初烧DIY讲座《RC耦合放大电路设计入门》--白居不易

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    RC（或“阻容”）耦合电压放大电路（以下简称RC电压放大电路）具有频率和相位特性好、非线性失真小、不同的屏极电压下增益变化小、成本低等优点，因此在电子管音响电路中得到广泛应用。一般初入此道的网友基本上是找一个现成电路照猫画虎，如果掌握足够的基础理论知识，就可以根据自己的需要独立设计电路，在发烧的道路上如虎添翼。
    一、RC放大的基本电路  RC放大电路均工作在甲类状态，根据使用的电子管有以下两种基本电路：
三极管RC放大电路

五极管RC放大电路

图中：
Rg为输入端栅极电阻，
Rk为阴极电阻，
Rp为屏极电阻，
Rs为帘栅级电阻
R'g为次级栅极电阻；
Ck为阴极电容，
Cc为耦合电容，
Cs为帘栅极电容；
B+为供电电压，标为Vbb；
eo 为输出电压。

二、RC放大电路设计步骤
    1、根据所需输出电压估算电压增益（放大倍数）  前级放大或激励级要为功放管提供足够的推动电压（包括补偿负反馈带来的增益损失，在甲乙2类或乙类功放中还要提供一定的功率）。增益为放大倍数，分为开环增益Go和闭环增益Gv，Go为没有加负反馈时的增益，Gv为加上负反馈的增益，也就是实际增益。
     输入端的信号电压来自音源的输出电压，CD等数字音源输出电压可达0.5rms~2Vrms，一般的功放输入灵敏度取值200mV，可以满足录音机、录像机、收音头、CD、DVD等多种音源的要求。由于电唱机等音源由于输出电压很小（动磁式为几毫伏，动圈式的只有零点几毫伏），同时还涉及RIAA特性均衡等问题，因此应当另加专门的前级放大器（唱放）。
    根据常用功放管单端输出的激励电压，可以计算出所需电压增益 Gv（加入负反馈后的闭环增益）T为三极接法，下面数据中Go和G’o分别为加上12db（衰减为0.251）和20db*（衰减为0.1）负反馈后所需实际增益：
    电子管       2A3       300B         211               845        6V6GT   6L6G     EL34    6L6G（T）EL34（T）
    激励电压   31.8V     43.1V     41~56V       85~140V      8.9V      9.9V     9.5V    19.2V        18.9V
    Gv           159        216       205~280     425~700       44.5      49.5     47.5     97.5          94.5
    Go           636        864       820~1120   1700~2800   178       198       190      390          378
    Go          1590       2160    2050~2800  4250~7000    445       495      475      975           945
    *db在电子学中用来比较功率、电压、电流电平，运用了对数把乘除变为加减，不但简化了计算而且十分简洁。如一个收音机电压总增益为148db，其放大倍数为25100000。
    功率db:N=10lgP2/P1  电压db:N=20lgV2/V1  电流dbN=20lgI2/I1   
    2、根据所需增益和最大激励电压选择电子管  电压放大常用中μ三极管（μ10~40）、高μ三极管（μ40~100）以及五级管。
     三极管的电压增益=μRL/rp+RL，rp为屏极内阻（电子管的屏极内阻和跨导随屏极电压和栅极负压的变化而改变，而μ的变化很小），RL为屏极负载电阻=RpR’g/Rp+R’g；Rp为屏极电阻，R’g为次级栅极电阻，根据公式可以得知，μ大的三极管增益也大。五极管的增益=gmRL，gm为跨（互）导。 五级管增益大输出电压也大，跨导大的五极管可在屏极电阻较小的条件下获得较大增益。当使用一个双三极管作两级放大时可以把所需增益电压开方确定每一级的电压增益。如果各级选用不同的电子管，则输入级选用高μ管，第二级、第三级用中μ管，激励级在需要输出电压很高的情况下，应当选择五极或集射功率管。为了获得较大输出电压和扩大动态范围，应采用较高电源电压，一般应取输出电压的4倍以上（马蒂斯前置放大电路电源电压为420V，隔壁坛上有些网友热衷于玩低压电路，实在不敢恭维），选用屏极内阻低的中μ三极管和较小的屏极电阻。有的电子管在较高电压下失真（THD）会降低，下面是西门子公司给出的ECC83实验数据：
Vbb     Rp      R’g      Rk           Ip        eo      Go    THD
250V                       1.5K    0.86mA    26V    54.5    3.9%
300    100K   330K   1.2      1.11         30      58       2.7%
350                         1.0      1.4           36      61       2.2%
400                         0.82    1.72         38      63       1.7%
    设计电路和选择电子管时只看参数不行，还要有特性曲线图。下面是6SQ7、6J5、6SL7、12AX7、6N1（6Н1П）、6N2（6Н2П）等三极管的静态特性曲线（6SL7虚线为动态特性曲线，明显比静态曲线平坦些，但一般电子管手册很少给出），从特性曲线可以看出工作点选择在栅极偏压较负，电流偏小的弯曲部分，会使失真加大。








