关于放大器的二三事——谈谈静电耳放的设计与制作

梼昧狂客 发表于 2017-11-20

目前论坛上对于耳放的讨论不少,但涉及放大器构架和一些技术细节的并不多,事实上放大器这个词所包含的产品种类是十分丰富的,其中既有HIFI玩家所熟悉的音频放大器,也有我们经常用到但却基本不了解的射频放大器。但即使是熟悉的音频放大器,从某些层面上说我们对于他们的理解也是存在不足和误区的,这就造成一些错误的解读和认知,比如胆味到底是什么,是否一定是电子管机才能有胆味,如何判断一款放大器能否驱动某耳机/音箱,体积硕大价格高昂的放大器里面到底有什么。类似的问题还有很多,而且这些问题恐怕不能简单的依靠看听感评测来解决,从这个角度来说,适当的了解一下放大器的设计结构和制作过程对于我们选择放大器是很有帮助的,今天我们就先谈一谈耳放中的冷门贵族——静电耳放。



静电耳放是诸多耳放中比较少见和冷门的一类,毕竟目前世界上仍以静电耳机为主力产品的厂商只剩下日本STAX了。然而静电耳放与之相关的讨论却很多,这里面原因很多,简单地说就是——耳机不贵、耳放有低价替代品、高端有森海和MSB之类的产品扛旗。但相比其他的放大器来说,静电耳放在设计上有很多特殊的地方,最典型的就是输出功率,动圈/平板耳机所用的耳机放大器一般都会标明对应某个阻抗的输出功率,但静电耳放则没有这个参数,只会介绍输出电压摆幅,这就造成了一些误解,比如某款耳放能否驱动009耳机,实际上这也是可以计算的,只不过计算的方法和要求下限与动圈耳放不同。而造成这些差异主要是由于静电耳机系统与动圈耳机系统有三点不同:1.负载类型不同,2.驱动方式不同,3.电路构架不同。


静电耳机结构示意图如下(图片选自网络)。

从图上可以看到,静电耳机不存在音圈组件,振膜夹在两片极板中间,依靠电荷吸引驱动振膜产生振动发出声音,这种结构就造成静电耳机不同于动圈耳机以电阻负载为主,其标称阻抗较高同时具有不可忽略的容性负载(STAX 009标称阻抗145K ohm 负载电容110pf 包含线材),这也是为何一般静电耳放不会注明输出功率,只会介绍输出电压。容性负载的问题其他耳机也有,但一般动圈/平板类耳机所用耳放是不需要考虑的,而静电耳放就必须注意这一点。

由于单元结构和负载类型的不同,静电耳机需要不同于动圈耳机的驱动方式。早期由于元器件参数的限制大多采用变压器驱动(目前有一些转换器仍然是通过变压器转换的),较高的标称阻抗使其对于电流的要求并不高,我们经常会纠结一个耳放能否驱动某款耳机,对于动圈耳放来说可以看输出功率,也可以看输出内阻和阻尼系数,对于静电耳放来说则需要计算另外一个参数——我称之为最低静态电流


公式如下:I=C*U/t,C为官方给出负载电容,U为耳放标称输出电压峰峰值(P-P),t为时间,对于20KHz信号,t=25μS。


根据这个公式计算,我们可以知道,无论是007还是009所需要的最低静态电流都不大,而且007的电容量低于009,其对于耳放电流的要求只会更低。那么为什么大家还会追求那些高电流的放大器呢,这里面有两个原因。一方面由于很多玩家对放大器并不了解再加上一些文章的宣传使我们误认为静电耳放和动圈耳放/功放一样,静态电流越高甲类功率越大音质越好。另一方面目前流行的一些高端静电耳放输出管都采用大功率高耐压类型的器件,比如BHSE所用的EL34强放管,再比如KGSSHV CARBON所用的C2M1000170D碳化硅大功率管,每一个器件都有最佳的工作区间,大功率管工作于mA级电流时线性较差,为了使其工作点处于线性优良的区间就必须选择较大的静态电流,与之相反,STAX所惯用的6CG7是小功率管,所以其静态电流设定较低(但这也并不意味着静电耳机一定需要大电流驱动,具体原因后面分析)。

目前主流的静电耳机多采用双极板设计,这就需要放大器提供双端输出,由此造成静电耳放从电路形式上看更接近全差分放大器——双端输入、双端输出,也就是平衡驱动,然而这与动圈耳机的平衡驱动不是一回事。

