6N1作功率放大器的设计（转发）

wqs · 发表于 2009-11-9 10:11

转发一篇无线电杂志1963年的文章

6N1作功率放大器的设计

俞锡良

双三极管6N1（6H1П）的一个三极部分作甲类音频功率放大器时，能够输出200～400毫瓦左右的功率，在一间普通的住房内可以得到足够响亮的声音，而耗电量不大，故在简单收音机中常常用它作末级功率放大器。电路的形式如图1。另外一个三极部分可作为检波、电压放大或电源整流等使用。

表1

灯丝电压	灯丝电流	电压	电流	栅偏压	放大因数	跨导	最大屏耗	最大屏压	最大屏流	最大栅极电阻
(V)	(A)	(V)	(mA)	(V)		(mA/V)	(W)	(V)	(mA)	MΩ
6.3	0.6	250	7.5	(600Ω)	35	4.35	2.2	300	300	1

6N1在电子管手册中给出的特性如表1，但我们并不完全按这样的工作状态使用，下面就来谈谈6N1用作功率放大器的具体设计方法。

三极管功率放大器工作状态的分析

功率放大器的工作状态，利用图解法来分析最为方便。图2是6N1一个三极部分的“屏流～屏压”特性曲线族，它表示在各种不同栅偏压时，屏压和屏流的变化关系。如果确定了乙电供电电压为Ea ，那么，因输出变压器初级直流压降不大，屏极电压Uao 一般不低于0.9Ea 。例如Ea 为220伏，Uao 即为200伏。如栅偏压为-Ec ，则自Uao 200伏处向上引垂线和-Ec特性曲线的交点P即为电子管的静止工作点，P点所对应的屏流即为Iao 。当栅极加入一个交流信号，屏压屏流将沿着交流负载线AB的轨迹而变化。负载线的斜率为AC/BC= 1/Ra 其中Ra为交流负载电阻，也就是扬声器经过输出变压器反映到电子管屏回路的阻抗。

因为扬声器的阻抗在中音频率时接近于纯电阻，故放大器的负载可看作纯电阻负载来考虑。栅极交流信号最大只能在Uc=0和Uc=-2Ec之间摆动，信号再大时，栅极电压将变为正值，会产生栅流引起失真。当栅极电压Uc在0和-2Ec之间摆动时，三极管屏流和屏压将在Ia最大、Ia最小和Ua最小、Ua最大之间摆动，输出的电流、电压波形如图2中所示。

交流输出功率P出为输出交流电压和电流有效值的乘积，可用下式计算：

P出=（Uamax-Uamin/2x21/2）x(Lamax-Lamin/2x21/2）x101/3=（Uamax-Uamin）(Lamax-Lamin）/8000——（1)

其中P出的单位为瓦，U为伏，I为毫安。

由于三极管特性曲线下部弯曲，故输出屏流的下半周振幅比上半周小，会产生失真。失真的大小和特性曲线下部弯曲部分利用的多少有关。Ia最小越小，则负载线下端B点越位于特性曲线下端的弯曲部分，失真将越大。图中eo代表Uc=-2Ec特性曲线与横轴交点至Ua最大之间这一段电压的大小，我们可以用eo与Uao的比值β（=eo／Uao）来表示特性曲线利用的程度。β＝0时，特性曲线被充分利用了，但失真也最大。一般β是选在0.05～0.15之间。

正负半周不对称的失真波形主要包含有二次谐波，因此失真度可以只用二次谐波失真表示。即失真度

γ=γ2=1/2x(Iamax+Iamin-2Iao)/(Iamax-Iamin)——（2）

如用直尺量得AP和PB的长度，并求得AP／PB的比值，则失真度就可用图3直接查出。

放大器的输出功率和失真的大小与负载Ra与电子管内阻Ri的比值有关。图4表示了三极管作功率放大时输出功率与最大输出功率的比值（P出／P最大）、及失真度与Ra／Ri的关系。Ra／Ri可用a表示，称为负载系数。从图中可以看出,当a=2时,可得到最大输出功率。a＜2时，输出功率下降很快，而失真度增大，a在2～4之间可得到较大的输出功率和较小的失真。

此外，选择工作点P时，应该使Uao、Iao的乘积不超过6N1所允许的最大屏极损耗功率，图2中曲线MN为6N1最大屏耗2.2瓦的轨迹，P点不应位于MN之上，但负载线段落到MN之上是可以的。

至于屏效率问题，因对6N1的交流小功率放大器来说，并无多大意义，故略去不谈了。

设计方法和步骤

1. 屏极电压的确定

我们可以先从确定屏压Uao 开始，Uao 用得较高，可以使输出功率增大，但不能超过6N1手册规定的最高屏压300伏。

在简单收音机里,为了经济,减小电源变压器的体积，乙电源电压用得较低,一般约在180～220伏左右,故Uao可选择为200伏。

2．负载的选择

负载电阻主要根据输出功率和失真度的要求来选择，前面曾谈到负载电阻宜选得大一些比较好。但是负载系数大了以后，在输出功率相同时，栅极推动电压也需要加大（这从下面公式3可以看出）,即所谓功率灵敏度降低了。因6N1作功率放大器是用在简单收音机里，整机的增益是较低的，因此，希望功率灵敏度高一些，对失真度来说，要求尚不太严格，最大功率输出时有10％左右的失真度也是允许的。此外，6N1的内阻比专门作功率放大的三极管大得多，如果负载系数选得大，为了保持低音的效果，输出变压器初极的电感量要求也大，这将增加输出变压器的成本和体积。从以上各种因素来考虑，6N1的负载系数选在1～2之间是比较合适的，最常用的负载电阻为10千欧。

