微功耗、高β晶体管磁带放音电路

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一台优质录音机放唱时除了要失真小、频响宽、输出功率大外,还需具备一项重要指标,即要有较高的信噪比。信噪比是指信号功率与噪声功率的比值。通常用分贝表示。

立体声盒式磁带为四磁迹工作,每个磁迹的宽度仅有0.56毫米。因此记录在磁带上的磁能很小,放音时磁头线圈中感应出的电压也就很微弱(约100~200微伏),必须经过多级放大器放大才能推动扬声器。各级放大器都要产生噪声,这样,多级放大器电路的信噪比必然很差。经理论分析,第一级放大器增益足够高时,多级放大器输出端的噪声,主要取决于第一级。所以降低第一级放大器噪声,尽量提高第一级放大器的增益,是降低多级放大器噪声的有效方法。

本文推荐使用微功耗、高β晶体管(3DM型)制作第一级放大器,放音通道信噪比可达到40dB以上,折合到放大器输入端的噪声仅为1μV。由于使用了3DM型管,使线路大为简化,所以很适合业余爱好者装置。图1、图2分别是该放唱电路原理图和印制板图,供制作时参考。

图1
图1 🔍原图 (1782×1136)
图2
图2 🔍原图 (1872×1390)

3DM型微功耗高β晶体管的突出特点是集电极电流很小时仍有很高的β值,而且噪声极低。3伏供电时穿透电流可小到数十微微安。集电极正常工作电流从1微安到10毫安,功耗可小到数微瓦。图3绘出I\(_{C}\)-β曲线,从图可见在同一集电极电流下,3DM型比3DG6的β值高得多。

图3
图3 🔍原图 (929×651)

3DM、3DG、3AX等系列都是双结型晶体管。一般双结型晶体管(如3DG6)的噪声电压E\(_{n}\)比场效应管的要小,但噪声电流In较大。E\(_{n}\)、In是用来表示晶体管或放大器噪声特性的两个参数。根据噪声理论可以对一个有噪声的实际放大器(或晶体管)进行等效处理(如图4)。其中b图的K为无噪声的理想放大器。当信号源的阻抗(Z\(_{S}\))等于En/I\(_{n}\)时,即得到放大器的最佳信号源阻抗。此时,在放大器的输出端可得到最高的信噪比。

图4
图4 🔍原图 (833×298)

录音机放音通道的信号源就是放音磁头。立体声磁头的阻抗在15KHz时为7~10KΩ。为得到高的信噪比就应把放大器的最佳信号源阻抗调整到7~10KΩ左右。常用的方法是减小双结型晶体管的工作电流来达到提高Z\(_{S}\)的目的。由于En、I\(_{n}\)均与IC有关,I\(_{C}\)减小时In减小,而E\(_{n}\)增大。这样ZS=E\(_{n}\)/In就增大了。但普通3DG型晶体管的I\(_{C}\)不能减得太小,从图3可见,当3DG6的IC减到10μA时,β仅有十几倍了。即使通过调整I\(_{C}\)使放大器工作于最佳信号源阻抗状态。放大器的增益也不易作得高。这样后面各级放大器产生的噪声对总噪声的影响就要增大。为了降低噪声,后面至少还要增加一级低噪声放大器,使得线路就变得很复杂,显然不如使用3DM系列晶体管,就可通过选用合适的电路结构和参数来兼顾低噪声和高增益两项指标。

电路介绍

由于选用了高β晶体管做第一级放大器,一级放大就有很高的增益,这样减少了放大器级数,线路结构十分简单、每声道第一级放大器是用三只3DM晶体管直接耦合组成的。315Hz时增益为60dB。当磁头输出信号电压为100微伏时,第一级能输出100毫伏,BG\(_{3}\)(BG6)接成射极输出器,使输出阻抗降到1KΩ左右,这样就能推动5G37了。

BG\(_{1}\)、BG2(BG\(_{4}\)、BG5)组成的直耦放大器有两个负反馈回路。一个是通过R\(_{b1}\)(图5)构成的直流负反馈回路,加虚线所示。另一个是通过两节RC网络实现的交流负反馈,如点划线。当Re1为100欧,R\(_{β1}\)、Rβ2、C\(_{β1}\)、Cβ2数值按图1选取时,均衡特性见图6。

