CN203537331U - 电子管无负反馈无输出变压器跨导功率放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电子管无负反馈无输出变压器跨导功率放大器，其包含的电子管7、8应采用高跨导、大电流、高线性功率五极管，并要求有独立的抑制栅极，工作在低电压大电流状态下，该放大器采用双独立直流电源19、20供电，并采用输入变压器2来做信号电压输入、放大和倒相，以推动电子管7、8。电子管7、8的阳极分别连接到扬声器负载21的正负极上,并通过扬声器负载21交叉连接到直流电源20、19的正极上，整个电路属于变形的Circlotron共阴极推挽放大电路，没有负反馈，没有输出变压器，是一种非常接近理想的跨导功率放大器，填补了电流驱动理论上的空白。并通过理论和实验证明电流驱动扬声器在小型障板上的应用非常合理，充分利用了声阻尼，解决了低频在谐振频率Fs附近共振问题，得到了比较高质量的重放声音。

Description

电子管无负反馈无输出变压器跨导功率放大器

技术领域

本实用新型涉及高保真音响技术领域，特别是用于驱动电动扬声器的电子管无负反馈无输出变压器跨导功率放大器。 

背景技术

目前传统音响系统的晶体管功率放大器都是低输出阻抗的，且加有电压负反馈，属于恒电压输出，它的输出电压是正比于输入电压的，对于扬声器来讲称电压驱动。而传统电子管功率放大器都是有输出变压器的，其输出阻抗一般为几欧姆到几十欧姆，是功率驱动，介于电压驱动和电流驱动之间。如果音响系统重放的声音质量是重要的，电压驱动有其致命的缺陷。无论是理论技术还是聆听经验清楚地表明，电压驱动是基本物理定律的应用错误。众所周知扬声器的声音大小是正比于音圈在磁场中受到的力F的，跟据公式F =BLI，式中BL称为力因子，B 为扬声器磁隙磁通密度，L为音圈导线在磁场中有效长度，I为通过音圈的电流。从上式可以看出扬声器音圈两端的电压没有出现在这个方程式中。也就是说，扬声器音圈上受到的力只跟通过音圈的电流I成比，而不是电压。根据欧姆定律I= U/R，对于电压驱动，由于电压U恒定，而音圈阻抗R是随频率和位移以及温度等因数变化而变化的，所以通过音圈的电流I是变化的，严重损害了电压到电流的转换，所以产生非线性失真、互调失真和频率失真等。特别是在高频随着频率上升，音圈阻抗逐渐增加，而通过音圈的电流逐渐减小，所以频率越高音压损失就越大。另外由于传统电压驱动功率放大器内阻很小，一般在零点几欧姆以下，当音圈作切割磁力线运动时，根据楞次定律，音圈运动产生反电动势(BACK_EMF)，其大小Em=BLV，式中BL称为力因子， B 为扬声器磁隙磁通密度，L为音圈导线在磁场中有效长度，V为音圈运动速度，通过功率放大器内部产生反向电流Im，并产生反作用力Fm=(BL)^２V/R，阻碍音圈运动，使音圈回归零的位置。由于这个反作用力Fm的大小是和音圈运动速度V成正比的，并在振动最强的谐振频率Fs处达到最大。所以工程师利用这一点来抑制谐振频率Fs处的共振。而音圈在磁场中由音频信号电流产生的力为F=BLI，是和通过音圈的电流正比的。这两个方向相反的外力同时作用于音圈上，产生掩盖作用，所以产生非线性失真和瞬态失真，使瞬态响应迟钝、速度变慢、缺少余音、不能激发出丰富的泛音。反电动势还会从扬声器反过来扰乱功率放大器内部，而且当一个音箱装有两个以上的扬声器还会产生麦克风效应，因此产生噪声、紊乱声。为了解决这些问题，必须使用不同的技术，这就是电流驱动。电流驱动要求功率放大器有很高的输出阻抗，应大于1千欧姆，它的输出电流是正比于输入电压的，对于扬声器来讲称电流驱动，这种放大器称跨导功率放大器(Transconductance Power Amplifier)。电流驱动有很多优点，由于电流驱动直接控制音圈中的电流，引起音圈阻抗变化的因素包括频率、音圈位移、温度等都不起作用了，因此大大降低了非线性失真、互调失真及频率失真。由于跨导功率放大器内阻很高，充分抑制了反向电流流通，不会产生强大的反作用力，所以扬声器音圈基本上只受一种正比于音乐信号的外力的作用，因此大大降低了非线性失真和瞬态失真，而扬声器和功率放大器之间也不会产生相互干扰，也不会产生麦克风效应，因此降低了噪声、紊乱声。由于跨导功率放大器阻尼糸数接近零，当电流驱动扬声器时将失去电阻尼，系统总Q值Qs将大大超过临界 Q值0.707，这时属于欠阻尼状态，低频在谐振频率Fs附近很容易共振，所以要有好的方法解决低频在谐振频率Fs附近共振问题。 早在1988到1989年英国天朗有限公司工程师P. G. L. MILLS和英国埃塞克斯大学教授M.O.J.HAWKSFORD就联合发表了二编关于电流驱动的论文：《Distortion Reduction in Moving-CoilLoudspeaker Systems Using Current Drive Technology》和《Transconductance Power Amplifier Systems for Current Driven Loudspeakers》，论文阐述了电压驱动的缺点和电流驱动的优点及实验数据、电路结构和解决方案等。由于当时跨导功率放大器都是晶体管电流负反馈类型的，输出阻抗非常有限，而在抑制谐振频率Fs处共振方法采用了很难实现的速度负反馈技术，在这里就不详述了。因为设计输出阻抗较大、电流较大的跨导功率放大器很困难，也一直没有找到解决低频共振好的方法，加上人们对电流驱动的认识也不足，所以这就是导致电流驱动没有成为主流的主要原因。 