动圈耳机的平衡驱动也分几种,目前主流的设计是每声道使用两组同样的放大模块驱动一个发声单元,严格的说应称之为BTL驱动(中文翻译称之为“桥接”)而不是平衡驱动。这种设计最初的目的是增大输出功率,使用2倍的元器件获得3倍的输出功率,对于一些大功率、超大功率放大器来说,这种连接方式或者说电路构架是很常见的。但对于耳机来说是否有必要,其实是值得商榷的。


介绍完这几点我觉得他们之间的逻辑和关系就很清楚了,本质是静电发声单元的结构设计与动圈耳机不同,由于结构不同所以负载类型不同驱动方式不同,由于以上两个不同,所以就需要专门的放大器来与之匹配,也就是我们今天要说的静电耳放。



目前静电耳放可选择的产品不少,但从本质上说很多型号都可以看做是STAX耳放电路的变种,电路构架是一脉相承的,也可以说他们的差异并不是谁的电路构架更先进更复杂,所以不用纠结谁抄谁的这个问题,或多或少都是有STAX的影子(并非全部第三方耳放),而STAX所用的电路构架也并非独创。第三方耳放与STAX耳放相比真正的区别是细节——谁的细节做得更好更合理更完美,这个说法不仅适用于静电耳放,对于动圈耳放甚至功放同样也是正确的。


说回到STAX,从STAX SRM-T1开始,STAX诸多机器都采用了Folded Cascode(折叠沃尔曼)+电子管共阴极放大的设计,其中最新款是SRM-007t II,这也是STAX最具有传承和代表性的设计。与之相对的是另外一种是见于SRM-1MKII的Cascode化的两级差分构架,一般都出现在STAX纯晶体管机器上,这个电路并没有什么太值得讨论的地方,就不再详谈了,下面是这两台机器的电路原理图。


STAX所用并被广泛借鉴的Folded Cascode构架既是目前商品化机器的主流也是DIY制作者所热衷的选择,典型代表是Kevin Gilmore的KG系列静电耳放。他的耳放设计源于STAX,但有所改进,由于他的设计比较多要理清顺承关系可能比较复杂,下面我们用一张图来说明STAX和KG之间的关系(大略关系,具体一些细节改动未标明)。

附带几张具有代表性的电路图,分别是KGDT、KGSSHV CARBON、KGBHV6、T8000


通过这些介绍我们可以发现KG对于STAX设计最重要的改进有两点——1.增加恒流源负载,2.修改输出级结构并引入新型器件。而这两点归根结底是建立在新型器件的基础上,换句话说,如果我们今天再做STAX T2这种耳放,电路上会有所简化,因为你既不需要通过串叠晶体管获得较高的耐压也不需要通过并联晶体管获得较大的电流,而这都是得力于新型器件的推出。除此之外,KG还给出了一套放大器对应的稳压电源,但这个并没有什么太多值得说的地方,毕竟,除了T2之外STAX原厂电源设计只能用简陋来形容。


STAX的经典构架是两级差分放大,差分放大输入输出信号是反相的,两级差分放大可以解决相位的问题。由于串叠沃尔曼这种电路构架不太常见,所以不太熟悉的朋友可能会把他看做三级放大,实际上这个构架在运放中很常见,比如著名的低噪音运放AD797就是如此(见下图)。

输入管使用JFET,早期版本常用孪生管,后期不再用孪生管,但有热耦合处理。最新的T8000改用电子管6922替代JFET,原理是一样的,只需要提高供电电压从新设定工作点就可以了。TVR1是中点平衡调节,通过改变流过差分管两臂的电流实现电路调零,通常调试的时候建议先调TVR1。不过JFET差分输入的设计其实是有待商榷的,尤其是当你选择直通接前级的玩法时,未必能得到很大的提高,这里面就有一部分是JFET本身的特性的原因。与音频用低噪音高β晶体管相比,JFET跨导低Vgs误差大,而且接前级这种低阻抗信号源时噪音特性较差。虽然你使用前级优秀的音量控制功能,但对于耳放来说其实你只是短接了电位器而已。如果对合并式放大器或前级有了解,你就会发现,大多数高品质放大器并不会将信号直接输入主放大电路,外部信号输入后会有缓冲电路负责阻抗匹配和信号缓冲,无论按照传统意义的直通还是现在主流的直通定义,短接电位器和直通都不是一回事。

