一款电子管集成电路混合功放的制作

　　这款电子管集成电路混合功放的前级使用由6N3组成的SRPP电路加上一级6N1阴极输出器，既具有宽的频率响应，又有较强的输出能力，适合驳接集成电路后级。该功放后级使用美国国家半导体的单片双声道放大器，接成BTL电路后达到每声道120W的连续输出功率。作品使用了稳压电源给前后级供电。电源供应充沛，确保了电路的性能。
　　
　　一、电路原理
　　
　　依据在电路中的作用把电路分成五部分叙述
　　
　　1、前级放大器
　　
　　本功放采用电子管前级放大器。电路原理图如下图所示(只画出左声道。右声道相同)。该电路由一级6N3SRPP电路和一级6N1阴极输出器直接耦合级联而成。SRPP电路是原先用于电视机中的射频放大电路。其特点是使用三极管作为共阴放大器的有源负载，使得电路的频响大大拓宽。同时，作为负载的三极管的加入具有阻抗变换作用。降低了电路的输出阻抗，提高了带负载能力。一般来说，在电子管电路中，SRPP电路已经具有足够的带负载能力。可以直接连接到其他电路的输入端。但是考虑到本功放后面还要连接双极型晶体管输入的放大器以及音调电路。所以特别加了一级阴极输出器，进一步降低输出阻抗，更好地匹配后级的输入阻抗。

　　该电路中，RP1和RP2分别是音量和平衡调节电位器；R1的加入可以避免当音量电位器开到最大时平衡调节失去作用；C1是输入耦合电容，C2是输出耦合电容；D1和D2是用于防止后级过载的限幅二极管，其导通电压远大于电路正常工作时加在其两端的电压。由于电子管放大器输入阻抗高，在输入端开路的时候很容易捡拾空间杂散电磁波信号放大，从而使后级放大器过载。严重时会烧毁后级电路和扬声器。即使存在音量和平衡电位器，在调试过程中也很容易断开电路而使电子管阴极悬空。为了避免这种情况的出现，建议读者加上这两个保护二极管。R3、R4和R5是阴极电阻；R6可以在不接后级调试时候提供C2充放电回路，其阻值很大，对于电路的输出阻抗基本没有影响。
　　
　　本级的屏极供电电压Va设在150V，是由于6N3阴极与灯丝间耐压的限制。在SRPP电路中，如果上下两个三极管特性相同，V1的屏极电压为Va／2。略去阴极和栅极问的电压，V2的阴极电压也约是Va／2。一般为了抑制干扰。灯丝采用一端接地的稳压电源供电，所以V2的阴极与灯丝间电压大约是Va／2。6N3阴极与灯丝间耐压为100V，所以选取Va＞200V可能会导致灯丝绝缘层被击穿。考虑到三极管之间的特性不对称性，还需要留出适当余量，所以选择150V。实际听音表明在这个供电电压下音质很好。读者也可以用特性与6N3相近但耐压更高的6N11代换，但必须注意两者的管脚是不兼容的。
　　
　　本级的增益约在十多倍，可以满足前置放大器的要求。

　　2、后级放大器
　　
　　本功放的后级放大器是由LM4780组成的BTL电路。LM4780是美国国家半导体公司于2004年推出的单片双声道2×60W功率放大器，接成BTL电路或并联使用可以达到最大120W的连续输出功率。该芯片的基本性能指标与90年代该公司推出的LM3886相当，但是其封装更加紧凑。LM4780设有静音管脚，正好可以作为开机静音使用，省去开机保护继电器。本后级放大器的电路图如下图所示(只画出左声道，右声道相同)。
　　
　　该电路中，IC1和IC2分别是封装在同一个LM4780芯片中的两个功率放大器。信号经过IC1放大后输出到扬声器的一端，同时又经过IC2反相放大后产生一个与IC1输出幅度相等、极性相反的信号加到扬声器的另一端。R9、R10、R13和R14是决定电路放大倍数的反馈电阻。其中，R9=R14=1k、R10=R13=20k是国家半导体推荐的元件值。此时电路的交流增益为