6SQ7、6J5、6SL7、12AX7等管的曲线比较平滑，12AX7的低压特性非常好，恐怕这正是很多发烧友喜欢使用这些管子的原因。再看看6N1的曲线，正如某帖子说的这个前苏联设计制造的管子有些“不伦不类”。
    3、RC放大电路工作点的确定  RC电压放大电路多工作在小电流状态（0.5~2mA）因此工作点的选择十分重要，由于屏极接了大阻值电阻，其屏压较低，实际工况与手册给出的参数有很大差异，因此手册提供的数据没有什么意义。在设计三极管放大电路时要使用电子管Vp、Ip特性曲线，当设定屏极电阻Rp*后，A点为屏极电压Vp为0V时（相当与全部电压加在屏极电阻上），Vbb（图中错印为Vpp)/Rp的电流值，B点为屏极电流Ip为0时(相当于全部电压加在屏极上)屏极电压值


A到B划一直线即为负载线，负载线与栅极电压（栅极电压应当大于输入信号电压的峰值，一高μ管为0.5V~0.8V，中μ管为1.5~2V）曲线交点为工作点，横坐标的电压值为屏极电压Vp，纵坐标电流值为屏极电流值Ip，Vgg/Ip=Rk（阴极电阻值）。
     *三极管屏极电阻和次级栅极电阻与增益成正比，但屏极电阻过大，屏极电压和电流降低，动态减小，电子管工作点接近特性曲线截止区的弯曲部分，使动态变小，失真加大；Rp过大影响高频性能。在设计高保真音响时，为了保证高频性能，屏极电阻不宜过大，一般三极管屏极电阻常用数据为中μ管47K~100K，高μ管100K~270K；五极管屏极电阻不超过100K(此时频率上限为20KHz)。次级栅极电阻Rg’应为Rp的4倍以上，一般在270K~1M之间，常用值为470K，最大不能超过电子管手册规定的最大值。
     五极管的特性曲线与三极管完全不同，下图是6SJ7的曲线

，看起来更像晶体管的特性曲线，其屏极电流受栅极偏压和帘栅极电压的影响，与屏极电压几乎无关。电子管手册还给出不同帘栅极电压的屏流曲线（见最下面的特性曲线图，这种曲线一般手册上很少给出），不过这两种曲线仍然都是供电感耦合高频放大电路使用的，也不适用于RC放大电路，因此一般采用搭电路实验方法进行设计。为了保证高频性能，五极管屏极电阻不宜超过100K(此时频率上限为20KHz)，帘栅极电阻为屏极电阻的4~5倍，栅极偏压0.5V以上。RCA 等电子管生产厂家均给出实验数据，如6SL7的实验数据为Vbb300V，Rp100K，R’g500K，Rs370K，Rk530Ω，eo96V(最大输出电压），Go98（增益），在设计电路时可以参考。
    4、闭环增益Gv计算   
    现代音响经常采用负反馈电路来改善电路性能  负反馈根据电路形式分为串联型和并联型，串联型习惯叫电流负反馈*，并联型叫电压负反馈。