发明内容

为了实现电流驱动，解决问题的主要方法是设计制作跨导功率放大器。本实用新型的目的就是提供一种电子管无负反馈无输出变压器跨导功率放大器，该跨导功率放大器电路原理图如附图1所示。为了达到该跨导功率放大器要求，电子管7、8应采用高跨导、大电流、高线性功率五极管，并要求有独立的抑制栅极，工作在低电压大电流状态下。该放大器采用双独立直流电源19、20供电,并采用输入变压器2来做信号电压输入、放大和倒相，它的次级有两个独立相同的绕组，以推动电子管7、8。电子管7、8处于五极管接法工作状态，电子管7、8的阳极分别连接到扬声器负载21的正负极上,并通过扬声器负载21交叉连接到直流电源20、19的正极上，栅极分别通过栅极防振电阻5、 6和输入变压器2次级二个独立绕组的异名端连接，抑制栅极分别和分压电阻15、17和16、18的分压点连接，帘栅极分别通过帘栅极防振电阻13、14和直流电源19、20的正极连接，阴极分别通过阴极电阻9、10和输入变压器2次级二个独立绕组的另外两个异名端连接，并且和直流电源19、20的负极连接。为了在低电压大电流状态下工作，首先要重整一下电子管阳极I/U特性曲线，通常五极管的抑制栅极是和阴极相连接的(和阴极同电位)，这时五极管的阳极I/U特性曲线如附图2中粗虚实线所示，可以看出，饱和区较大，在低压大电流区曲线斜率较大，内阻较小。为了减小饱和区，增加内阻，抑制栅极相对阴极要加正电位，将电子管7、8的抑制栅极分别和分压电阻15、17和16、18的分压点连接，调整分压电阻 15、17和16、18的大小使电子管7、 8抑制栅相对阴极的电压不要超过该电子管手册中规定的极限值，这时电子管阳极I/U特性曲线，如附图2中粗实线所示，这时曲线上升很快，饱和区减小，曲线在低压大电流区较平坦，内阻增大。下面电子管阳极I/U曲线以重整后粗实线为准。对于交流信号，扬声器负载是直接跨接在电子管阳极和阴极之间的，我们作单管在静态工作点Q(Ucq，Icq)处扬声器负载为8欧姆的交流负载线，如附图2中细实线所示。 再由8欧姆负载线和栅级电压Ug1=0v特性曲线交点作水平线，和I轴交点记为I0，如果扬声器负载阻抗由各种因素如频率和音圈位移以及温度等因数变化增大或减小，我们来看看扬声器负载阻抗变化的情况，在静态工作点Q(Ucq，Icq)处再作二个负载大于8欧姆和小于8欧姆的负载线，如附图2中细点画线所示。可以看出由于电子管特性曲线比较平坦，三条负载线和栅级电压Ug1=0v 时特性曲线交点处虽然电压不等，而电流几乎相等，即几乎等于I0，这就是说由于增大了电子管的阳极内阻，起到恒电流输出的目的。我再来看整个电路工作原理，从电路架构不难看出这是一种变形的Circlotron共阴极推挽电路，首先音频信号从RCA输入端1输入，经输入变压器2的初极到信号地0，信号由输入变压器2耦合到次级放大、倒相，以推动电子管7、8。 