　　
　　C4、C5、C8和C9是隔直电容器，确保电路直流增益为1，不产生零点漂移。其中，C4、C8为电解电容器；C5、C9为瓷片或CBB电容器。两者的并联可以使之在整个交流频段内都呈现较低的阻抗，从而保证放大器有平坦的频率响应。R11、R12、C6和C7是补偿网络，防止放大器产生高频振荡。R8、R15为输入电阻；C3、C10为消除荧光灯闪烁干扰的旁路电容。R7是为了防止调试时输入端悬空的保护电阻。
　　
　　这个后级放大器的工作电压选为±28V。事实上，LM4780对于8Ω的负载在±35V的工作电压下可以达到2×60W的输出功率；对于4Q的负载在±28V的工作电压下即可达到2×60W的输出功率，此时即使增高电压也不能再增大输出功率了，因为芯片内部保护电路已经启动。对于BTL电路来说，每个放大器的等效负载是4Ω，所以选用±28V的工作电压，选高了也没有什么意义。

　　3、电源电路
　　
　　众所周知，攻放的供电对于音质至关重要。其电源要有足够的功率储备，以保证在大功率重放时不失真。否则，轻则使功放达不到设计的输出功率，重则造成失真，引起振荡。本功放的电源电路不仅功率大，而且全都使用稳压电源，保证了整机的信噪比。电路图如下图所示。

　　后级放大器的±28V电源采用运放加分立调整元件的串联稳压电路。事实上，集成功率放大器本身的电源抑制比(PSRR)已经做得比较高，使用普通整流滤波电源一般也可以达到要求。但是这样做仍有潜在的缺陷值得改进。首先，普通整流滤波电源往往采用大容量电解电容滤波，空载输出电压高，负载调整率差。在功放音量开大时，电压不同程度地跌落，导致最大输出功率达不到设定值。虽然可以通过提高电压来解决，但容易超出芯片的极限参数而损坏芯片。其次，普通整流滤波电源不能保证正负电压在静态和动态时一贯的对称性也是引起失真的原因之一。正负电压不对称变化时，不对称部分相当于是一个共模电压加到了输入端。因此，本功放后级放大器的电源采用正负电源输出自动跟踪的稳压电源，始终保持正负电源的对称性。以+28V电源为例，T1、T2是大功率电压调整管：R19、R20是对应的均流电阻，防止两个并联的调整管管压降不同而形成环流。R21、IC4组成1．25V的参考电压源；R22、RP3、R23则组成分压电路将输出电压分压后输入误差放大器IC3。T3的基极电流由R18供给。误差放大器的输出通过T4对推动管T3的基级电流分流从而稳定输出电压。反馈环的工作原理是UT1e↑→UIC3+↑→UIC3输出↑→IT4c↑→IT3b↓→IT3c↓→IT1c↓→UT1e↓。R17、C17是滤波电路，防止输入电源的纹波进入T3基级；C18可以防止反馈系统产生高频振荡；C19可以使输出电压的瞬时变化直接加到IC3输入端，提高电路对输出电流快速变化的响应能力。正负电源的跟踪通过将两者的中点稳定在0V实现。R28、R29是分压网络。分压获得中点电压于地电位输入IC5进行误差放大，从而将负输出电压稳定在和正输出电压大小相等、极性相反的电压值上。该反馈环的工作原理是UT5e↑→UIC5+↑→UIC5输出↑→IT8c↓→IT3b↑→IT3c↑→IT1c↑→UT1e↓。这种负反馈环需要进行相位补偿以确保工作的稳定性。C18、C25就是补偿电容，它们降低误差放大器的高频增益，防止电源产生高频振荡。而C19、C28是用于提高电源瞬态响应的加速电容，输出电压的瞬变通过它们直接耦合到误差放大器，提高了电源对于输出电压瞬变的响应速度。
　　
　　±12V电源用于运放的电源供应。该部分电源采用稳压伺服电路。宽带运算放大器IC7、IC8将输出电压的交流分量进行放大。负反馈到三端稳压芯片的接地端，降低高频输出内阻。
　　
　　+5V电源用于开机延时启动电路，不需要很高的要求。因此我们仅使用一块7805进行稳压。
　　
　　+150V电源是电子管前级放大器的屏极供电电源，采用稳压电源可以有效降低功放的交流哼声。这类高电压的稳压电路一般使用分立元件组装。但体积大、精度低、可靠性差。而稳压集成电路的耐压一般在三十多伏，较高的TL783(德州仪器出品)输出电压最高也仅125V。有作者直接加大调整端的电阻提高可调三端稳压器的输出电压，使之超出极限值，事实上造成安全隐患。在可调三端稳压器LM317的典型应用电路(右图)

