TWI703815B

TWI703815B - 真空管音頻放大器

Info

Publication number: TWI703815B
Application number: TW106129732A
Authority: TW
Inventors: 陳錫賢
Original assignee: 名世電子企業股份有限公司
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2020-09-01
Also published as: TW201914212A

Abstract

本發明提出一種真空管音頻放大器，包含一音頻前置放大部及一音頻輸出變壓部，音頻前置放大部包含一音質等化器並將音頻訊號放大並傳輸至音頻輸出變壓部。此外，音頻輸出變壓部包含一音頻輸出變壓器，音頻輸出變壓器進一步包含相互堆疊的複數個E型矽鋼片以及相互堆疊的複數個I型矽鋼片，其中該等E型矽鋼片及該等I型矽鋼片具有相等的一高度，該高度小於或等於48釐米。

Description

真空管音頻放大器

本發明係關於一種音頻放大器，特別是一種輕量化的真空管音頻放大器。

真空管具備極佳的線性輸出特性，因此使用真空管處理音頻訊號的傳統真空管音頻放大器能提供優美音色。請參閱第一圖例示之傳統真空管音頻放大器之電路架構，當音頻訊號由音訊輸入1進入傳統真空管音頻放大器電路後，由真空管放大器電路2進行訊號放大。然而，由於真空管操作電壓較高，因此須透過音頻輸出變壓器3後，方能輸出至揚聲器4。

特別地，音頻輸出變壓器之鐵芯的尺寸會影響音頻放大器的音頻表現，請參閱第二圖例示之傳統真空管音頻放大器中音頻輸出變壓器的鐵芯B，其中鐵芯B由E型及I型矽鋼片組成，而E型及I型矽鋼片具有一高度a。倘若音頻輸出變壓器的鐵芯尺寸過小，即高度a過小，則可能會導致高頻及低頻之音頻訊號失真。因此傳統真空管音頻放大器包含的音頻輸出變壓器的鐵芯B皆採用高度a大於或等於66釐米的矽鋼片組成，故傳統真空管音頻放大器機身龐大笨重、價格昂貴，難以吸引一般消費者。

隨著電子技術發展，音頻放大器除了傳統真空管音頻放大器之外，亦發展出了晶體管、積體電路、以及真空管與積體電路組成的混合型等種類的音頻放大器。然，目前的音頻放大器仍舊無法保留傳統真空管音頻放大器具有的音色優美、偶次諧波失真小的優點，並同時解決傳統真空管音頻放大器之機身龐大笨重、成本昂貴等問題。

因此，就目前音頻放大器市場，高階市場多為傳統真空管音頻放大器，一般消費市場則為音色較差但體積小、輕量且便宜的積體電路音頻放大器為主。

為了縮小龐大體積、減輕重量及降低成本，本發明的目的是提出一種體積小、輕量、較低成本並且同時保留傳統真空管音頻放大器之優美音色的真空管音頻放大器。

為達上述目的，本發明提出一種真空管音頻放大器，其包含音頻前置放大部及音頻輸出變壓部，音頻前置放大部是用以將音頻訊號放大並傳輸至音頻輸出變壓部，其中音頻輸出變壓部包含音頻輸出變壓器，音頻輸出變壓器進一步包含相互堆疊的複數個E型矽鋼片以及相互堆疊的複數個I型矽鋼片，其中該等E型矽鋼片及該等I型矽鋼片具有相等的一高度，該高度小於或等於48釐米。