输入变压器2起了很重要的作用，首先隔离了前级或CD唱机（附图中未绘出）的输出阻抗对该功率放大器输出阻抗的影响，另外在电子管7、8阴级负电位且要求独立的情况下，同时完成了输入信号放大、倒相、栅负压和栅极信号的供给工作。调整阴极电阻9、10大小，使电子管7、8的静态工作点处于甲乙1类推挽状态，由于两电子管7、 8的栅极信号电压取自输入变压器的次级异名端，是反相的，当信号上半周时: 电子管7导通，8截止，电流I1（附图1中虚细实箭头线所示）从电源19正极到扬声器负载21负极，通过扬声器负载21到电子管7阳极，通过电子管7到阴极，再通过阴级傍路电容11回到电源19的负极，完成一个循环。当信号下半周时: 电子管8导通，7截止，电流I2（附图1中细实箭头线所示）从电源20正极到扬声器负载21正极，通过扬声器负载21到电子管8阳极，通过电子管8到阴极，再通过阴级傍路电容I2回到电源20的负极，完成另一个循环，电流I1和I2在扬声器负载21上重叠，形成一个完整的信号波形。 所以说电子管 7、8以推挽方式驱动扬声器负载，而扬声器负极接信号地0，和输入信号共地，使整个电路信号电压有共同的参考点。由上半周和下半周信号电压、电流分析，对于交流信号，扬声器负载是直接跨接在高内阻电子管阳极和阴极之间的，属于共阴极推挽放大电路，没有负反馈，没有输出变压器，并且有输入变压器2和前级隔离，所以功率放大器具有高的输出阻抗，其大小等于电子管7、8重整后工作区的内阻(通常在几千欧姆以上)。电阻3、4为输入变压器次级负载电阻，电阻5、6为栅极防振电阻，电容11、12为阴极傍路电容，电阻13、14为帘栅极防振电阻，在这里就不作详细分析了。如果想增加该跨导功率放大器的输出电流，可以采用并联电子管的方法得到，但输出阻抗也该会随之降低。该跨导功率放大器非常简洁，放大器架构可以看成由一个有增益的无源前级加一级推挽功率放大组成，音频信号通过的元器件数极少，大大减少了由元器件带来的各种失真和噪声，输出阻抗较大，没有负反馈，没有输出变压器，是一种非常接近理想的跨导功率放大器，填补了电流驱动理论上的空白。并通过理论和实验证明电流驱动扬声器在小型障板上的应用非常合理，摒弃了电阻尼这个对声音重放有害的不自然的阻尼方式，充分利用了声阻尼，解决了低频在谐振频率Fs附近共振问题，大大减小了所需要的障板面积，得到了比较高质量的重放声音。 

附图说明

图1是本实用新型的电路原理图； 

图2是本实用新型的电子管阳极I/U特性曲线图和静态工作点Q(Ucq,Icq)处交流负载线示意图；

图3是本实用新型的具体实例电路图；

图1中0.为信号地，1.为RCA输入端，2.为输入变压器，3、4.为输入变压器次级负载电阻，5、6.为栅极防振电阻, 7、8.为电子管，9、10.为阴极电阻，11、12.为阴极傍路电容, 13、14.为帘栅极防振电阻，15、16、17、18.为分压电阻，19、20.为直流电源，21.为扬声器负载。

