一款基于和田茂氏线路构架的电子管前级/耳放的设计与制作（完成版）

梼昧狂客

一款基于和田茂氏线路构架的电子管前级/耳放的设计与制作

    和田茂氏线路是一个比较经典的电子管前级设计，最早发表于1969年2月，虽然现在这种线路设计似乎被吹的神乎其神，但究其本质这个线路并没有太多创新的地方，只是将单元电路重新组合优化后的产物，但不可否认这个线路构架与当时主流的一些电子管前级线路比如C22、M7相比确实是有一些优势的，其电路图如下。


    该线路采用三级放大设计，输入级和第二级使用高增益管12AX7组成共阴极放大线路，输出级则与常见的阴极输出不同，使用12AU7接成WCF线路，和田茂氏线路的精髓也就在于此。其实在不使用输出变压器的情况下，电子管耳放/前级的输出级只有四种线路可以选择，即阴极跟随线路（Cathode Follower）、SRPP线路（Shunt Regulated Push-Pull）、SEPP线路（Single Ended Push-Pull）、WCF线路（White Cathode Follower）。近些年来虽然也有类似Grounded Grid AMP（共栅极放大）等较为创新的设计，但大多是在输入级上下功夫。

    在这四种输出级线路中，如使用同型号电子管，阴极跟随线路的电压增益最低，输出阻抗比WCF线路略低一点，但可通过使用屏耗较高的功率管或并管来降低输出阻抗，常见的电子管耳放很多都是这种设计，输出管则多用6N5P（即6080、6AS7）。SEPP线路的电压增益是最高的，但输出阻抗同样也是最高的。较高的输出阻抗显然是不利于驱动中低阻抗的耳机的，但在电子管OTL功放中似乎用的比较多。SRPP线路的电压增益和输出阻抗比较适中，价格高昂的EARMAX PRO这款耳放输出级就是用6922接成SRPP线路，但和WCF线路相比它的输出阻抗还是要高很多的。WCF线路兼顾电压增益与输出阻抗，电压增益接近1比阴极跟随线路高，而输出内阻却与阴极跟随线路差不多，同时可以与第二级电路进行直接耦合，我认为是比较优秀的输出级线路，唯一美中不足的是每台双声道单端机器都需要使用四枚双三极管，与C22之类的线路比多了一个管子。但这是对于当年的条件来说的，就现在来看，多了几W的灯丝功耗和一枚电子管是没有什么大影响的。

    线路构架使用和田茂氏线路，但器件参数与原设计不同。这主要是考虑现在的音源与当年有很大区别，原机输入级使用12AX7。这是一枚高μ值的双三极管，虽然增益较高，但内阻也同样较高，过高的内阻会限制了整机动态表现。因此输入级使用中μ值的12AT7（12AT7名管的价格也比12AX7要低不少），缓冲和输出级则使用12AU7，同时有意增大输出级的工作电流，以提高带载能力。

    在实验过程中我是用输出电压为250V的变压器作为整机供电，晶体管桥式整流配合CLC滤波（82μF*2+10H），实测带载电压340V左右，即B+=340V，输入级工作电压设定为250V。第一级和第二级均为RC耦合的共阴极放大器，设计过程在任何一本电子管电路设计的教材中都能找到。简单地说就是在已知供电电压B+的情况下，设定屏极电阻Rp并以此为斜率在右特性曲线上绘制屏极负载线，选定栅偏压确定静态工作点，根据工作点计算阴极电阻Rk，在不严谨的设计中这样基本就可以了，阴极电容和屏极耦合电容根据经验值估算。

    在这种简单估算的条件下，有几点需要指出。1.这个线路设计输出级使用WCF电路，灯丝—阴极电压差较大，需要提高灯丝电位，并尽可能选择灯丝—阴极耐压较高的电子管（网上有些套件使用12AT7代替12AU7，虽然从屏耗上来说问题不大，但12AT7灯丝阴极最高电压差仅为90V，可能会发生击穿的问题），否则可能会发生击穿或引入交流声的问题。2.提高屏极电阻阻值有利于提高增益，但与此同时屏极内阻rp也会相应增大导致线性范围减小，再加上现在的信号源输出电平较高，因此屏极电阻取值不宜过大，尤其是对于12AX7之类高μ值的电子管（本机使用12AT7，μ值比12AX7因此为了保证足够的增益，不建议用太小的屏极电阻）。3.WCF电路输出级上管屏耗比下管要高很多，调整输出级工作点时应首先注意上管的屏极耗散功率，防止出现红屏的现象。