输出部分是传统的三极管共阴极差分放大,STAX使用电阻作为屏极负载,KG使用恒流源作为屏极负载,这两种不同的接法对应的是不同的负载线(参考下图)。

从图上我们可以明显的看出,这项改进的意义是非常重大的,同样的供电电压,使用恒流源负载可以获得更高的电压摆幅,我们只需要设定一个合适的静态电流使正负向电压摆幅相等即可,对于电阻屏极负载来说,这个工作点是难以同时照顾正反向电压摆幅的,但恒流源负载就相对简单。


这里值得一提的是KGSSHV CARBON的输出级设计,这个设计中输出级部分是Cascode化的差分放大,所谓的CARBON指的就是共栅极(共基极)放大部分所用的C2M1000170D碳化硅管,GG的设计与之同源,只不过用三极管接法的EL34替代C2M1000170D。但这种Cascode化的电路能带来多大的好处也是需要商榷的,如果从输出内阻的角度来说,早期的KGSSHV和STAX新品T8000所采用的射极输出更有优势,只是电路上更复杂一些。



以上就是对于电路部分的一些分析,原理说明白了,怎么做也是个问题,作为一个实战派,下面我就谈一谈我对制作静电耳放的一些看法和心得。


电路设计与选材用料

电路构架我采用经典的二级差分结构,折叠沃尔曼电路输入,电子管共阴极差分输出,屏极负载采用串叠恒流源。电路很简单,但有很多要说明的地方,我们首先分析折叠沃尔曼电路中的输入差分对。

输入电路通常要求线性高失真小稳定性高,根据前文的分析,JFET管尽管听起来比较HIFI,但在实际应用中有很多的限制,使用专为音频应用设计的低噪音高β值BJT管是一个很好的选择(注释1),且输入管需要进行精密配对和热耦合。使用恒流源作为集电极和发射极负载也是常见的做法,不需要特殊说明,但有一点要额外注意,差分对射极电阻应使用高精度低温飘电阻(注释2)。为了进一步优化线性,将输入差分部分Cascode化并引入自举,这种设计可以使输入管工作点稳定。差分对电路不需要盲目增大,过高的差分电流可能会引起噪音增大,亦可使用多对管并联负责差分放大,不过该做法同样有利有弊(注释3)。折叠沃尔曼共基放大的部分需要承受较高的电压,应使用耐压较高的晶体管,但同时,高耐压大功率晶体管不可避免的存在极间电容大、工作频率低、HFE低的问题,所以在选型是应尽可能在保证稳定性的同时大胆选择耐压较低的型号(注释4),设定工作电流需参考晶体管特性曲线,并根据具体情况选配散热器(注释5)。共基放大部分集电极负载是一个比较特殊的电流源,其基准电压也是输出管的偏置电压,在STAX的设计中,通常采用晶体管自身Vbe作为电压基准,KG则只用电阻分压产生电压基准,从稳定性上讲,STAX的设计更为稳定,但最好使用孪生管,最次也需要对晶体管进行配对。

输出电路是较为传统的屏极输出,从输出内阻的角度来说,这种做法并没有什么优势,也可能是出于这个原因,STAX在T8000的设计中额外加入了射极输出,但这种设计也有它的问题,放大级数越多相移和失真就越大,也许正是由于这个原因,KGSSHV有射极输出,但后期的CARBON版反而没有了。所以不能一概而论,如果对动态瞬态之类的要求较高,建议尝试射极输出的设计。


(注释1:在这里要说明一个误区,很多玩家会强调使用某些特殊型号晶体管来获得某种特别的音色,但对于小信号放大管来说,更换不同型号器件似乎与整机调音并没有决定性的联系,名机不同时期也会换用不同型号的晶体管,但在调音上却能够保持一致。)

(注释2:很遗憾,这里说的电阻并不包含那些DIY作品中常见的HIFI电阻,尤其是DALE电阻,同样的体积不同的后缀参数差异很大,而且在众多大型器件商推出的电阻中,无论精度、温飘、耐压、功耗还是性价比,DALE电阻都没有明显的优势。)

(注释3:该做法常见于日本Accuphase的放大器,建议使用低功率小封装晶体管,每管均需配备独立射极电阻,性能较好,但布线相对繁琐,且器件有一定的配对要求。)

(注释4:对于配备稳压电源供电的静电耳放,晶体管选型时可适当降低耐压要求,如无稳压电源,应注意由于市电波动带来的问题。)

(注释5:晶体管功耗较高时不可避免的需要选配散热器,但不能忽略器件—散热器—机壳/GND之间的电容,如有可能尽量使用板载式散热器,并与GND隔离。)



