【再谈】R-C被动型电子管唱头放大器及基本计算

Gautau · 发表于 2009-12-18 03:27

小弟在这几个月才开始接触中文字的音响论坛，期间却发觉国内的中文论坛普遍有一现象，都很少会提及和讨论关于唱头放大器(主要有 RIAA、AES 和 Columbia . . .)，个人感到似乎可能是错过了黑胶唱片(LP Record)的辉煌年代吧？

而在那时，香港这弹丸之地却掌握了时代的脉搏，更贵的器材都可找到﹔当时大家都可玩个不亦乐乎！不过，近年黑胶唱片(LP Record)系统确已少了人玩，看来似是明日黄花矣！

可是，反观欧美各大小厂家仍十分踊跃，崭新的观念层出不穷，线路亦有别于传统的设计，更大量引入了胆石结合的概念(Audio Research 可算是始作俑者)，宛若百花齐放，令人耳目一新。

黑胶唱片系统确实使人既爱且恨. . . . . .

< 1 > 浪费金钱﹕初始的投资极大，唱盘、唱臂和唱头皆价值不菲，全套的中价设备便足可购买一部很不错的高价CDP(CD唱盘)了。还未计算前置放大器/唱头放大器呢！
< 2 > 浪费时间﹕单是学习调校唱臂便虚耗不少时间。日后还是要调校、调校、再调校。
< 3 > 损耗极大﹕虽然唱头／唱针有一定的寿命，但如偶一不慎将唱头“锄”在唱片上时更会两败俱伤. . . 唱头可不平宜呵，但绝版的天碟更属无价之宝也！
< 4 > 指标偏低﹕一切的技术指标都比平价CDP差，加上唱片、唱盘和前置放大器/唱头放大器所产生的噪音，确实令人烦燥不安。

看到黑胶唱片系统的缺点后，不知大家对这系统还会动心不？

究竟黑胶系统有何优点？

Gautau · 发表于 2009-12-18 03:28

1# Gautau

架仔（日本人）说﹕「原音の重现」 . . . . . . 一语足矣！

一部小小的唱头放大器，除了售价令人咋舌外，其内容更足以使人神魂颠倒. . .

元件方面﹕有电子管、晶体管和集成电路等等。
线路方面﹕单是电子管便有很多不同的设计，若再辅以晶体管或集成电路的话，更感花多眼乱，使人无所适从！
网络方面﹕有被动型和主动型等等。
电源方面﹕有用电池和市电，当然还有不同形式的电路设计和稳压电路。

元件﹕
除了间中会选用OP-Amp(集成电路)外，个人大多会采用电子管作主力，偶然也会将晶体管加插在线路内，以弥补电子管的不足(主要是节省成本)。至于纯晶体管电路，则玩玩便好了。

线路﹕
一些简单的设计(如共阴电路)，虽然只用上了三支电阻，但如经过细心计算的话，其实效果也会很好。

对噪音有要求的，会选用共栅电路，例如MC头的前-前置放大电路(Pre–pre Amp)。

共屏电路多用在低输出阻抗/大电流的地方(阴极输出)，或用在重容量负载的地方(SRPP)。

由于SRPP的设计本为电话系统所用，随后用于有线广播、再为有线电视而设(英国丽的呼声). . . . . . 当时仍在二战期间，英国的电台都会被德军炸掉，为免通讯再被切断，便只有采用有线系统。并非如一些简体字论坛所言，属日本大师所创. . . 因他们（日本大师）亦从未提及有此创作一事(他们当时可能尚未入学)。