    所有电子管特性曲线均使用美国GE给出的官方资料，在试验过程中尽量使用原型号而不是替代型号进行试验，更换电子管后需要从新测试调整工作点。
第一级设计参数如下：电子管型号：12AT7，供电电压Up=250V ，工作点Ip=1.6mA Ug=-1.5V ，屏耗Pp=0.4W＜PpMAX，Rp=100KΩ PRp=0.256W，Rk=909Ω PRk=0.0023W，Rg=330KΩ


如使用12AX7作为输入级则，RK=2K，其他不变


第二级设计参数如下：电子管型号：12AU7，供电电压Up=340V ，工作点Ip=8.3mA Ug=-6.8V Up≈187V ，屏耗Pp=1.55W＜PpMAX，Rp=27KΩ PRp=1.86W，Rk=1.2KΩ PRk=0.083W，Rg=470KΩ


    和田茂氏线路比较复杂的地方在于第三级，即WCF缓冲输出的部分。WCF电路一般文章讨论比较少，在《电子管声频放大器实用手册》中将其描述为“并联控制型级联放大线路”而《Valve Amplifiers》中则将之与μ-follower（μ跟随线路）、SRPP线路等放在一起讨论，也许他们都属于原著中所述的“the cathode follower with active load”（使用有源负载的阴极跟随线路）一类。我认为WCF线路本质还是一个使用有源负载的阴极输出线路，设电子管V3的上半个三极管部分为V3A下边那个三极管部分为V3B。V3A栅极与前一级屏级电阻相连直接耦合构成阴极输出线路。屏极电阻RV3A其上的压降为V3B提供了输入信号，而V3B既是一个与V3A直耦的共阴极放大器，同时V3B与其周边元件又共同构成了V3A的阴极负载。V3A的工作电流和工作点都由V3B来决定，工作电流与V3B相同，偏压则是V3B的屏极电压和第二级管子屏极电压之间的电压差。RV3A的取值与跨导有关，当Rp=1/Gm时效果较好，注意我们平时查到的跨导一般为典型值，比如12AU7的典型值Gm=2.2mA/V，但电子管工作电流不同时跨导会发生改变，需要根据具体工作状态调整。

第三级设计参数如下：电子管型号：12AU7，供电电压Up=340V，工作点（V3B）Ip=5.5mA Ug=-6.5V Up=193V 屏耗Pp=1.06W，V3A屏耗Pp=1.87W，Rp=620Ω PRp=0.019W，Rk=1.2KΩ PRk=0.036W，Rg=1MΩ（此时屏极内阻rp≈9.6KΩ，跨导Gm≈1.6mA/V，放大系数μ≈15.6）


电源部分使用了三枚电阻，R1、R2对高压进行分压，为输出级电子管提供一个高电位防止灯丝-阴极击穿，同时也是电源部分的泄放电阻。R1=100K R2=270K，将灯丝电位提高到92V。R3是降压电阻并与C9构成RC滤波，R3=27K。

为了方便，使用PCB制作这个线路，线路板选用2mm板材，70μ铜箔，沉金工艺。



    胆机虽然通常使用大功率电阻制作，但在实际应用中可以发现有很多电阻的功耗并没有那么高，用小功率电阻完全可以。当然理论上用大功率电阻可以减小接触噪音，不过现在不同厂商的产品体积差异比较大，比如VISHAY PR02系列电阻，尺寸与DALE RN60类似，但功率能达到2W，因此从外部尺寸判断电阻功率也是不可靠的，而且大功率电阻的精度往往没有小功率电阻那么高，因此最好还是根据实际需要选择。但不管是用那种电阻，如使用PCB制作，在安装电阻的时候，功耗较高的电阻不能紧贴PCB安装。

