超音頻正弦波電子管放大器燈絲伺服電路的設計

孟易鴻

摘要 電子管放大器又稱膽機，是音響業界最古老而又經久不衰的常青樹，其顯著的優點是聲音甜美柔和，溫暖耐聽，音樂感好，尤其動態范圍之大，線性之好，絕非其他器件所能替代，當今世界上頂級的音響設備無一例外均是采用電子管放大器技術設計的膽機。筆者主要分析了超音頻正弦波電子管放大器燈絲伺服電路，希望能夠更好的提高電子管放大器本身的音質。

【關鍵詞】超音頻 正弦波 燈絲伺服

電子管放大器又稱膽機，是音響業界最古老而又經久不衰的常青樹，其顯著的優點是聲音甜美柔和，溫暖耐聽，音樂感好，尤其動態范圍之大，線性之好，絕非其他器件所能替代，當今世界上頂級的音響設備無一例外均是采用電子管放大器技術設計的膽機。因此對膽機燈絲伺服電路進行深入研究，并結合當今新理論和的數字化技術新技術對傳統的膽機進行升級改進、提升性能，是非常有意義的工作。

本文詳細深入的分析了電子管放大器的燈絲供電電路，并結合當今的數字化技術提出了基于直接數字合成技術的超音頻正弦波電子管放大器燈絲伺服電路，用于電子管放大器的燈絲供電，延長了燈絲的壽命，消除了交流聲，提高了電子管放大器的音質。

具體分析電子管放大器的電源電路：傳統的電子管電源電路一般由供給電子管的燈絲、屏極和柵極的電源構成，又稱“甲電”、“乙電”、“丙電”。其中“乙電”、“丙電”，由電源變壓器的次級高壓經全被整流后變成脈動的直流電壓，再經過電容電感組成的LC濾波電路，得到平滑的直流電壓供給，50Hz工頻干擾在電源部分通過電容電感濾除，不進入電子管內部。但其中的“甲電”又稱燈絲電壓一般由交流電壓直接供給，50Hz工頻直接進入電子管內部形成一個工頻干擾源，用傳統方法不易消除。目前常用的幾種燈絲供電方式均存在各自的問題，有提升改造的必要，具體分析如下：

1 傳統燈絲供電電路分析

傳統燈絲供電電路一般有兩種形式：工頻交流供電、直流供電。

1.1 工頻交流供電電路

工頻交流供電，最普通的燈絲供電方式。電源變壓器的燈絲繞組產生的6.3V交流電壓直接對燈絲供電。不過這種供電方式高檔放大器已不再采用。目前高檔電子管放大器為了降低燈絲干擾，抑制交流感應噪聲，都采用交流燈絲接地電路（圖1），在電源變壓器燈絲繞組設置中心抽頭并使中心抽頭接地，燈絲連線采用雙絞線進行連接，利用兩組燈絲繞組電流方向相反，使電場相互抵消，以抑制交流感應噪聲。

1.2 直流供電電路

為了徹底去除50Hz交流干擾，和提高電源穩定度，一些電子管放大器采用了直流供電電路。

圖2中采用了常規穩壓電源電路，為燈絲提供了一個穩定的直流供電電路，直流供電雖然截斷了50Hz交流進入電子管的途徑，似乎從“理論”上消除了燈絲存在的交流干擾，但經過實際聽音和深入分析后發現其負面影響也是巨大的。甚至可以說直流供電方案得不償失。

燈絲的直流供電電路存在的問題：

（1）直流電通過燈絲會產生一個極性固定的磁場，對電子的發射（尤其對直熱三極管）產生偏轉效應，不僅使電子運動軌跡成曲線，相對單位時間發射的電子數量減少;還降低了電子發射的動能，使其力度減弱。

（2）燈絲磁化，是導致直流電燈絲壽命較短的物理原因之一。交流電對電子的發射沒有偏轉影響。電子的運動軌跡是最短的直線距離，電子的動能足，發射速度快，單位時間發射的電子數量多。這就是交流燈絲膽機音樂力度比直流燈絲膽機音樂力度強的物理原因。