本發明前述各方面依據下述的非限制性具體實施例詳細說明以及參照附隨的圖式將更趨於明瞭。

1‧‧‧音訊輸入

2‧‧‧真空管放大器電路

20‧‧‧音頻前置放大部

21‧‧‧第一級前置真空管放大電路

22‧‧‧CR型等化器電路

23‧‧‧第二級前置真空管放大電路

3‧‧‧大尺寸音頻輸出變壓器

30‧‧‧音頻輸出變壓部

31‧‧‧真空管功率放大電路

32‧‧‧音頻輸出變壓器

4‧‧‧揚聲器

50‧‧‧負迴授迴路

60‧‧‧待機檢測電路

70‧‧‧電壓源產生器

8‧‧‧市電輸入

B、B1‧‧‧鐵芯

a、b、c、d‧‧‧高度

b、e、f‧‧‧寬度

W1‧‧‧第一可變電阻

W2‧‧‧第二可變電阻

G1-A、G1-B‧‧‧三極管真空管

G2‧‧‧五極管真空管

EC6、EC8‧‧‧電解電容

J3‧‧‧輸入端

J1‧‧‧輸出端

R2~R23‧‧‧電阻

R11‧‧‧第一電阻

R12‧‧‧第二電阻

R23‧‧‧零歐姆電阻

C1~C5‧‧‧電容

C1‧‧‧第一電容

C3‧‧‧第二電容

C4‧‧‧第三電容

第一圖係傳統真空管音頻放大器的電路架構圖。

第二圖係傳統真空管音頻放大器的音頻輸出變壓器內含的鐵芯尺寸。

第三圖係本發明提出一種音頻輸出放大器的電路架構圖。

第四圖係本發明提出一種音頻輸出放大器的細部電路架構圖。

第五圖係本發明提出一種音頻前置放大部的電路圖。

第六圖係本發明提出一種CR型等化器電路的頻率響應特性曲線圖。

第七圖係本發明提出一種音頻輸出變壓部的電路圖。

第八圖係本發明提出一種音頻輸出變壓器內含的E型及I型矽鋼片的平面圖。

第九圖係本發明提出一種包含待機檢測電路及電壓源產生器的真空管音頻放大電路。

本發明提出的真空管音頻放大器是藉由小尺寸的音頻輸出變壓器，以達成縮小體積、減輕重量及降低成本的目的，雖然小尺寸的音頻輸出變壓器造成高頻及低頻的聲音衰減，本發明進一步使用音質等化器(如：CR型等化器)修正高低頻的訊號，以達成保持真空管音頻放大器之音色優美。

請參閱第三圖，第三圖例示本發明提出的一種真空管音頻放大器的電路架構圖。本發明真空管音頻放大器適用於根據一音頻輸入訊號提供一音頻輸出訊號，當音頻輸入訊號由音訊輸入1進入真空管音頻放大器後，會由音頻前置放大部20處理音頻訊號，將其放大、濾波及二次放大，再透過音頻輸出變壓部30將其信號的功率放大，並由音頻輸出變壓部30包含的小尺寸音頻輸出變壓器變壓後，提供音頻輸出訊號給揚聲器4轉換成聲音。此外，音頻輸出變壓部30會將訊號透過負迴授迴路50迴授至音頻前置放大部20，以進一步修正放大增益。

請參閱第四圖，第四圖例示本發明提出的一種音頻輸出放大器的細部電路架構圖，其中音頻前置放大部20進一步包含第一級前置真空管放大電路21、CR型等化器電路22及第二級前置真空管放大電路23；音頻輸出變壓部30進一步包含真空管功率放大電路31及音頻輸出變壓器32。

當音頻訊號從音訊輸入1進入音頻前置放大部20後，首先會由第一級前置真空管放大電路21進行放大，被放大後的訊號會透過CR型等化器電路22調整頻率響應，以加強高低頻的增益表現。最後，將修正後訊號交由第二級前置真空管放大電路23進行第二次放大。

當二次放大後訊號進入音頻輸出變壓部30後，首先交由真空管功率放大電路31進行功率放大，再由音頻輸出變壓器32進行變壓，以提供給揚聲器4轉換成聲音訊號輸出。

再者，因為CR型等化器電路造成增益衰減，透過負迴授迴路50與第二級前置真空管放大電路23配合，以控制音頻輸出放大器的總增益，可搭配後續耦接的不同模組使用。

請參閱第五圖，本發明提出音頻前置放大部20包含第一級前置真空管放大電路21、CR型等化器電路22及第二級前置真空管放大電路23的電路圖，此領域通常知識者可理解以下電路說明僅為舉例說明，若以能達到相同目的的電路替換，皆不脫離本發明之範疇。