3.求工作点，作负载线

以上确定了Uao和a或Ra以后，可以按下式算出栅极最大输入信号的峰值：

Uc=Uao(1-β)/μx(1+a)/2+a=Uao(1-β)/μx(Ra+Ri)/(Ra+2Ri)——（3）

这Uc也就相当于所应取的栅偏压Ec。其中β可取0.1，

Ri=μ/s=35/4.35=8.1千欧。

我们以Uao＝200伏，Ra＝10千欧代入，可算出：

Uc=Uao(1-β)/μx(Ra+Ri)/(Ra+2Ri)=200(1-0.1)/35x(10+8.1)/(10+2x8.1)=3.56伏

取Uc为3.5伏，这样作图时较为方便。

在图2中自Uao=200伏向上引垂线，与Uc=-3.5伏曲线相交于点P，即为工作点，此点水平线所对应的Iao=6.4毫安。P点位于MN线之下，没有超过最大屏耗。

作负载线：自P向左任取△Ua=40伏，再向上取△Ia=40伏/10千欧=4毫安，得O点，连接OP即得Ra=10千欧的负载线AB。

4．计算输出功率

自A点读出Ua最小=118伏，Ia最大=14.6毫安

自B点读出Ua最大=254伏，Ia最小=1毫安

于是输出功率

P出=（Uamax-Uamin）(Iamax-Iamin）/8000=（254-118）(14.6-1)/8000 =0.23瓦

或230毫瓦。

5．求失真度

γ=γ2=1/2x(Ia最大+Ia最小-2Iao)/(Ia最大-Ia最小)=(14.6+1-2×6.4)/14.6-1≈10%

如果要失真小一些，可将β取得大一些，重新计算。

6．电路元件的计算:

阴极电阻Rk= Ec/Iao=3.5/6.4×10-3=547欧

可用标称值为560欧，功率1／2瓦的电阻。按最低工作频率fH时的容抗不大于Rk的1/10的原则，计算阴极旁路电容Ck的数值，如取fH=200赫，则

Ck= 10/2πfHRk=10/2×3.14×200×547=14.5微法

Ck可选用20～30微法的电解电容器。

Rc可按手册规定的最大栅极电阻1兆欧使用。

屏极电路中的C为滤除高音噪音及改善频率失真之用，可选用0.001～0.006微法的纸质电容器。

简单收音机的电路种类较多，前级的增益有大有小。如果前级增益小，6N1的输入电压低，则负载系数可取得小一些，可使a接近千1，并在不超过最大屏耗的条件下，将屏流Iao取得大一些，这样可以提高功率灵敏度，失真也不致增大。例如：当Uao=200伏时，选Iao=10毫安，Uc=-2.75伏，Ra=8千欧，则可得P出=208毫瓦；γ=7％，与前例相比，输出功率降低不多，而失真减小了。因6N1本身的工作电流并不大，工作点的屏流略提高几个毫安，并不致显著增加电源变压器的负担。

如果前级增益高，6N1的输入信号电压较大，则可适当提高屏压，和加大负载系数，使输入信号能有较大的摆动范围，并获得较大的输出功率。例如：将Uao用到250～300伏，Ra用10～15千欧，则输入信号峰值可达5伏左右，输出功率的在300～400毫瓦以上。

注：括号内为近似的英规SWG线号

两个三极部分的并联使用

若把两个三极部分并联使用，和单只三极管部分相比较，屏压不变，屏流增加一倍，内阻减小一半，负载电阻也应减少一半，输出功率可以增加一倍，输入电压和失真度仍不变。阴极电阻Rk和栅漏电阻Rc减半，旁路电容Ck及屏极电容C加倍。

6N1用的输出变压器

6N1的输出变压器设计方法和普通一样。但不要以为6N1的输出功率小，以及屏流很小，而把铁心用得很小，导线用得很细。这样变压器的直流电阻很大，效率就很低，6N1的输出功率本来不大，若在变压器中损耗很多，则输出到负载上的功率就更少了。此外，导线过细，机械强度较差，容易受损折断。所以变压器的铁心和线径仍和一般6P1或6V6的一样，这点和电池式收音机的输出变压器情况相似。

6N1专用的输出变压器往往买不到，需要自己绕制。但也可以利用现成的其他变压器来代用。例如：电池管3S4的负载为8千欧，故它的输出变压器可以直接代用，栅压Uc按a=1设计。2P2（2П2П）的负载为15千欧，也可以将它的变压器直接代用，这时栅压Uc应按a≈2来设计。如果使用舌簧式扬声器，它的阻抗恰好是10千欧，则可不要输出变压器，直接接入屏极电路就行了。

表2

铁心	初级		次级
（毫米）2	圈数	直径（毫米）	圈数	直径（毫米）
ш-12×12	2300	0.09(43号)	47	0.41(27号)
ш-14×14	2800	0.1(42号)	57	0.51(25号)
ш-16×16	3600	0.1(42号)	74	0.62(23号)
ш-20×20	4200	0.12(40号)	86	0.8(21号)