在1000W或以上的有线系统中，SRPP可算是独领风骚，但若将SRPP作小信号电压放大时，缺点便较多，故又有μ-Follower(μ-跟随器)被找了出来应用。

μ-跟随器的失真较少，抗干扰能力也较强，但可惜多了一支负载电阻关系，电源供应的电压也较SRPP高，此乃美中不足之处。
ß-Follower(ß-跟随器)引入了晶体管作有源负载. . . 个人认为胆味减少了，须要小心计算才会好点。
至于串叠式(Cascode)，线性很好，噪音很少及不受米勒(Miller)效应所影响（頻应很高）。但其输出阻抗较高、讯号的摆蝠不够大(与SRPP比较)，。

其实单是阴极输出(Cathode-Follower)的线路已是五花八门，若加上如上述的各种不同设计，还不头大如斗？

Gautau · 发表于 2009-12-18 03:31

2# Gautau
网络（Equalizing Network）﹕

主要分Passive(被动型、衰减型)和Active(主动型、回输／反馈型)两种，但亦有混合型。

被动型(Passive Equalizer)的线路约有四、五款。在重播音乐时，其定位、三维(3D)、空气感和速度反应等等的表现为最好–即使RC电路的计算可能并不精准。另外，因没有了负回输的介入，故唱头输入端的阻抗十分稳定，加上前后两组放大电路都没有环路负回输，相移便可减至最少，致定位、音场、3D等等的优点都可表露无遗–但被动型的最大缺点只是讯噪比略为差点而已！

主动型(Active Equalizer)可分串连负回输和并联负回输。个人比较喜欢并联负回输，因其音色比较接近被动型，但可惜其输入阻抗受到环路所限制，不能太高。英国Quad 的22、33、44 . . . 便采用了并联负回输这一线路设计。
Quad 除采用并联负回输外，亦发展了前馈(Feed–Forward，正回输)，如405~909的Current Dumping。

混合型则取长补短. . . . . . 但却很易便会成为三不像。

电源﹕
有直接使用电池供电，亦有采用太阳能供电(须另设光源)，以减少从市电引入的干扰。

曾用NiMH AA 充电池10只，供应与灯丝(要串接电阻或恒流器件)，及经升压电路–整流及滤波后(EB = +400V)供应至4 x 12AX7 所组成的唱头放大级。可惜效果不太好(只能维持三两小时) . . . . . . 但此法确实可行。
除了上述稀奇古怪的意念外，主要仍须靠市电作电源供应。

电源牛(变压器)很难买到称心满意的成品，订制吧？在英国如要订制一只40VA牛，其价钱绝不平宜（抽头越多则越贵，虽然品质很好）。所以本人的机器大多用双牛，外面用一只低压牛(如12-13V，20~30VA，通常会用12V的枱灯牛)，机内用一细功率电源牛(6–15VA左右)反接，将12-13V 的低压升高至115/230V，再用不同的电压和整流组合，便可取得所须的高压，供应唱头放大级使用(此法最少可节省一半以上的金钱，也较安全)。当然，在有须要时，间中也会用到英国的Sowter牛。

整流管与胆机本为绝配，但造价较高，直热与旁热的音色又有不同，5Y3--直热，与6Z4--旁热的分别，只有两者都用过的才知道。

用整流子吗？硅(矽，Silicon，Vf=0.7V)、锗(Germanium，Vf=0.2V)、硒(Selenium，不知Vf为多少，只知Knee Voltage为0.5V)又应如何选择？

硒堆的线性度较佳，可惜寿命不长(发热量颇大)，也难找到。

Gautau ( RCA )_01.jpg (23.5 KB, 下载次数: 235)

Gautau · 发表于 2009-12-18 03:33

3# Gautau

未知国内肖特基二极管(Schottky Barrier Rectifier，Vf=0.3V)的发展怎样？因高压的仍然非常昂贵。
锗质二极管的音色与肖特基二极管有几分相似，较润，但更难找到. . . 不似矽质二极管般恶形恶相﹔矽质二极管中，超高速的会好点。

