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基于SRPP電路的耳機放大器設計

文章來(lái)源：更新時(shí)間：2014/9/3 10:27:00

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1 引言
在高保真音響電路中，電子管放大器由于其獨特的韻味和音樂(lè )聽(tīng)感，一直備受廣大音響愛(ài)好者的喜愛(ài)和關(guān)注。近年來(lái)，高保真耳機由于其使用的便捷性和相對較低的價(jià)格，受到越來(lái)越多的音樂(lè )愛(ài)好者和音響發(fā)燒友的青睞。在高保真耳機家族中，耳機阻抗從低阻、中阻到高阻均有分布：如愛(ài)科技的271S額定阻抗為48Ω，拜亞動(dòng)力的Dt48額定阻抗為200Ω，森海爾的HD580，HD600，HD650額定阻抗為300Ω等。對于阻抗較高的耳機，通常需要專(zhuān)門(mén)的配套電路，才能展現其優(yōu)異的性能。同用于音箱的揚聲器單元相比，耳機對于它的驅動(dòng)電路性能指標的要求更加嚴格。與晶體管相比，電子管靜態(tài)工作點(diǎn)電壓高、內阻大，更適合輸出擺幅大、電流小的驅動(dòng)信號。這個(gè)特點(diǎn)使得電子管適用于驅動(dòng)對品質(zhì)要求高，但功率要求低的高保真耳機。
在音頻前置放大器中，并聯(lián)調整推挽（ShuntRegulatedPush-Pull，SRPP）電路具有高增益、低失真、低輸出阻抗等特點(diǎn)，能夠獲得優(yōu)異的音質(zhì)表現，因而在音響電路中廣泛應用。本文設計了一款以共陰極放大器為輸入級，SRPP放大電路為輸出級的耳機放大器電路。對該電路建立了微變等效模型，選擇合理的器件，通過(guò)理論計算控制相應的參數，使放大器能夠較好地驅動(dòng)耳機工作。

2 輸入級
輸入級采用一只電子管三極管構成的共陰極放大電路，其電路原理圖如圖1所示。圖中電阻RL1，Rk1和Rg1分別同電子管的陽(yáng)極、陰極和柵極相連接，使電子管建立穩定的工作點(diǎn)，同時(shí)具有合適的增益和適當的局部負反饋。V1可選擇常用的電子三極管，如單三極管ECC92，或者是雙三極管ECC82，12AU7，5814等型號中的一只電子管三極管工作原理與晶體管中的雙極性三極管不同，但和場(chǎng)效應管類(lèi)似，屬于電壓型放大器件，其主要參數為跨導gm，內阻rp和放大系數μ，且三者之間滿(mǎn)足：

該電路的微變等效電路如圖2所示，這里將電子管看成是受控電壓源。圖中，輸入電壓可表示為：

式（2）中Ug1k1為電子管柵極和陰極兩端的電壓，Uk1為陰極電阻Rk1兩端的電壓：

共陰極放大電路的輸出電壓為：

電壓放大倍數為：

3 輸出級
輸出級采用SRPP電路，電子管既可選擇內阻合適的三極管，如6N6，E182CC，也可選擇用于功放的小功率五極管，如6P15，6P14，EL42，EL91，EL84，EL86。
一般五極管內阻較大，增益很高，為了降低輸出阻抗和增益，需將五極管連接成三極管使用。
文中的輸出級選用小功率五極管作為放大器件，選擇其他型號的管子時(shí)，需要根據管子自身參數確定外圍元件的參數和供電電壓VCC2。在圖3中，Rsg1和Rsg2分別將五極管V2和V3的第二柵極和陽(yáng)極相連接，因而成為三極管工作方式。Rk2和Rk3分別與V2和V3的陰極相連接，為電子管提供適當的柵負壓。RL2表示負載的阻抗。選擇不同型號的管子，由于內阻和增益的差別，在驅動(dòng)耳機工作時(shí)，會(huì )有不同的聲音表現，通�？赏ㄟ^(guò)主觀(guān)音質(zhì)評價(jià)來(lái)確定管子的選擇。

圖4是圖3的微變等效電路，圖中Ip為：

輸出電壓Uo2為：

將式（6）~（8）聯(lián)立，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化可得出輸出級的電壓增益為：

輸出端施加一個(gè)電壓U′o2，這時(shí)從輸出端向內看的電流記作為I′o2，可由式（10）~（12）計算得出：

從式（11）~（13）可計算得到SRPP放大電路的輸出阻抗為：

4 整體設計
整機的電路原理圖和元器件的取值如圖6所示。

輸入級放大器件選用Ecc82雙三極管，輸出級選用6P15，基本參數如表1所示。為降低輸出阻抗，以便于和阻抗較低的耳機相匹配，輸出級SRPP電路采用雙管并聯(lián)的方式工作。放大器的相關(guān)參數計算方法如下所示，其中開(kāi)環(huán)電壓增益為：

反饋系數為：

閉環(huán)電壓增益為：

輸出阻抗為：

負載電壓增益為：

5 測試結果
經(jīng)過(guò)測試，耳機放大器在驅動(dòng)不同阻抗負載的情況下，電路中的各項參數如表3所示。從表2~3中可看出，測量結果和理論計算結果比較接近。相對于一般的晶體管耳機放大器，電子管放大器的輸出阻抗略高，這個(gè)阻抗會(huì )影響耳機單元的總Qt值，以至于影響耳機的瞬態(tài)特性，這也是電子管耳機放大器產(chǎn)生特有的聽(tīng)覺(jué)效果的一個(gè)因素。

經(jīng)實(shí)際聆聽(tīng)可感覺(jué)，該放大器具有足夠的動(dòng)態(tài)范圍，中頻清晰飽滿(mǎn)、柔和、圓潤、高頻明亮、通透，低頻豐滿(mǎn)、力度好，從整體上來(lái)感覺(jué)，聲音比較平衡、真實(shí)。
無(wú)論驅動(dòng)低阻耳機還是高阻耳機，都具有良好的聽(tīng)感效果。

6 總結
本文設計了一款基于陰極跟隨器和SRPP電路的耳機放大器，從理論上分析為控制電路參數提供了明確依據，并用實(shí)踐測量驗證了理論的正確性。用微變等效分析方法對于電子管耳機放大器的設計具有良好的指導作用。

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