具体实施方式

    下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细说明，具体实施分二部分。 

1，设计制作电子管无负反馈无输出变压器跨导功率放大器 

本实用新型的具体实例电路图如附图3所示，电子管7、8采用高跨导、大电流、高线性功率五极管PL519，它有独立的抑制栅极，并要求静态配对，配对误差应小于2%。输入变压器2的铁芯材料应采用镍合金，为了低频不致于过度衰减，初级电感应不小于10享利，这里取10享利。次级要求有两个相同的独立绕组，升压比应跟据电子管7、8栅级所需输入信号电压大小来决定，这里取1:10+10。初次级应采用分层、分段绕制，保证有良好瞬态特性和频响特性。双组独立直流电源19、20采用工频环形变压器绕制，直流电压取值均为110伏, 电子管灯丝电压为交流40伏，为了简单明了，电源整流滤波电路以及电子管灯丝供电电路均省略。电子管7、8的抑制栅极相对阴极电压取值不要大于30伏，这里取29伏。扬声器负载21阻抗通常为4—16欧姆，其它电阻电容取值如附图3括号中数值所示。

2，电流驱动扬声器在小型障板上的应用 

首先我们来分析一下电流驱动扬声器在有箱体的情况，我们知道扬声器的总Q值Qts =（Qms*Qes）/（Qms+Qes），其中Qes为扬声器的电Q 值，Qms为扬声器的机械Q值，它们都是反映扬声器在谐振频率Fs附近振动系统阻尼状态的量，Q值越小，阻尼越大。一般电Q值Qes较小，起主导作用。而扬声器装箱后的Q值，也就是系统的总Q值Qs，这个Qs决定了低频响应的延伸，Qs要求在0.707到1范围内较好，频响曲线在谐振频率Fs附近较平直。扬声器装箱后由于增加了它的振动惯性，所以装箱后系统的总Q值Qs都是大于扬声器的总Q值Qts的。 而跨导功率放大器阻尼糸数接近零，当电流驱动扬声器时将失去电阻尼，从另外角度看即表示扬声器的电Q值Qes很大，大到可以忽略，这时机械Q值Qms起主导作用，扬声器总Q值Qts几乎等于扬声器的机械Q值Qms。而一般扬声器都是为电压驱动设计的，机械Q值Qms较大，在2—6之间。所以系统总Q值Qs将大大超过临界Q值0.707，这时属于欠阻尼状态，低频在谐振频率Fs附近很容易共振，频响曲线在谐振频率Fs附近产生一个较大的波峰。所以有箱体的系统不适合电流驱动，除非研发新的机械Q值Qms低于 1的扬声器，才可以安装在封闭箱上。为了解决这个问题，我们采用小型障板扬声器系统，得到了非常满意的解决方案。障板就是一个两面开放式的刚性平板，扬声器安装在平板近中心的位置，障板的优势在于没有箱体的共振和驻波等带来的声染等现象，所以扬声器主要性能测试都是在障板上测试的。 当障板面积很小时，扬声器纸盆两面的声波会产生声短路即声干涉现象，实质上是产生了声阻尼现象，由于低频声波的波长很长，其绕射能力很强，所以低频将大幅度衰减，对于电压驱动，要求障板有足够大的面积，还要求扬声器有较大的Q值Qts，通常要求Qts大于0.707，这样低频才不致于有衰减，国际电工标准规定面积为1.35x1.65米的矩形障板为8寸扬声器的标准障板，这样大的障板面积一般中小型听音室很难接受，所以这是障板最大的缺点。对于口径大于8寸的扬声器，由于谐振频率Fs更低，标准障板的面积也就更大，所以就更难接受了。为了简单明了，我们定性分析电流驱动扬声器在障板上的情况。当障板面积很小时，扬声器纸盆向前后移动时，使空气也跟着移动，当纸盆向前移动时，纸盆前方空气被压缩，同时在纸盆后方的空气变的较稀疏，当然被压缩的空气，必须求得平衡，而纸盆后方空气恰好比较稀疏，因此空气顺着纸盆边缘由前方流向后方，使得纸盆前后方达到压力平衡。特别在低频区，绕射能力很强，空气向四周很平均向后或向前流动，对扬声器产生声干涉，即声阻尼，大小可以用障板Q值Qz来表示，障板面积越小，Qz值越小，声阻尼越大，我们定义总Q值为Qts的扬声器上障板后的系统总Q值Qs=Qts*Qz。由于标准障板基本上隔离了扬声器纸盆两面产生的声波，低频区声阻尼很小，小到可以忽略，我们定义标准障板的Q值Qz=1。对于电流驱动在标准障板上，由于失去了电阻尼，Qts几乎等于Qms，这时Qs=Qms*Qz=Qms，通常 Qms较大，在2—6之间，这时扬声器系统的总Q值Qs显然大于临界Q值0.707，属于欠阻尼状态，低频在谐振频率Fs附近会共振，频响曲线在谐振频率Fs附近产生一个较大的波峰。为此我们减小障板面积，这时声阻尼逐渐增大，障板Q 值Qz逐渐减小，当Qz小到使扬声器系统总Q值Qs=Qms*Qz=0.707时，这时频响曲线在谐振频率Fs附近较平直，低频在谐振频率Fs附近不会共振。实际上扬声器系统的总Q值Qs应略大于临界Q值0.707，接近1更为合理。所以跟椐 Qs=Qms*Qz=1计算出Qz值大小，Qms值越大，Qz值就越小，要求的障板面积就越小。由于扬声器的Qms值一般较大，所以电流驱动扬声器需要的障板面积比标准障板面积小很多。综上所述，电流驱动扬声器在小型障板上的应用，不但解决了低频在谐振频率Fs附近共振的问题，还大大减小了所需要的障板面积。