本發明進一步提出音頻前置放大部20可使用雙三極管真空管12AX7分別組成第一級前置真空管放大電路21及第二級前置真空管放大電路23。請參閱第五圖，第一級前置真空管放大電路21包含一三極管真空管G1-B；跨接至輸入端及接地端的電阻R8；由輸入端跨接至柵極的電阻R7；由陰極跨接至接地端的電阻R9及電解電容EC6；以及由電壓源跨接至屏極以及輸出端的電阻R6。因此，當音頻訊號由輸入端J3進入三極管真空管G1-B柵極後，由三極管真空管G1-B輸出放大，該放大後信號再進入CR型等化器電路22。

請繼續參閱第五圖，CR型等化器電路22為實現音質等化器的功能，CR型等化器電路22包含第一電容C1、第二電容C3、第三電容C4、第一電阻R11、第二電阻R12、第一可變電阻W1、第二可變電阻W2、輸入、以及輸出。其中輸入連接至該第一級前置真空管放大電路21；輸出連接至該第二級前置真空管放大電路23；該輸入連接第一電阻R11的第一端與第一電容C1的第一端；第一電阻R11的第二端連接第二電容C3的第一端與第三電容C4的第一端；第一電容C1的第二端與第二電容C3的第二端之間連接一具有一中間抽頭的第一可變電阻W1，該中間抽頭為該輸出；第二電容C3的第二端與第三電容C4的第二端之間連接第二可變電阻W2及第二可變電阻W2的中間抽頭；且第三電容C4的第二端連接第二電阻R12的第一端，第二電阻R11的第二端連接該音頻輸出變壓部30之信號接地端。當信號經過CR型等化器電路22修正頻率響應後，修正後信號會再進入第二級前置放大器23進行放大。

如前述內容，真空管音頻放大器可採用一種調整方法，其可包含透過CR型等化器電路22修正輸入訊號的高頻響應及低頻響應。此外，第一電容C1、第一電阻R11及第一可變電阻W1之配置可調整高頻頻域的頻率響應，因此可透過調整該第一可變電阻W1以修正該放大後信號的高頻響應；第二電容C3、第三電容C4及第二電阻R12之配置可改變中頻頻域的頻率響應；而第三電容C4及第二可變電阻W2則之配置可調整低頻頻域的頻率響應，因此可透過調整該第二可變電阻W2以修正該放大後信號的低頻響應。

此外，為清楚解釋本發明之CR型等化器電路可達到之功效及目地，本發明進一步提出當第一電阻R11=33KΩ、第二電阻R12=18KΩ、第一電容C1=250PF、第二電容C3=104PF、以及第三電容C4=223PF時，並將250KΩ第一可變電阻W1及第二可變電阻W2分別配置如下表一，但不以此為限：

在上述的CR型等化器22的電阻、電容的配置下，並且第一可變電阻W1及第二可變電阻W2依據上表一調整後，可獲得如第六圖之頻率響應特性曲線圖。於人耳可聽見的20~20K赫茲(Hz)的頻域下，當第一可變電阻W1從0%調整至100%位置時，約在2KHz~20KHz之高頻域的增益可由C曲線升高至B曲線；當第二可變電阻W2從0%調整至100%位置時，約在20Hz~500Hz之低頻域的增益可由B曲線升高至C曲線；或者，可依設計者調整至預定的頻率響應特性，如A曲線。

此領域通常知識者可理解，音質等化器可為但不限於CR型等化器電路22，CR型等化器電路可為但不限於上述CR型等化器電路22之電路架構，只要能針對高頻域及低頻域進行增益修正，皆不脫離本發明之範疇及精神。