（3）直流燈絲供電會造成電子管的早衰。電化學知識表明：不同的金屬的化學電極勢各自不同，直流大電流通過兩種不同金屬材料的連接處時會產生電化學效應，造成電腐蝕。功率電子管的燈絲電流相當大，改為直流供電后燈絲和管腳引線的焊接處可能因直流電腐蝕而燒斷，減少電子管的壽命令電子管過早損壞。

實際聽音也證明燈絲交流供電比直流供電音色更好，燈絲壽命更長。所以直流燈絲供電并不是一個好的供電方案。

2 超音頻正弦波電子管放大器燈絲伺服電路方案

上述兩種傳統供電方案不能完美的解決燈絲供電的干擾問題和燈絲壽命問題，加之燈絲在上電時承受大的沖擊電流，容易造成燈絲沖擊熔斷，影響電子管壽命。基于以上的分析，本文章提出一種“超音頻電子管放大器燈絲伺服電路”，配合開機軟上電，在去除50Hz工頻干擾改善音質的同時，也提高了燈絲的壽命。

2.1 實現思路

為燈絲提供超音頻的純正弦波的驅動電壓去驅動燈絲，這樣驅動燈絲電流的交流頻率在人耳的聽覺（ 20H-20KHz）以外，人耳無法覺察，因為是純正弦波交流供電，上述直流供電的弊端均不復存在。交流供電不會對燈絲造成不良影響。為了避免上電時全部額定電壓瞬間直接加到燈絲對燈絲的沖擊，設計了軟上電電路，用數字電位器實現，在上電時數字電位器置零，在上電后的十秒鐘內線性平滑的調到最大值，實現燈絲電壓由零到額定值的“軟上電”，保護燈絲免受沖擊，提高了燈絲的壽命，使電子管的壽命得以延長。

具體實現：正弦波信號發生采用直接數字式頻率合成器（ Direct Digital Synrhesizer）DDS數字技術實現。與傳統的頻率合成器相比，DDS具有高精度、高分辨率、低諧波干擾等優點，采用直接數字頻率合成技術產生頻譜純凈、幅值穩定的超音頻正弦波信號，此信號經過功率放大，為燈絲提供純凈穩定激勵電源。并在上電時為燈絲提供一個電壓緩慢上升的軟上電過程，減小燈絲的沖擊電流，延長燈絲壽命。

2.2 電路實現

電路主要包括正弦波信號發生電路、數字電位器、低通濾波器、功率放大電路、CPU電路和電源電路。如圖3所示：正弦波信號發生電路、數字電位器、低通濾波器、功率放大電路依次相連，正弦波信號發生電路產生的正弦波信號通過數字電位器分壓后進入低通濾波器濾除高次諧波，得到25KHz的幅度穩定的正弦波進入功率放大電路進行功率放大，產生6.3VRMS、25KHz的正弦波為電子管放大器燈絲提供激勵電壓。

具體電路如圖4所示：由正弦波信號發生芯片AD9833，數字電位器軟上電電路AD5263，低通濾波器AD829，功率放大電路LM3886。DDS芯片產生的正弦波信號，通過數字電位器分壓后進入二階巴特沃斯低通濾波器濾除高次諧波，得到25KHz的幅度穩定的正弦波，之后進入LM3886構成的放大器進行功率放大，產生6.3VRMS，25KHz的正弦波為電子管燈絲提供激勵電壓。CPU電路如圖5所示：STM32F030F4的硬件SPI口連接AD9833和AD5263，PA3、PA4為兩芯片提供片選信號。

軟件實現：軟件功能較為簡單，STM32F030F4上電后初始化SPI口，后將數字電位器置為最低，之后控制DDS芯片輸出，再緩慢提高數字電位器輸出，使功放輸出合適的電壓，提供給燈絲。這方面的文獻、例程較多很容易獲得，本文不再贅述。

本文章摒棄了傳統的電子管燈絲供電方案，取代以超音頻燈絲供電方式，這是使用現代數字化技術對傳統電子管放大器進行性能提升的有益嘗試。