扼流圈(AFC、Choke)有常规的单组，也有双组绕制。可以的话，尽量采用扼流圈，因其储能特性颇强，用之不会令人失望。若不打算用稳压电路、而EB电压又过高时，采用LC 接法(电感输入)，既可获得较低的EB，又可起到稳压作用，更有较高的电流可供应用。

稳压电路方面，大致可分串连和并联两种。若有可能的话，尽量选用并联电路，效果会好些。

灯丝供应方面，因唱头放大电路的总增益已超过60db，若用交流电供应灯丝而没有交流声(Hum)出现的话，那么，这位仁兄便算是高手中的高手了！

Gautau · 发表于 2009-12-18 03:41

4# Gautau

Passive Equalizing Network(RCA/RIAA)
RCA 均衡网络 (又称RIAA / Orthophonic Equalizer) 的线路设计在五、六０年代便已出现﹕RCA 电子管手册的附录中也有实例记载。。。不过，近年却忽然被称为Tweety(Cartoon - 动漫中的金黃色小鸟) ！！？？

RCA / RIAA Equalizer 的计算方式与 AES Equalizer 中的 Lipshitz 算法不同，很难一击即中，即使其近期被称为Tweety，但仍未能够完全掌握到计算的方式。
幸好手头上有一些 AES 的文献，将RCA / RIAA的结果列出，利用其仅有的四个零件数值(但完全没有文字及算式)不停的推敲，总算将具体的计算方法找了出来应用。不过，过于吓人的算式若展示出来的话，便只会鸡飞狗走，使人趣味顿失！

AES所提供RCA/RIAA的数值
R1 = 9.79KΩ
R2 = 0.789KΩ
C1 = 300nF
C2 = 103nF

按照比例而成下面的数值
R1 = 293.7KΩ
R2= 23.67KΩ
C1 = 10nF
C2 = 3.4333nF

可惜在作模拟测试(Simulator, Spice)时，仍未及 Lipshitz (AES Equalizer) 那么精准– 只有将零件的数值逐少增减，再留意其频率响应、直至满意后才作推算。

下面是 AES 和本人(Gautau) 的计算，零件数值的改变不大，但最少仍有迹可寻。

AES (RCA Network)
R1 ( KΩ ) =239.70=2937/C1
R2 ( KΩ ) =23.67=R1/12.40811
C1 ( nF ) =10=Input
C2 ( nF ) =3.4334=C1/2.9126
R1 / R2 =12.4081
C1 / C2 =2.9126

Gautau (RCA Network)
R1 ( KΩ ) =293.7=2937/C1
R2 ( KΩ ) =23.6699=R1/((2937+78.18)/243)
C1 ( nF ) =10= Input
C2 ( nF ) =3.4328=C1/(2187/(750+0.75))
R1 / R2 =12.408148
C1 / C2 =2.913087

这网络（Equalizing Network）的设计与胆机非常合拍，即使线路的准确度不太高，但其表现也会中规中矩。

近年，很多大师都尝试用Tweety的数据来作计算，可惜仍未能有所突破，没法找出精确的计算方法和数值，诚憾事也。。。
经本人再三微调后，其结果总算好点﹕重要的关口为75μS、318μS、和3180μS已可做到误差最少了(还有 243μS、750μS、2187μS和2937μS 等等. . .)。

利用RCA/RIAA的线路结构来作 Pre-Amp 时，重现出的声底会较柔、暖，属慢声。它与 Lipshitz 的 AES 线路结构并不相同，声底也有显注分别 – Lipshitz 给我个人的感觉是冷艳，爽、”行”，属快声。

放大电路与均衡网络组合后，Equalizer 的数值会被改变﹕即理论值的均衡网络并不能直接使用，须再将各零件的数值再作计算，以配合输入级，才能使唱片中的讯号作正常的均衡和放大。

capture_11122009_214434.jpg (59.56 KB, 下载次数: 131)