甚者，本發明可搭配本發明之小尺寸音頻輸出變壓器之設計，進一步設定不同聲音模式，以使真空管音頻放大器輸出不同特性的聲音訊號，使揚聲器4輸出不同聲音表現。

請繼續參第五圖，第二級前置放大器23包含一個三極管真空管G1-A、跨接至該修正後信號(即CR型等化器電路22之輸出)及接地端的電阻R2、由三極管真空管G1-A的陰極跨接至接地端的電阻R19、由電壓源跨接至三極管真空管G1-A屏極的電阻R16、由三極管真空管G1-A屏極跨接至第二級前置真空管放大電路23輸出端A的電容C5、以及由輸出端A跨接至接地端的電阻R17。因此，當該修正後信號由三極管真空管G1-A放大再由輸出端A輸出至音頻輸出變壓部30，可修正頻率響應特性及放大信號。

請參閱第七圖，本發明提出音頻輸出變壓部30包含真空管功率放大器電路31及音頻輸出變壓器32的電路圖，此領域通常知識者可理解以下電路說明僅為舉例說明，若能達到相同目的的電路，皆不脫離本發明之範疇。

當信號由音頻前置放大部20的輸出端A進入音頻輸出變壓部30，由五極管真空管EL84所組成的真空管功率放大電路31進行功率放大。請參閱第七圖，真空管功率放大電路31包含五極管真空管G2、由輸出端A跨接至五極管真空管G2的柵極的電阻R18、由五極管真空管G2的陰極及抑制柵極跨接至接地端的電解電容EC8及電阻R20、以及由五極管真空管G2的簾柵極偏壓電阻R21。透過五極管真空管EL84放大功率，以在音頻輸出變壓器32內進行變壓，以利於信號由輸出端J1進入揚聲器4。

另，本發明提出的真空管音頻放大器之接地端可透過一零歐姆電阻R23耦接至該真空管音頻放大器隔離接地端。

此外，音頻輸出變壓器32包含一負迴授迴路NF，可將音頻輸出變壓部30之音頻變壓器32的輸出端耦接至音頻前置放大部20之第二級前置放大器23的電阻R14(如第五圖)之一端，電阻R14之另一端耦接至三極管真空管C1-A之陰極，用以控制真空管音頻放大器的總放大增益及改善音頻輸出變壓器32之頻率響應。

再者，設計者可依需求調整音頻輸出變壓器32之鐵芯B1的線圈匝數、矽鋼片材質及尺寸等參數，以改變音頻輸出變壓器32的體積、重量及材質，可達到縮小體積、減輕重量及降低成本的目的。在本發明之一實施例中，本發明鐵芯B1之材質可為無取向矽鋼材質H50。在本發明另一實施例中，鐵芯B1之等效主阻抗為5K歐姆或4.5K~5.2K歐姆。

本發明進一步提出音頻輸出變壓器32之鐵芯B1的設計，請參閱第八圖。鐵芯B1可由複數個E型矽鋼片及複數個I型矽鋼片堆疊而成，其中I型矽鋼片和E型矽鋼片皆具有高度a；I型矽鋼片具有寬度b；E型矽鋼片具有寬度f；以及E型矽鋼片可進一步具有寬度e及高度b、c、d。此外，該等高度a、b、c、d及該等寬度e、b如下表二，但不以此為限：

本發明提出的音頻輸出變壓器32之鐵芯B1包含的E型矽鋼片及I型矽鋼片具有相等的高度a，並且高度a小於或等於48釐米可適當維持鐵芯B1之主阻抗以利於和音質等化器配合，可維持真空管音頻放大器足夠頻寬。相較於傳統音頻輸出變壓器之大尺寸鐵芯，其鐵芯內的矽鋼片高度皆大於66厘米，本發明確實可縮小體積及降低重量。