确定电路之后就可以开始元器件选型和绘制PCB了,前者是很多DIY玩家都很热衷的一件事,后者很多时候是被忽视的,或者说很多情况下PCB板的重要性没有得到足够的重视,无论是PCB板的材质还是具体走线的设计,对声音的影响大于任何一个器件。不过与元器件选型相比,PCB缺乏一个统一而明确的指导,很多时候是依赖具体实验和设计经验,下面简单地说几个常见的原则——电源走线接口与信号走线接口尽可能远离,信号输入输入接口也应当远离,双电源供电时正负电源尽可能贴近。减少元器件之间走线距离,就近合理排布元件,不能为了外观牺牲走线。地线铺铜需要慎重,保证单点接地,交流走线与直流走线分开,必要时考虑飞线(电子管灯丝供电部分)。

工程机主放大板实物

元器件选型的问题也是一个不太好说的问题,STAX的产品中主要使用薄膜电容和0207封装的贴片电阻,再加上电路都差不多,排除增益的区别,声音风格都差不多。第三方耳放中用料比较杂,每个系列的风格都不一样,KG类的机器用直插元件较多,不同的调音主要依赖电路构架和增益设定,MEGA是个异类,由于使用了较多的耦合电容,调音上电容染色的成分更大一些,ELE内部使用了电感类元件,也可以看做依赖器件调音的机器。


对于我来说,我比较推崇电路构架调音,因此元件选型上并不需要纠结,对比器件参数就可以了,这里也有一点误区需要纠正——不要认为所谓的HIFI款器件就一定优于那些不标称适用于HIFI的器件,关于这个问题在《音频功率放大器设计手册》中有详细的测试和论述。电阻可以看精度、温飘、功耗、材质,电容可以看ESR、ESL、涟漪电流、放电速度,但无论哪一个参数都很难和听感构成直接且毫无争议的因果关系。

放大器的制作加工相对比较简单,各类放大器的布局通常都有成品范例可供参考,虽然布局不同参考价值不高,但不管怎么做,都要遵循基本的几项原则——简洁、稳定、无干扰。



运用之妙存乎一心,对于音频模拟放大器来说,这点尤其重要,以上我所说的那些只是我的个人理解和心得,今天我做讨论的静电耳放也不过是音频模拟放大器中的一部分,可以讨论和研究的东西还有很多,我们回头再聊。

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  • the_light

    2017.11.21

    分区版主

    很好的技术贴,学习了。

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  • JOY_GoGo

    2017.11.21

    只能看懂喜万年,我前级上的5670用的是这个牌子的。

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    梼昧狂客 回复 JOY_GoGo

    在美国大型电子管供应商中,喜万年不仅是电子管制造商,也是电子管原材料供应商,很厉害的一个厂牌,管子超级全

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    JOY_GoGo 回复 梼昧狂客

    主要是性能还可以 价格也便宜 用炒的老贵的某德味或英国味玩DIY有点不值。如果是古董厂机感觉才有必要用一下高档管子……

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  • ScoFildsh

    2017.11.21

    分区版主

    狂客总这下带动了一波hiend的科普文系列。

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  • 若然1812

    2017.11.21

    收藏了!

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  • iD3

    2017.11.21

    看好楼主的作品,期待试听。

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  • 平井老哥

    2017.11.21

    T8000刚推出,不知道到底有多少水准。期待楼主的作品。

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  • apple

    2017.11.20

    辛苦了。。。同看不懂 做出来声音希望hiend!

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    梼昧狂客 回复 apple

    HI-END就是任重道远的事情了,其实相比于动圈耳放/功放/前级之类的,静电耳放相对简单一些。限制静电耳放发展的主要是器件,需要同时具有“高耐压、小电流线性好、功耗高”这三点,这就只能期待器件商的进步了,事实上近些年来STAX一直不推出T2耳放的继承者可能也是由于这个原因,同时满足这三条太难了,目前来看,比较靠谱的期望是使用KT150之类的新型高压大功率电子管制作静电耳放(国外貌似展出过845制作的静电耳放)。

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  • pws

    2017.11.20

    好复杂 看不懂 不过写的那么仔细 辛苦了

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    梼昧狂客 回复 pws

    这类文章对于大多数玩家来说并不必要,但了解一下相关信息对于选择合适的放大器还是很有帮助的,比如静电耳放到底需要多高的驱动电流和驱动电压,这些都是有理论依据的,尤其是对于盲狙放大器的朋友来说,听不到的情况下事先多了解一下参数很有用

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  • wu_wo

    2017.11.20

    管理员

    支持技术文章。

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