　　同时设计要求Ud=Ui－Uo＜37V。由于输出端加接滤波电容Co，在上电瞬间，Co两端电压为零，此时输入输出压差Ud=Ui，若电路工作于输入电压大干37V的场合，稳压芯片就有损坏的危险。而且，本电路为了保护电子管，还需要在刚开机几秒钟内禁止高压输出，这就更不能使用直接加大调整端的电阻的方法来迫使稳压芯片工作于危险区。为此，本电路使用一个高反压三极管T9为LM317分压。通过稳压二极管D23的箝位作用，可调稳压器IC11的输入输出压差被限制在12V－0．7V=11．3V以内，保障了安全。D24为泄放二极管。在掉电时为C56提供快速放电回路，防止IC11被击穿。开机延时信号经过R37输入T10基极，在刚开机后的几秒钟将IC111脚电位下拉至地电位。这时IC11输出1．2V稳压，起到高压延时的作用。注意此时的主要功耗将落在R34、T9上，需要一定的散热措施。电路中的扼流圈L可以进一步降低交流哼声。

　　+6.3V的灯丝电源特点是大电流低电压。6N3灯丝电流为0.3A，6N1灯丝电流为0.6A。本功放共使用两个6N3，一个6N1，总电流为1.2A，刚好在LM317的1.5A电流范围内。使用接地的稳压电源给灯丝供电可以有效地避免交流干扰信号从灯丝感应到阴极，能够降低交流哼声。

　　4、开机延时电路
　　
　　功放一般都设有延时几秒钟的开机延时电路。避免开机不稳定状态对喇叭造成冲击。电子管功放由于需要灯丝加热，需要更长的时间才能进入工作状态。本功放设置了两级延时电路，采用NE555芯片，电路图如下图所示。

　　其中电路延时时间按下式计算。
　　
　　Td=1.1RC
　　
　　该延时电路中，IC13组成的延时电路延时6秒，用于控制电子管前级的高压供电。IC14组成的延时电路延时9秒。其输出经过R42、T11、T12电平转换后接到LM4780的Mute端，并从该管脚吸取电流，控制LM4780在开机9秒后解除静音。关机时，由于+5V电源立即掉电，R42将T11基极电位上拉至残存的+28V，T11、T12截止，LM4780迅速回到静音状态。

　　5、音调电路
　　
　　音调电路是一个可选的模块，可以根据个人喜好来安装。下图所示的衰减式音调电路，插入电子管前级和集成电路后级之间。由于电子管前级输出是阴极跟随器，带负载能力强。所以尽管目前市面上用于电子管音调电路的500k以上的电位器已经很难找，但在这里使用50k的双联电位器电路依然可以很好工作。之所以不采用负反馈式音调电路，是由于它瞬态互调失真稍大，有时甚至会出现不稳定的情况。

　　二制作要点
　　
　　本功放的制作要点在于，妥善处理好接地和散热。不管是将所有电路做在一块电路板上，还是将各部分电路分成若干电路板后连接起来，都需要非常注意接地问题。否则，电路会产生干扰甚至是振荡。
　　
　　1一点接地
　　
　　所谓一点接地，就是所有需要接地的导线分开走线，然后呈星形汇集到总接地点。总接地点一般取自大容量电源滤波电容，确保其稳定。然而，这即使在所有电路都制作在同一电路板上的时候也较难实现，因为板上没有这么大的面积以供分开走线。所以，我们采用各部分局部一点接地的方法，再将各部分的地连至总接地点。为了保证各部分地点位的稳定，需要在各部分的局部接地点添加较大容量的电源滤波电容器，局部接地点便选为这些电容器的引脚。当然，电容器的引脚也是越短越好。下图示出了正确的接地方法和容易引起噪声和不稳定因素的接地方法。同时应当在电解电容两端并接一个瓷片或CBB电容，以改善电源的高频内阻和提高地点位高频稳定性。电子管前级使用搭棚焊接的方法比较容易实现局部一点接地，而且也便于改变电路进行实验。需要注意的一个例外是，前级的地线应当接到后级局部接地点上。实验证明，如果将前级地接到总接地点上，将会产生噪声。分析其原因，是由于后级局部接地点到总接地点之间的噪声电压被叠加到了前级输出电压中。从而被后级放大。