    加入负反馈后电路开环增益Go减小到闭环增益Gv，闭环增益Gv=Go/1+Goβ   β为反馈系数，β=Rα/Rα+Rβ，如果电路采用包括输出变压器在内的大环路负反馈，则

β=k(Rα/Rα+Rβ)  k为输出变压器次级或负反馈绕组与初级圈数比。为反馈量（衰减量）NF=1/1+Goβ  ，反馈量习惯以db表示，NF为0.1则为20db，Gv=1/10Go。
     把阴极旁路电容去掉即形成电流负反馈，其负反馈系数β=Rk/RL，一般会降低一半增益。如某资料给出12AX7加直流负反馈的数据，Rp250K   Rk4K   R’g1M，负反馈量7.6db，增益由60多降低到29。6SJ7Go为100左右，Rp250K，Rs1.2M，Rk2K，R’g500K，加上10db直流负反馈（不加阴极电容）增益为56，恰好可以推动6L6G（Gv49.5)。
    *电流负反馈可以降低失真，减小输入电容，但会加大前级交流声；电流负反馈使内阻rp增加（1+μ）Rk，屏极输出电阻RL也相应加大，屏极回路电容级次级分布电容的影响同时加大（因此电流负反馈不适宜用在功放级）。
     5、电容数值的确定  RC放大电路运用到耦合电容、阴极电容和帘栅极电容（五极管）。
     耦合电容起隔直流和传递音频信号的作用，因此除了容量以外对漏电（绝缘电阻）和直流耐压也有一定要求，其绝缘电阻越大越好。其耐压应当大于电源电压+音频峰压，一般供电电压250V时可以用400V的，供电电压400V时可选用600V的。
     阴极电容和帘栅极电容是旁路音频信号的，阴极电容如果不用会产生电流负反馈，其电压增益降低一半左右；帘栅极电容对直流耐压也有要求，可参照耦合电容。
     电容量的选择以前的帖子已经讲过（C=159/RfL公式是由来及应用），RC放大电路涉及耦合电容Cc、阴极电容Ck及帘栅极电容Cs。其取值方法均采用C=159/RfL（-3db）或C=318/RfL（-1db）公式，C为微法，R分别为次级栅极电阻R’g、阴极电阻Rk、帘栅极电阻Rs，单位为K欧姆；fL为最低放音频率，可取10Hz。实际取值可以比计算结果大一些，但不能过大，以免影响响应速度。不同介质和品牌的电容对响应速度和音色也有一定影响，通过实践中可以进行比对。下面为计算后的实用取值范围，可供参考：
耦合电容（微法）
R’g/Cc    1M / 0.022~0.047   470K /0.033~0.1   270K/0.1~0.22
阴极电容（微法）
Rk/Ck    3.3K/10~22  2.2K/15~33  1.5K/22~47  1k/33~68  470欧姆/47~100  270欧姆/100~220。
帘栅极电容（微法）：
Rs/Cs    270K/0.22  330K/0.22   390K/ 0.16   470K/0.1
       6、设计实例  以2A3单端功放为例，设计一个前级RC放大电路（电路图同上）：2A3屏极电压250V 时激励电压31.8Vrms，需要实际增益159。我们选择12AX7两级RC耦合电压放大，手册中给出的典型值为：Vp250V，栅极电压-2V，μ100，rp62.5K，跨导1.6mA/V，屏极电流1.2mA。这是12AX7的Vp-IP和内阻、跨导、μ变化曲线（又一次证明没有特性曲线寸步难行）。
      ⑴为保证小电流状态工作在线性区域，供电电压Vbb为300V，输入级为获得较大电压增益Rp取250K，R’g取1M，以特性曲线横坐标300V处为B点，纵坐标300V/250K=1.2mA处为A点，画一直线，栅极电压取-1.8V，可以防止CD等大信号电压输入产生失真，负载曲线与栅极电压-1.8V的交点处，屏极电流Ip≈0.5mA，
     Rk=1.8V/0.5mA=3.6K，由于有电压负反馈。因此不能并联旁路电容，考虑到加入电流负反馈后内阻有所增加、屏流减少，因此取4K 。
    Cc可取0.022~0.047微法。
     计算开环增益，Go=μRL/（rp+RL）  ，在第二个曲线图中可以查到rp≈100K，μ97，RL=RpR’g/Rp+R’g=250Kx1000K/(250K+1000K)=200K，
     Go=97x200K/(100K+200K)=64.7；
     计算本级闭环增益 ，由于本级有电流负反馈，β=Rk/RL=4K/200K=0.02，
     本级闭环增益Gv=Go/(1+Goβ)=64.7/(1+64.7X0.02)=28.2，与前面介绍的资料数据十分吻合。（有些电路为尽量减少电流负反馈造成的增益损失，把阴极电阻分为两部分，如本机阴极电阻4K可以分为3.6+400欧姆甚至3.9K+100欧姆，在电阻大的部分并联旁路电容，电阻小的部分加入负反馈电压，不过负反馈电阻阻值也要相应减少，适宜于包括输出变压器的大回环电压负反馈）。
     ⑵计算第二级：Rp2100K，R’g取500K，在特性曲线Vp300V点和Ip300V/100K=3mA点画直线，与栅压-2V曲线相交，Ip为0.8mA，Rk2=2.5K，Vp2近似250V。
    Cc取0.1微法。Ck取33微法。
    Go=μRL/（rp+RL）  ，在第二个曲线图中可以查到rp≈65K，μ≈98，RL=RpR’g/Rp+R’g=100Kx500K/(100K+500K)=83.3K，
    Go=98x83.3K/(65K+83.3K)=55，两级总增益为28.2x55=1551。
    ⑶计算总电路闭环增益Gv  本机采用二级电压负反馈，从第二级屏极取得反馈电压，为避免高压直流，负反馈电阻与屏极之间加了隔直电容，负反馈电阻Rβ取690K，Rα（Rk）=4K ，β=4K/（4K+690K）=0.0058，Gv=Go/(1+Goβ)=1551/（1+1551x0.0058）=155。负反馈量NF=1/1+Goβ= 0.1=20db。
    2A3需要实际电压增益为159，因此完全能够满足要求。
    为了调节输出功率（音量）。在信号输入端还要增加一个100K指数型的电位器。
    上面讲的只是理论计算，由于电子管离散性比较大，因此实际制作中要加以适当调整，必要时还需通过仪器测试。