Gautau · 发表于 2009-12-18 03:45

5# Gautau

【三极电子管放大电路】

通常12AX7/ECC83多被选用作电压放大级，因其增益大，灵敏度高，线性度也好。但缺点是工作电流小、gm低、屏内阻(ra)高，致声底偏慢和”软”(但却胆味十足)。

不过上述的缺点也不难解决: 如在每级放大后加上阴极输出(Cathode-follower)、选用 SRPP 或 μ-跟随器 (μ-follower) 电路也成. . . 但声音会偏快和”行”(可是胆味少了)。

从特性曲线找出合适的工作点﹕
( 1 ) 定出电源电压EB和屏极电阻Ra，再计算屏流Ia。 Ia = EB/Ra=250V/100KΩ=2.5mA。
( 2 ) 在特性曲线的水平方向(EB，X-轴)找出250V ，及垂直方向(Ia，Y-轴)找出2.5mA。
( 3 ) 在250V及2.5mA两点处划上负载线，与曲线群相交的地方处，选取电子管的工作点-Eg(选1.5V)。
( 4 ) 在1.5V 曲线与负载线相交处，可找到屏压Ea=173V和屏流Ia=0.77mA。
( 5 ) 在173V处绘一垂直线，在-1V及-2V处各绘一水平线，记下Ia的读数(1.68mA及0.28mA)。
此时，Ea保持不变。

计算﹕
gm = d Ia / d Eg = (1.68 – 0.28) / (2V - 1V) = 1.4mA/V
ra = μ / gm = 100 / 1.4 = 71.43KΩ

12AX7 / ECC83 的基本数据
放大系数μ = 100
互导率gm = 1.4mA/V (1.6mA/V ← 书载)
屏内阻ra = 71.43kΩ (62.5KΩ ← 书载)
屏-栅容量Cag = 1.6pF
潜布容量Cstray = 6pF ← 估计

Gautau ( RCA )_04.jpg (212.91 KB, 下载次数: 84)

Gautau · 发表于 2009-12-18 03:47

6# Gautau

12AX7 放大电路的基本计算﹕

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Gautau · 发表于 2009-12-18 03:51

7# Gautau

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Gautau · 发表于 2009-12-18 03:54

8# Gautau

( 2 ) Co 及 Rg'放在均衡电路之后

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Gautau · 发表于 2009-12-18 03:59

9# Gautau

12AX7 输出级的计算（Gautau）
以〔Co 及Rg'放在均衡电路之后〕为例﹕

讯号经第一级放大至 33.99db(50倍) 后进入均衡网络，但Equalizer 会将讯号衰减 21.65db (12.1倍) ，致实际的增益跌至只有 12.34db(4.14倍) ，实不足将3~ 5mV的唱头讯号放大至550mV供Line Amp使用。
在考虑须有550mV的输出(美式规格﹕其输出的音量与CDP持平)，第二级的增益应约为
20*log (550/4.7)–33.99db+21.65db=28.5db
除了增益方面，输出阻抗 (Zo) 亦要留意﹕一般Line Amp的输入阻抗通常为47KΩ，但见过有搞事之徒蓄意将Line Amp的输入阻抗减至极低(非标准)的4.7KΩ！这会对电子管的线路十分不利 – 当然亦有办法应付﹕多设一阴极输出级即成(唯噪音便会增加)。

经过计算后，这线路的增益为﹕
33.99db – 21.653db + 29.81db = 42.14db （127.94倍）
以550mV为满度输出时，唱头的输入电平应为﹕
550mV / 129.94 = 4.3mV

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Gautau · 发表于 2009-12-18 04:03

10# Gautau

线路中各零件的作用及细节﹕
这电路结构虽然简单，但效果不差，值得一试﹔况且所费无几，但最少可一尝黑胶唱片的滋味与音色，更有大量的摩改空间，可不断提升DIY的层次和乐趣。

