电压放大级的失真

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许多无线电设计者所发表的各种低频放大器的线路,有的失真度仅在1%以下。设计者在设计时,强放输出级的失真度,可以从电子管手册中查到。因此要设计一个比较理想的低失真度的强放输出级并不太难。

不过在设计推动功率输出级前面的电压放大级时,电压放大级的失真度多少就成为一个问题。尤其在利用不同的输出电压、屏极电压、屏极负荷电阻、偏压电阻的情况下,要回答这个问题就更为困难。

一般电压放大级大多采用三极管或五极管。所以以下所谈的也仅限于普通常用的几种三极管和五极管。

图1是四种三极管在各种输出电压时的失真度的比较,失真度以百分率表示,输出音频电压以伏表示。这是一种用电阻交连式的电压放大级,作比较时乙电压都用300伏。

图1
图1 🔍原图 (541×1009)

曲线Ⅰ是6SN7的每组三极管的失真度曲线,屏极负荷电阻R\(_{L}\)是47千欧。偏压电阻RK是2.7千欧,得到的电压增益是14。

曲线Ⅱ是6SL7的每一组三极管的失真度曲线,R\(_{L}\)是220千欧,Rk是3.9千欧,得到的电压增益是45。

曲线Ⅲ是6C4的失真度曲线,R\(_{L}\)是47千欧,RK是2.7千欧,得到的电压增益是11。

另一类型如9002小型电子管的失真度近似 6SN7,电压增益是16。

在选用负荷电阻时,再考虑到电子管的放大系数。为了保持6SL7的高屏阻,所以屏负荷电阻是用220千欧。

这几种电子管中, 比较以6SN7最优良,当音频电压输出为20伏时,失真度为1.3%(20伏电压输出是推动6L6作甲类放大时的必需数值)。50伏输出时失真度为3.5%。6C4比较最差。6SL7是在两者之间,比6SN7差些;但比6C4好些。

6SL7的下级栅漏电阻如用得太低,则品质将大大降低。而且,如将乙电降低时, 则6SL7也将逐步比6C4差。但是,当屏压略有不稳,由于6SL7的屏流小,因此屏极电压波动的影响,6SL7比6SN7要少。在一般情况下,低失真度和高放大系数相互矛盾,放大系数低,失真度也低。如将阴极傍路电容器省去不用,失真度更低。

图2表示下级栅漏电阻数值和失真度的关系。用6SN7的一组三极管作例,曲线Ⅰ栅漏屯阻R\(_{G}\)用100千欧;曲线Ⅱ是RG用470千欧。乙电都是300伏。其他条件也都一样。但是在20伏输出时,RG用100千欧要比用470千欧时失真度大。100千欧时失真1.6%,470千欧时失真1.2%。在45伏输出时,用100千欧有4.6%的失真, 而用470千欧时有3%的失真相差约半倍。而且,在70伏输出时,失真度相差约1倍。如另换其他型号的电子管,结果将略微不同。

图2
图2 🔍原图 (533×877)

很多低频放大器的设计者喜欢采用6V6或6L6作强放级,栅漏电阻采用100千欧或50千欧。这是为了防止推动级输出太大,过荷时产生失真,并且使过荷时的曲线较为平滑。当电压放大级的输出电压低于40伏时,栅漏电阻采用较低的数值,虽将略微增加电压放大级的失真,但是对改善强放级推动力过荷时的品质还是合算的。因为推动强放级过荷后所产生的失真度,比电压放大级的失真度大些,而且音质大大下降。

图3是用6SN7的一组三极管,在省去了阴极傍路电容器后和用阴极傍路电容器时的失真度的比较。当输出在40伏到50伏以内,这是在直线放大部分。用阴极傍路电容器比不用时失真度大一倍左右。当输出电压达到75伏时,失真度都很大。这时用不用阴极傍路电容器两者差别不大。在比较时,乙电用300伏,屏负荷电阻是47千欧。阴极偏压电阻是2.7千欧,下级栅漏电阻是100千欧。

图3
图3 🔍原图 (599×601)

省去了阴极傍路电容器后,失真度虽然可以降低,但是电压增益也相应地降低。当不用阴极傍路电容器时的电压增益,可用下列公式计算:

A'=A(1+R\(_{k}\);RLA),A'=不用阴极傍路电容器的电压增益,A=用阴极傍路电容器的电压增益,R\(_{K}\)=阴极偏压电阻,RL=屏极负荷电阻。

从上列计算可以得到一个结果,即采用正确合理的偏压电阻和屏极负荷电阻时,不用阴极傍路电容器,则电子管的电压增益将比用阴极傍路电容器时降低约一半左右。

因此对有些只要输出电压较低的低频放大器,可以省去阴极傍路电容器。虽说电压增益降低,但失真度也减少了。对于要求电压增益较大,低音音质柔和动听,就宁可略增失真而采用较大容量的阴极傍路电容器,一般常用25微法至50微法。

图4是三种常用五极管的失真度曲线,在比较时,乙电源是300伏,屏负荷电阻100千欧。图中曲线Ⅰ是6AU6的失真度曲线,阴极偏压电阻R\(_{K}\)是1千欧,RD是270千欧,得到的电压增益是140。