Claims (2)

1.电子管无负反馈无输出变压器跨导功率放大器，包括信号地（0）、RCA输入端（1）、输入变压器（2）、输入变压器次级负载电阻（3）和（4）、栅极防振电阻（5）和（6）、电子管（7）和（8）、阴极电阻（9）和（10）、阴极傍路电容（11）和（12）、帘栅极防振电阻（13）和（14）、分压电阻（15）和（17）及（16）和（18）、直流电源（19）和（20）、扬声器负载（21），RCA输入端（1）的内端和输入变压器（2）初级一端连接，外端和输入变压器（2）初级另一端连接并和信号地（0）连接, 输入变压器次级负载电阻（3）和（4）分别和输入变压器（2）次级二个独立绕组的二端连接，分压电阻（15）和（17）串联跨接在直流电源（19）正负极上, 分压电阻（16）和（18）串联跨接在直流电源（20）正负极上，阴极傍路电容（11）和（12）分别跨接在阴极电阻（9）和（10）上，其特征在于：电子管（7）和（8）的阳极分别连接到扬声器负载（21）的正负极上，并通过扬声器负载（21）交叉连接到直流电源（20）和（19）的正极上，电子管（7）和（8）的栅极分别通过栅极防振电阻（5）和（6）和输入变压器（2）次级二个独立绕组的异名端连接，电子管（7）和（8）的阴极分别通过阴极电阻（9）和（10）和输入变压器（2）次级二个独立绕组的另外两个异名端连接，并且分别和直流电源（19）和（20）的负极连接，电子管（7）和（8）的帘栅极分别通过帘栅极防振电阻（13）和（14）和直流电源（19）和（20）的正极连接，电子管（7）和（8）的抑制栅极分别和分压电阻（15）和（17）及（16）和（18）的分压点连接，扬声器负载（21）的负极和信号地（0）连接。

2.根据权利要求1所述的电子管无负反馈无输出变压器跨导功率放大器，其特征在于：电子管（7）和（8）为高跨导、大电流、高线性功率五极管，要求有独立的抑制栅极，并要求静态配对，配对误差应小于2%。 

Images