图5
图5 🔍原图 (561×479)
图6
图6 🔍原图 (944×546)

图7是在9伏供电时测得的失真特性曲线。由于315Hz、1KHz、10KHz三条曲线相差不大,平均绘成图7综合曲线。输出电压为1V时,第一级的输出失真仅为0.4%。

图7
图7 🔍原图 (650×636)

第一级采用直接耦合方式对降低噪声是很有利的。从理论可知,放大器噪声除来自有源器件(晶体管)外,电阻也是噪声的来源之一。电阻的噪声分两类,一种由电阻中自由电子热运动产生,叫做热噪声。另一种是电阻的过剩噪声,它与电阻两端的电压有关,其数值比热噪声大得多。晶体管放大电路中偏置电阻和负载电阻两端均有较高的直流电压,这些电阻产生的过剩噪声就很大。功率放大器5G37的偏置电路采用了“无噪声偏置”方式,图1中1R\(_{11}\)、1R12的过剩噪声被1C\(_{1}\)0旁路,1R10中流过的偏流很小,电压降也很小,过剩噪声可忽略。第一级放大器采用直耦方式,1R\(_{2}\)是为BG1提供偏流的电阻,阻值为240KΩ,但流过的偏流极小,I\(_{b1}\)=Ic1β\(_{1}\)=10~20μA;500~1000=(1~4)×10\(^{-8}\)A,所以Rb1两端压降仅为2.4~10mV左右。由于使用了高β晶体管,这种方式的偏置电阻就不必费心选择低噪声电阻了。R\(_{c1}\)、Rc2、R\(_{e3}\)是负载电阻,均有较大的直流压降,会产生较大过剩噪声。Rc1处于前级,一定要使用低噪声电阻,R\(_{c2}\)、Re3处于后级,由于信号已很强,可不用低噪声电阻。BG\(_{1}\)的输入信号很微弱,故电压动态范围也就无须很大,供电电压可以低些,虽牺牲些增益,但可降低过剩噪声。图5中的R、C就是为此而设置的。R、C的另一个作用是消除因BG1、BG\(_{2}\)等有源器件通过电源电阻造成的不正常耦合,防止自激。Rβ1、R\(_{β2}\)因没有直流电压降,所以不需用低噪声电阻,Re1上压降很小,也不需低噪声电阻。另外,为了减小5G37电流噪声I\(_{n}\)的影响,音量电位器选用阻值较小(2.2KΩ~4.7KΩ)。由于低噪声前置放大器的灵敏度很高,对电源的波纹系数很敏感。故电路中设置由BG7构成的电子滤波器,以进一步对电源滤波。

安装与调试

由于放大器灵敏度相当高,容易受到外界磁场的干扰,焊接时特别注意磁头至前置级输入端要使用屏蔽线,电位器输入端,5G37的输入端均应使用屏蔽线连接。磁头的屏蔽罩要与屏蔽线外皮连接(图8),屏蔽线外皮的另一端在电路板靠近放大器输入端处接地。另外,露出屏蔽线外皮的导线部分应尽量短。图2所示的印板图经过多次实验,证明比较合理。若自己另行排线、切忌强信号和弱信号的地回路在印刷板上相互交叉和往返重叠。供电电压不同的电动机及换向器磨损的电动机可用其他变压器经整流单独供电。电动机引线使用屏蔽线连接。换向器磨损严重的马达必须修理或更换,否则干扰很难消除。放大器的均衡特性与所使用的磁头频响特性有关。业余条件下可根据附表,调整均衡网络的元件数值。表中↑表示提高、增加,↓表示降低、减小。边调换元件边试听,直到本人对音质满意了为止。图1中1C\(_{1}\)、 2C1的数值是为f=1KHz时Z=1KΩ;f=15KHz时Z=10KΩ的磁头设计的。如所用磁头阻抗小于上述数值,可适当加大1C\(_{1}\)、2C1的数值。试听时如觉得高音提升的太多,可在磁头线圈引线与1C\(_{1}\)、2C1之间串接一只10~100Ω的电阻,以降低谐振回路的Q值,高音会相应减弱些。放大器的低频增益不可提升得过高,否则会出现低频自激。(周延斌)

图8
图8 🔍原图 (878×582)
图9
图9 🔍原图 (702×406)