图4
图4 🔍原图 (553×1137)

曲线Ⅱ是6SJ7的失真曲线,R\(_{K}\)是820欧。RD是470千欧,得到的电压增益是90。

曲线Ⅲ是6J7的失真曲线,R\(_{K}\)是1.2千欧,RD是470千欧,得到的电压增益是80。

在选用屏负荷电阻和下级栅漏电阻的数值时,要考虑到高音和低音的音色。如屏负荷电阻和下级栅漏电阻的数值太大,不仅失真增加,并且高音容易截割。例如: 6SJ7的屏极负荷电阻为500千欧时,5000周以上的高音就被截断;而屏负荷电阻用100千欧时,高音可达20,000周。故选用屏负荷电阻时不得不考虑失真度和高低音的放大性能。

这三种常用的五极管中,以6J7的品质比较最好。总的来说,五极管的失真度比三极管大,和屏负荷电阻数值大小的影响也大,音色不及三极管,而电压增益则比三极管大许多。

另一种小型管9001的失真度近似6J7。但是在有些电路中也近似6AU6,电压增益是85。

图5是剖相式倒相器,这是利用三极管的屏极和阴极电位相差180度用来作为倒相。它的优点是:失真度低,电路简单和平衡恒定。但是缺点是不仅不能把输入电压放大,相反地反而缩小了。这种电路的失真度在输出电正不足40伏以下时,可以保持在1%以下。但是超过40伏后,失真度就陡峭地上升。这种特性和其他跨接式的倒相器是不同的。

图5
图5 🔍原图 (625×1089)

有时候设计者在第一级的屏极和倒相级的栅极间采用直接交连,但是这并不是最好的方法,尤其是第一级的输出电压较高。

当乙电压不同时,电子管的失真度也不同。乙电压过低,会造成很坏的结果。失真度是随乙电压的高低互成变数。

图6是用6SN7的一组三极管,在150伏至350 伏不同的乙电源时试验而得的失真度曲线。在150伏乙电压时;如输出音频电压是25伏,失真度约4%;如乙电压为300伏,输出音频电压为50伏,失真度也是4%左右。同样输出电压都是30伏,乙电压150伏时,失真度4.8%,而乙电压300伏时,失真即下降为2.4%。所以采用较高的乙电压可得较低的失真度。

图6
图6 🔍原图 (533×1089)

在选用屏负荷电阻和阴极偏压电阻数值时,往往考虑到选用较大数值时对失真的影响究竟如何。

图7是表示用6SN7的一组三极管作试验。采用了差异很大的屏负荷电阻和偏压电阻来互相比较。

图7
图7 🔍原图 (523×909)

曲线Ⅰ是屏负荷电阻RL用47千欧,阴极偏压电阻RK用2.7千欧; 曲线Ⅱ是RL用 220千欧;RK用10千欧。虽然曲线Ⅰ比曲线Ⅱ好些,但两者失真度的差异是很少的。

三极管屏负荷电阻的大小对失真的影响小,音频的范围也宽。但是五极管屏负荷电阻的大小对音频范围的宽度影响较大。虽然有时为了使五极管的增益高,可以增加音频输出电压,因而采用较大的屏负荷电阻和下级栅漏电阻。但是从音质和失真度来考虑是不适宜的。

有几种强放管需要很大的栅极推动电压。而电压放大管的输出电压太大时,失真也大。因此可以采用输入变压器互感交连的方式。但是输入变压器品质的好坏极为重要,否则效果更为低劣。

偏压电阻的数值也是影响失真的一个条件。三极管偏压电阻的大小虽对失真的影响较小,但是和电压增益有相应的关系。一般采用略微大些的偏压电阻或比小些的要好些,可以改善输入信号电压较大时的放大品质。

图8是三种常用三极管的偏压和最大增益的关系。偏压电阻数值减小,屏流增加。例如6SN7的屏流为4.3毫安,屏电位约90伏时,增益最大。如果屏流略增,屏电位略降(即偏压电阻值减小),增益就大大减低,曲线陡峭下降,并且这时还会发生很大的失真。

图8
图8 🔍原图 (525×1009)

从以上的各种结果看,要减低电压放大级的失真提高音质,可以概括地分为以下各点:

(一) 选择电压放大管时,三极管和五极管的失真度相差不多。尤其在输出音频电压较低时并无明显区别。相对比较时, 其中以6SN7(或6J5, 6C5)比较最好,不仅失真度低而且音质较好。当用6SL7时,如乙电较高,下级栅漏电阻用得较大(500千欧至1兆欧之间),这时6SL7的品质也很好。而且电压增益也较大。

(二)要保持必需的偏压,要选用足够的偏压电阻数值。不要用过低的偏压电阻。

(三)屏负荷电阻数值约比下级栅漏电阻小一半或更少些。

(四)必需使乙电电压足够,不仅失真低,而且电子管的电压增益也大。

(五)不需要很大的输出音频电压,可以省去阴极傍路电容器,这样,增益降低约一半,但失真也相应地降低纸一半。

(六)采用负回授或用两只三极管联成推挽式电路的电压放大级,也可大大减低失真,提高音质。(徐明博根据美国“无线电与电视新闻”1956年9月份材料编写)