输入端的R101、C101(47KΩ // 150pF)为唱头的负载匹配，适合大部份的MM（动磁）头。但如唱头为 MI (动铁)头的话，便可能须要更改数值(如24~33KΩ // 200~360pF)。但MC(动圈)头则无能为力了–因增益不足也！

串接在栅极的1KΩ(R102和R202)是防止放大电路的自激振荡，虽有相移出现，可幸人耳并不会察觉–界外利益是高、低频都会比没有1KΩ时好些。但仍须紧守输入和输出的零件不要过于接近，及须互成90°。
阴极电阻R103、R203的数值改细时，热噪音(Thermal Noise)及散弹噪音(Flicker Noise)会增加，加大阴极电阻的数值则减少–但须留意此时屏内阻ra会升高（因屏流被减少）。

为稳定放大级的增益和频率响应，这电路的阴极电容C103、C203算出来的数值，会比常规电路大很多。

网络中的电容尽量不要用圆桶型，因其微音效应极大﹔陶瓷圆片电容也尽量不要用(Q值问题)﹔PP和(银)云母电容较佳。电阻选用一般的1%金属膜可矣！

由于12AX7的内阻ra较大，故屏极电阻Ra(R104、R204)不宜高于150KΩ，因会将频应进一步劣化。
第二级的输出阻抗已较高，故不宜用过长及大容量的讯号线(不过声音却又会润一些！)。

每只滤波电容处都可并接10 ~ 100nF的薄膜电容，使直流供电更加干净。
地线方面，可用传统的一点接地﹕由电源开始，用一粗铜线从后级往前级，所有接地零件全部往粗铜线处焊接，然后在输入端的RCA插座处接往机壳。
但也可用星形接地 . . . . . .

Gautau · 发表于 2009-12-18 04:06

11# Gautau

胆机的过载能力极强，这线路的灵敏度虽然很高(4.3mV输入便有550mV的满度输出)，但对于一些输出强大的唱头(如 Decca London ，在未更改匹配电阻及电容前，可达1100mVp-p)，仍然面不改容，照样放大而毫无惧色，更不会因过载而将讯号削波，这与 OP-Amp 数百mV 的所谓宽容度和动态，确实无法比较！
更加吓人的是，胆机的输出随时可达数拾V，这亦是石机所不能企及！
当然，石机也有不少优点，例如强大的电流输出(力度的表现)，此亦属个人坚持胆前石后的原因，将来有机会时会再作讨论。

由于下面的截图内漏了- 现补回﹕阴极电阻R103、R203 各用两支3.9KΩ并联即可。
另: 第二行的应为 R2' = 33kΩ // 91KΩ，烦请留意。

Gautau ( RCA )_08.jpg (62.42 KB, 下载次数: 89)

Gautau · 发表于 2009-12-18 04:09

12# Gautau

星形接地﹕
先在每级管座处焊好所有接地的零件，在两级中间用粗铜线 (勿用黄铜条) 落机壳，并引一粗线往电源(高压EB也一样做法)。第一级的地线也接一条往RCA输入插座处(但插座须与机壳绝缘)，再在插座处穿上一介子形的瓷片电容(约10nF)，靠用镙丝母往机壳收紧。若找不到介子形瓷片电容的话，则普通叠层电容也可，但引线(脚)要尽量剪至最短。

Gautau ( RCA )_09.jpg

Gautau · 发表于 2009-12-18 04:14

13# Gautau

电源供应﹕
灯丝电源的计算
由于电源变压器的输出只有12V，恐防采用矽整流子后，因电压降较大而不足以令7812 作正常稳压，由于二极管的导通电压为0.7V，而每半周有两只二极管导通﹕
(12V-0.7V*2)*1.414*0.98=14.688V

而 Schottky Diode（肖特基二极管）的导通电压为0.3V，即输出的电压为﹕
(12V-0.3V*2)*1.414*0.98=15.79V（空载）
电流为﹕
(20–6)VA/12 x 0.55 =0.64A (英国牛可用 x 0.62)