    滤波电容容量不需要太大，毕竟电子管机的工作电流很小，应当理性选择，没必要和晶体管机一样追求大水塘。尤其是使用电子管整流时，较大的滤波电容可能会烧毁整流电子管（在前级中常用的整流管6Z4就比较脆弱，5AR4之类的管子要强一些）。耦合电容选用薄膜电容，为了保险起见，耐压最好高于400V。


实验板完成图


最终的线路图和实测工作点如下


装配使用乐潘的P0702电源变压器，电感使用10H 70mA的品种。第一级和第二级的电子管使用带中心抽头的那组灯丝绕组，中心抽头接地。输出级使用另外一组灯丝绕组，同时绕组单边接到高压分压处，抬高灯丝直流电位，灯丝供电线需绞合。因为整机功耗不大所以高压绕组只用一组即可，同样需要绞合。变压器屏蔽层、三孔电源插座中的接地针、线路板输出端的接地点三者都通过螺丝接到机壳上，RCA插座、电位器则不必接地。




输入管使用GE 6201（既12AT7WA），第二级和输出级使用GE 6189（既12AU7WA），这两个都是直代的品种，如使用5963之类的近似管则需要从新调整工作点。



整机无负反馈输出级无阴极电容的情况下计算输出阻抗297Ω，使用大环路负反馈和阴极电容厚理论上输出内阻可以降低到30欧姆左右（参考《电子管耳机放大器输出级电路分析》这篇文章）。




听感上还不错，搭配32欧姆的低阻抗耳机效果还可以，但不如接高阻抗耳机效果好，这也是没办法的事情，电子管本身特性如此，如使用5687或12BH7等电子管作输出级会更适合低阻抗耳机。

中泽洋造

恭喜狂客兄！以我的经验5687也不能很好地驱动低阻耳机，电流限制使然。

耳朵有毒

做的很漂亮!

感觉还是牛出的耳放听感和适应力全面些

FU81

现在动态如何？很漂亮啊

雨后晴天

做的很漂亮!学习学习

梼昧狂客

耳朵有毒 发表于 2015-1-15 13:41
做的很漂亮!

感觉还是牛出的耳放听感和适应力全面些

不同的耳机阻抗不一样，最简单的600欧得有吧，300欧和250欧也得有吧，低一些的，62欧 32欧都得有吧，也就意味着输出牛次级最少五个绕组，很难兼顾，还不如用OTL的省事，不过如果只是针对性的给某一款耳机做耳放，那么用输出牛肯定好一些

梼昧狂客

中泽洋造 发表于 2015-1-15 06:13
恭喜狂客兄！以我的经验5687也不能很好地驱动低阻耳机，电流限制使然。

5687内阻会低一些，但总体上说电子管还是不太适合低阻抗耳机的，WCF输出级的输出电压摆幅是不用担心的同时输出阻抗相对较低，尽管管子要多用一个不太经济，但和其他线路比已经很不错了。6080阴极输出线路貌似是许多低端胆耳放的选择，但输出电压摆幅就有限制，而且那个电子管灯丝功耗太高。SEPP输出的设计输出内阻也低不了，尽管有电压增益，小不点的胆机喜欢用SEPP，实际上也是不适合推低阻的产品。总之一句话电子管虽好，但低阻抗耳机很难喂饱

梼昧狂客

FU81 发表于 2015-1-15 15:22
现在动态如何？很漂亮啊

动态不错，WCF电路不用担心动态。

中泽洋造

梼昧狂客 发表于 2015-1-17 01:55
5687内阻会低一些，但总体上说电子管还是不太适合低阻抗耳机的，WCF输出级的输出电压摆幅是不用担心的同时 ...

5687确实已经是折中起来的不错的管子了。

yjcow

学习了一些胆耳放知识，感谢分享。

YY制作

此电路电源改用两支 Z4效果会怎样？

梼昧狂客

YY制作 发表于 2015-2-5 20:10
此电路电源改用两支 Z4效果会怎样？

我觉得没必要，电子管整流压降大而且6Z4这个管子有点脆弱，6X4可能会好点，不过价格不低，索性还是用高速二极管做整流部分

YY制作

谢谢楼主，我就是没用过二极管，不知道效果怎样？不过我还是想试试！

nba101

楼主前级做的漂亮学习了