感谢白居不易兄！

硝化甘油

记号1有时间看!

guolei2002

专业，看不懂。呵呵！

虾米

版主转的帖子太及时了，收藏慢慢看。

LMZGD

多谢版主的分享.小弟也是在看猫画虎,哈哈,电路看得明,但怎么设计的弄不明,理论更加难懂,只有一点点理会.也是,装修师傅也是按图施工的,没有几个装修师傅是设计师的,初学者就不必在乎别人的看法了.对于很多朋友来说,能按图纸弄出一台机就是很开心的事啊

llzqq

顶，希望把直耦放大电路的简单设计也写一下啊。期待

BoYa_DIY

收藏学习!

lshjw

1# wlf


好

wuweiz

在胆艺轩看过此贴，对胆机造诣颇深的同志能专门写一些经验帖子，的确值得敬仰，而且题目设计的很好，慢慢学习

lirongxiang

这种贴子太好了

ahgh789

收藏下来，慢慢再学飞下。

好一口

学习了，仔细听课！

wanqq421

感谢版主，做个记号，随时查阅学习

照虎画猫

多谢LZ先收藏，有时间细读.

知了

谢谢斑竹，认真学习。

湛江白切鸡

好东西，正需要，现在才发现，谢谢楼主！

nuaaz

好东西啊