高压电源的计算
本线路采用全波倍压工作，取其内阻比桥式接法更低。
请留意﹕此电源牛本亦可作桥式接法，并可用230V来工作。

整流后的高压为﹕
115V*2*1.414*0.98=318.7V（空载）
电流为﹕
6VA/230V x 0.55=14.3mA (英国牛可用 x 0.62)

本电源电路可供应至四只12AX7 或2 x 12AX7 加2 x 12AU7 使用。

Gautau ( RCA )_10.jpg (54.79 KB, 下载次数: 68)

Gautau · 发表于 2009-12-18 04:19

14# Gautau

本线路与原装RCA线路比较﹕
下图为50年前的线路设计，但另再绘画的 (并非用原装图) 则常在国内论坛出现。这电路与本人所持有的略有不同﹕C6为3.3nF，但这图的C6为3.5nF。

RIAA是以RCA为首，而RCA除生产电子管外，更属唱片业的先驱，绝不可能出错！不知是否由于50年前才开始有立体声唱片，而当年的设计观点与现在的有不同？

C6的数值似应为3.3nF，因手上的资料较新(RCA电子管手册购于1964年- 新版）。

RIAA (RCA) Equalizer
R 6 = 470KΩ
R 10 = 22KΩ
R 8 = 680KΩ
C6 = 3.5nF/3.3nF
C7 = 10nF
C3 = 100nF

输出端并接了C8(180pF)，看来似乎想将高频作衰减. . . 因不论实践或作模拟测试，高频的幅度都比正常的大些，或想刻意将高频抑制？
RCA的线路较重视噪音的处理，虽已用了低噪音电子管7025，但仍将屏流減低。
阴极电阻选用2.7KΩ (Ia=0.55mA) 的原因是欲减少管子的散弹噪音。
因屏流降低关系，故其屏内阻ra会稍比上例(12AX7) 高点，ra约高500Ω左右。

由于R6(R1')用了470KΩ，致中频段被过度压缩，听起来便似加上了响度补偿(Loudness) ，此时中音会较蒙，低频量多但松散、较肥。

多年来，这RCA线路本人曾装磡过不少. . . 以前从未觉有任何问题 -- 但自CDP面世后，与同曲目的 CD 作 AB 比较之下，便知有上述问题出现，须将网络改动才可避过此劫！
虽已作大幅度的改变，不过其声底依然较柔，与 Lipshitz(AES 网络) 的刚、”行”仍有分别。

噪音﹕
分热噪音(Thermal Noise)和散弹噪音(Flicker Noise)。碳质电阻有热噪音和散弹噪音、金属膜有散弹噪音、线绕电阻有热噪音，在选择电阻时须多加留意。

Gautau · 发表于 2009-12-18 04:22

15# Gautau

RCA 唱头前置放大（原装）线路两张﹕

Gautau ( RCA )_11.jpg (83.7 KB, 下载次数: 95)

Gautau · 发表于 2009-12-18 04:27

16# Gautau

十五页纸的文字全部上传完毕，谢谢各位忍耐等待。

最后的RCA线路图，乃小弟多年的珍藏- 因正本仍留在香港；廿多年了，可能已不知所踪矣！

希望各位踊跃参与及积极讨论，使小弟有所得益。

这帖在开始作整理时，已决定放在中、港、台三地不同的论坛处，以便有更多的学习机会。

台湾的水平比想像中还要好 . . . 真的很高！

mcr125cc · 发表于 2009-12-18 11:32

坐头位听课

开心果 · 发表于 2009-12-18 11:55

Gautau 前辈，你好！好久不见了。
原来有新东西，漫漫学习了。

冷酷 · 发表于 2009-12-18 19:40

唱放已在计划中，不可多得的好资料，正好认真学习一下，多谢了！

[经验心得] 【再谈】R-C被动型电子管唱头放大器及基本计算

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