　　2、散热问题
　　
　　本功放中最大的热源是功放集成电路IC1、IC2。B类放大器的最大耗散功率理论上按下式计算。

　　
　　其中VCC为正供电电压(总供电正负对称)，RL为负载电阻。在上面的电路中，Vcc=28V，等效负载RL=4Ω，计算可得PD=42W。由于一块LM4780中有两个放大器，所以芯片的理论功耗为84W,，事实上，这只是理论值，实际上的耗散功率比这个值大。以120W来计算散热片是比较合适的。笔者使用了两块25×10×5cm3梳齿型铝散热片，每个芯片用一块，实际可以满足使用需求。除了功放芯片外，稳压电路中的调整管T1、T2、T3、T4，以及灯丝供电电路的稳压块IC12都是较大的热源，需要固定在上述的散热片上散热。事实上。笔者设计时把所有的稳压芯片和调整管都布局在印制板的边缘，可以很方便地把这些元件都安装在散热片上。电路中另一部分不容忽视的热源是三个电子管。由于无法安装散热片。它们工作时的温度很高。如果把电子管和其它元件布局在同一块电路板上。特别注意让电子管远离怕热的元件，如电解电容器等。功放的机壳上方应当有散热孔。以便空气对流散热。
　　
　　3、元件选择
　　
　　必须注意一些关键元件的质量。电源变压器B应当选用300W以上功率容量的。笔者自己使用El型变压器铁芯自行绕制，在窗口面积允许的情况下，尽量选用了线径较粗的漆包线。双30V和双15V的次级绕组都使用双线并绕保证对称性。±28V电源的整流二极管D3～10采用了并联的8A快恢复二极管BY229。电源滤波电容C15、C20、C22、C26为10000μF红宝石电解电容。调整管T1、T2、T5、T6使用一个旧70W功放中拆下的输出管2SC5198和2SA1941，耗散功率100W，输出电流为10A，并联使用可以达到20A的容量。驱动管T3、T7使用100V/4A/40W的达林顿管BD681和BD682。高压电源电路中的三极管T9、T10选用耐压400V的BU406，整流二极管选用1N4004或1N40070。灯丝电路整流二极管选用电流容量大一些的，如1N5401。扼流圈L选用有磁隙的线圈，笔者直接使用了6P1输出变压器的初级线圈。延时启动电路中的三极管T11、T12的耐压应当在60V以上。电压调整电位器RP3选用多圈微调电位器。为了保证稳压电路的温度稳定性和精度，后级电路中的反馈和增益电阻R9、R10、R13、R14、R16，参考电压源电路中的电阻R22、R23，跟踪电路中的分压电阻R28、R29，以及LM317的分压电阻R35、R36、R38、R39都应当使用高精度金属膜电阻。特别注意R36功耗较大，其功率应在2W以上。均流电阻R19、R20、R26、R27使用5W水泥电阻。阴极电阻R5也要选用2W以上功率的。另外。电子管前级和高压电源电路中的电容都要注意耐压。参考电压源IC3选用国家半导体出品的LM385。这是一款电压从1.24V至5.30V可调的电压源，动态电阻仅1Ω，最大温度漂移为150ppm/oC。按图中的接法，稳定电压在1.24V。该芯片的封装为T0-92，它和LM4780的管脚分布见下图。

　　除了制作后级放大器和音调电路之外，也制作于一块25×14cm2的印刷电路板上，两条长边紧贴于散热铝型材固定。前级使用搭棚焊接(对应部分印制板铜箔保留并接地作为隔离，板上固定陶瓷接线柱以方便搭棚)。后级用小面积印制板独立制作。并安放在大印制板上方的散热器上。所有电路安装在铁制功放机箱中。
　　
　　该功放驳接二分频音箱试音，效果非常令人满意。低音、高音，尤其是电子管电路擅长的歌声，均表现得非常出色。