用信號(hào)優(yōu)先，以減少信號(hào)間的相互干擾。接入點(diǎn)優(yōu)化的宗旨是避免信號(hào)環(huán)路的相互干擾，讓信號(hào)盡可能按我們?cè)O(shè)計(jì)的路線運(yùn)行。

圖5給出了實(shí)際解決問(wèn)題的思路和辦法。從交變信號(hào)環(huán)路原理不難理解，輸入信號(hào)經(jīng)V1放大后，在負(fù)載R3兩端產(chǎn)生交變壓降，導(dǎo)致V1陽(yáng)極電位處于交變狀態(tài)，C1通過(guò)V1陽(yáng)極電位變化將變化分量偶合至C1的另一極板形成信號(hào)輸出。理想狀態(tài)下，只要V1正常工作，V1、R3和C1這三個(gè)器件能完全反映和輸出該級(jí)的交變信號(hào)。因此，V1放大器信號(hào)交疊現(xiàn)象最少的優(yōu)化環(huán)路如圖7所示，交變信號(hào)環(huán)路中沒(méi)有一個(gè)多余的元件。

圖8是由圖1按信號(hào)環(huán)路初步優(yōu)化后的接線圖，對(duì)各元件的接入點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化，圖中也給出了交直流信號(hào)環(huán)路。經(jīng)優(yōu)化后的電路圖只是移動(dòng)了幾條線和C4、C5二個(gè)電容的位置，但每個(gè)接入點(diǎn)都經(jīng)過(guò)了精心的設(shè)計(jì)，避免了原圖公共地線上多種信號(hào)的交疊以及減少了環(huán)內(nèi)交直流的相互影響，前級(jí)與后級(jí)環(huán)路分離，基本杜絕了前后級(jí)間干擾，實(shí)現(xiàn)了交變環(huán)路最短、交直流交疊最少的目的。

4.2 實(shí)際應(yīng)用電路

把圖8清理整潔完善之后見(jiàn)圖9。圖中清晰地顯示了該電路由電壓放大級(jí)、功率放大級(jí)和電源三個(gè)模塊組成，電壓與功率模塊間由交聯(lián)電容連接。交聯(lián)電容的意義在于電位變化量的傳輸，將上一級(jí)負(fù)載電阻下端的電位變化忠實(shí)、實(shí)時(shí)地反映（傳輸）到下一級(jí)，交聯(lián)電容必須有快速的反應(yīng)能力，具備高速充放電的特性。

圖9是筆者多年應(yīng)用于6550膽管的原理圖，特點(diǎn)是易制作、易出好的效果。但是，該電路對(duì)電源的要求極高，電源的紋波將流經(jīng)V1、V2管的陰極電阻引發(fā)管子電壓的波動(dòng)，50Hz哼聲將極易聽(tīng)聞，解決這一問(wèn)題的方法是在V1、V2陰極電阻上并一個(gè)與C5、C4基本相同的電容C5’、C2，C5’、C2不再像圖1電路是控制音質(zhì)的電容，而僅是起到交流旁路的作用，不再參與交變信號(hào)的環(huán)路，影響音質(zhì)的電容是C1、C4和C5。

圖9

圖9與常見(jiàn)電路圖1在設(shè)計(jì)理念、對(duì)信號(hào)的理解上有較大的區(qū)別，無(wú)論是從電原理還是實(shí)際效果區(qū)別都是明顯的，特別是左右聲道共用一套電源輸出時(shí)，優(yōu)勢(shì)更為突出。

第一，傳統(tǒng)電路圖1的主要缺點(diǎn)是左右聲道無(wú)法分離。電壓級(jí)的電容C5與功率級(jí)的電容C4是兩聲道共用的元件，存在左右聲道信號(hào)的交疊，在兩聲道共用一套電源輸出的情況下這種信號(hào)交疊無(wú)法避免，這是傳統(tǒng)電路的致命缺陷，也是有些電路采用二套電源輸出的初宗。

第二，圖1的級(jí)內(nèi)交變環(huán)路元件數(shù)量多。以功率級(jí)為例，交變環(huán)路中的元件有V2、T2、C4、C2、R5，優(yōu)化后的交變電路元件只有V2、T2、C4，對(duì)音質(zhì)的影響因素大大降低。

第三，優(yōu)化后的電路，C5與C4左右聲道不再共用，左右聲道交變環(huán)路完全分離。一套電源輸出實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)電路二套電源輸出的功效，這是圖9最絕妙出彩的地方。

總之，與圖1的傳統(tǒng)電路比較，圖9的交變信號(hào)環(huán)路元件數(shù)量少，環(huán)路短小，影響音質(zhì)的因素少，調(diào)校音更簡(jiǎn)單和容易，容易制作出高水平的音響產(chǎn)品。