此外，相較於傳統音頻輸出變壓器之鐵芯為昂貴且沉重的有取向矽鋼材質Z11，本發明不用採用高單價Z11矽鋼材質，提出音頻輸出變壓器32之鐵芯B1所包含的E型矽鋼片及I型矽鋼片可為無取向矽鋼材質H50，因此本發明提出的真空管音頻放大器又可進一步有效地降低重量及成本。

如前述內容，本發明縮小體積、減輕重量及降低成本，可能導致真空管音頻放大器於高頻及低頻頻域的表現變差，因此，CR型等化器電路22可用以彌補真空管音頻放大器於高頻及低頻頻域的表現，以維持真空管音頻放大器的音色優美。

本發明進一步提出真空管音頻放大器可包含待機檢測電路60及電壓源產生器70，使真空管音頻放大器具備自動節能的功能。請參閱第九圖，待機檢測電路60可用以檢測從音訊輸入1輸入的音頻訊號是否持續進入真空管音頻放大器，以決定是否開啟產生主電源的電壓源產生器70。在一實施例中，電壓源產生器70可提供多種電壓源。在一實施例中，電壓源產生器70提供之多種電壓源可包含高壓電壓源及低壓電壓源。

為了避免待機時間過長，導致減損真空管的使用年限，並且增加真空管音頻放大器的使用時的耗能，待機檢測電路60可於無音頻訊號輸入的情況下，使真空管音頻放大器進入待機模式，並且控制電壓源產生器70以關閉全部或部分電路的電源。在本發明一實施例中，待機檢測電路60控制電壓源產生器70關閉全部或部分電路的電源，使真空管音頻變壓器的待機功耗低於0.5瓦特。

再者，電壓源產生器70可包含一微型變壓器，以接收市電並進行變壓、整流等功能。該微型變壓器可作為真空管音頻放大器在待機模式下，唯一開啟的電源變壓單元。在本發明一實施例中，微型變壓器可採用有取向矽鋼材質Z11的矽鋼片作為鐵芯，以將真空管音頻放大器待機功耗降低至0.3~0.35瓦特。

此領域通常知識者可理解，上述內容為清楚揭示本發明之目的及功效，但不為限制本發明。此外，上述元件可被具有類似功能之元件置換，舉例而言，三極管真空管12AX7可以其他三極管真空管17AX7A、12AU7、6N10、ECC83、CV軍規小型三極管替代，此等簡單置換或可達成本發明預期中的效果，皆不脫離本發明之範疇。

1‧‧‧音訊輸入

20‧‧‧音頻前置放大部

30‧‧‧音頻輸出變壓部

4‧‧‧揚聲器

50‧‧‧負迴授迴路

Claims

一種真空管音頻放大器，適用於根據一輸入訊號提供一輸出訊號，包含一音頻前置放大部及一音頻輸出變壓部，該音頻前置放大部將該輸入訊號放大並傳輸至該音頻輸出變壓部，由該音頻輸出變壓部提供該輸出訊號至一揚聲器，其特徵在於：該音頻輸出變壓部包含一音頻輸出變壓器，該音頻輸出變壓器包含相互堆疊的複數個E型矽鋼片以及相互堆疊的複數個I型矽鋼片，其中該等E型矽鋼片及該等I型矽鋼片具有相等的一高度，且該高度小於或等於48釐米，該等E型矽鋼片及該等I型矽鋼片係為H50無取向矽鋼片；該音頻前置放大部更包含一CR型音質等化器，該CR型音質等化器修正該輸入訊號的高頻響應與低頻響應，其中該CR型音質等化器修正的高頻響應為2KHZ~20KHZ的調頻範圍，該CR型音質等化器修正的低頻響應為20HZ~500HZ的調頻範圍，該音頻前置放大部更包含一第一級前置真空管放大電路及一第二級前置真空管放大電路，該CR型音質等化器被配置於該第一級前置真空管放大電路及該第二級前置真空管放大電路之間，其中該CR型音質等化器包含一輸入，連接至該第一級前置真空管放大電路，以及一輸出，連接至該第二級前置真空管放大電路，其中該輸入連接一第一電阻的第一端與一第一電容的第一端，該第一電阻的第二端連接一第二電容的第一端與一第三電容的第一端，該第一電容的第二端與該第二電容的第二端之間連接一具有一第一中間抽頭的一第一可變電阻，該第一中間抽頭為該輸出，該第二電容的第二端與該第三電容的第二端之間連接一第二可變電阻，該第二可變電阻具有一第二中間抽頭連接至第二電容的第二端，且該第三電容的第二端連接一第二電阻的第一端，該第二電阻的第二端連接該音頻輸出變壓部之一信號接地端。
如上述請求項1之真空管音頻放大器，進一步包含一迴授路徑，該迴授路徑係由該音頻輸出變壓部之一第一輸出端連接至該第二級前置放大電路。
如上述請求項1之真空管音頻放大器，其中該音頻輸出變壓器具有一第一輸出端及一第二輸出端，且該第一輸出端及該第二輸出端之間為該輸出訊號，該第一輸出端耦接至該揚聲器及該音頻前置放大部，該第二輸出端耦接至該揚聲器及該音頻輸出變壓部之一信號接地端。
如上述請求項1之真空管音頻放大器，其進一步包含一電壓源產生器以提供高壓電源及低壓電源至該音頻前置放大部及該音頻輸出變壓部。
如上述請求項4之真空管音頻放大器，其進一步包含一檢測待機電路，該檢測待機電路可使該真空管音頻放大器進入待機模式，並控制電壓源產生器開啟或關閉。
如上述請求項1之真空管音頻放大器，其中該第一可變電阻用於調整該輸入訊號的高頻響應。
如上述請求項1之真空管音頻放大器，其中該第二可變電阻用於調整該輸入訊號的低頻響應。
一種真空管音頻放大器的調整方法，該真空管音頻放大器包含一音頻前置放大部及一音頻輸出變壓部，該音頻輸出變壓部包含一音頻輸出變壓器，該音頻輸出變壓器包含相互堆疊的複數個E型矽鋼片以及相互堆疊的複數個I型矽鋼片，其中該等E型矽鋼片及該等I型矽鋼片具有相等的一高度，且該高度小於或等於48釐米，該等E型矽鋼片及該等I型矽鋼片係為H50無取向矽鋼片，該調整方法包含：該音頻前置放大部將一輸入訊號放大並傳輸至該音頻輸出變壓器；以及配置一CR型音質等化器於該音頻前置放大部的一第一級前置真空管放大電路與一第二級前置真空管放大電路之間，由該CR型音質等化器修正該輸入訊號的高頻響應與低頻響應，其中該CR型音質等化器修正的高頻響應為2KHZ~20KHZ的調頻範圍，該CR型音質等化器修正的低頻響應為20HZ~500HZ的調頻範圍；其中該CR型音質等化器包含一輸入，連接至該第一級前置真空管放大電路，以及一輸出，連接至該第二級前置真空管放大電路，其中該輸入連接一第一電阻的第一端與一第一電容的第一端，該第一電阻的第二端連接一第二電容的第一端與一第三電容的第一端，該第一電容的第二端與該第二電容的第二端之間連接一具有一第一中間抽頭的一第一可變電阻，該第一中間抽頭為該輸出，該第二電容的第二端與該第三電容的第二端之間連接一第二可變電阻，該第二可變電阻具有一第二中間抽頭連接至第二電容的第二端，且該第三電容的第二端連接一第二電阻的第一端，該第二電阻的第二端連接該音頻輸出變壓部之一信號接地端。
如上述請求項8之真空管音頻放大器的調整方法，其中包含調整該第一可變電阻以修正該輸入訊號的高頻響應。
如上述請求項8之真空管音頻放大器的調整方法，其中包含調整該第二可變電阻以修正該輸入訊號的低頻響應。