瑞典摩机侠,Allen Wright (可惜在2年前英年早惭)说过这样的话:

"一部胆机的音色,50%是取决于电源。"在烧友圈内也有此一说:DIY玩音响,不外乎是玩电源。近段时期,笔者潜水于不同的网站,着力探究放大电路音频信号与供电电源的踪迹,好奇于在两者之间是否存在任何不良的正与反方向的相互影响。如果有影响,又如何能够避免两者间的不良交互影响,让最完美的音乐自然地源源流畅。

路版在电源方面多有建树,让大家得益菲浅。亦受路版的影响和鼓励,小弟今天做个读书和制作小结,与兄弟们分享和参考。

位于西安高陵的泾河渭水同游共畅,却仍然是湜湜其沚,清浊分明。音响放大器中,被放大的音讯好比一条清澈的泾河,供电电源系统则可比作水急波涛的渭河。清浊两涧。几十年来,爱乐DIY人一代又一代不断地改良和开发更为完善的供电电源。为了一个完善的供电电源,HiEnd者往往不惜工本地投入高达整套放大器糸统的30%甚至50%的成本。纵然如此,中外古今,确实能够称得上是完美的供电电源的却是罕如凤毛麟角。大多数的供电电源,更是远远没能够达到让完美的音乐自然流畅的那般境界,真是令人困惑茫然。

但是,若作个逆向性地思考,问题的根本是否因为音频信号窜迥于供电电源糸统,干扰供电电源,故而从时相上改了还原放大的音频信号,又或更要害的是因为音频信号窜迥于供电电源糸统,牵扯甲类放大器使其偏离线性工作状态!不少爱乐DIY认同这个问题的存在。如何具体用仪器去确认这些问题,则有待兄弟们的努力了。如果问题确实是如此这般,又如何用简单而又实用的方法将音频信号与供电系统"分隔"开来,杜绝音频信号窜迥于供电电源糸统,从而减少它们之间的相互不良影响?

要解决这个问题,首先来回顾下音频信号在放大糸统的环路。下面是音频信号在带有阴极旁路电容的共阴放大的信号环路,参照图:

第一个音讯环路是输入回路(绿色划虚线);

共阴放大器,栅极输入音频信号由阴极旁路电阻/电容接地成了一个环路。其实,电子管栅极输入阻抗并不是无限大的。有道是:“理论上说当一个电子管接入低音频频率时,栅极输入阻抗可被假定为无穷大。然而,在大多数情况下,这种假设会引发严重的误导倾向。需要小心留意的是其静态和动态阻抗差异"。这种將栅极输入阻抗定为无穷大的假设,往往使人忽略了阴放大器中栅极输入音频信号由阴极旁路电容接地所构成的环路。换句话来強调,如果使用了阴极旁路电容共阴放大,栅极输入音频信号由阴极电阻/旁路电容接地就构成环路。单独地从此环路观察,音讯在此环路流通仍是泾河的清晰源泉段。

第二个音讯环路,输出回路(红色的与划虚线环);

当输出变压器作为放大级输出耦合负载时,经放大后的音频信号从屏极流过输出变压器负载两端,再流过电源滤波/退藕电容而接入地端,然后经由电阻/阴极旁路电容回到电子管的阴极。被放大后正反极向的音频信号随着音频波交替往返于此第二环路。这好比是泾河的中游段。请注意,在第二个环路中,音讯串行于两个电容。 一个是电源滤波/退藕电容阴极旁路电容,另一个则是阴极旁路电容。第一个环路与第二个环路两环相扣,它们的扣接之处就是阴极旁路电容!

第三个环路是电源供应(PSU)环路(灰色点线环);

由此图可见流至电源滤波/退藕电容的音频信号,有部分会窜入到电源PSU中,然后接地,携同流经电源滤波/退藕电容的音频信号一道,经由阴极旁路电容回到电子管的阴极。只有在两种条件下,流至电源滤波/退藕电容的音频信号,不会窜入到电源PSU。第一种条件是在一个完美的A类放大器的情况下,供电系统将仅仅是补偿负载放大器的能量耗失。第二条件,如果供电系统的滤波/退藕电容是完美的,即对所有频率都是零阻抗,当流至电源滤波/退藕电容的音频信号,全部部经过这个完美电接地,而不会让部分音信窜入到电源PSU中。但是,在实际当中完美的A类放大器或一个完美的滤波/退藕电容是根本就不存在的。若使用传统供电系统,音频流与供电源流就必然共享一段回环路。这就好比是泾河的中下段,泾渭合流了!湜浊难分啊?在这个音频流与供电源流共享路段当中,又是要通阴极旁路电容。这个阴极旁路电容正是扼守住三环之咽喉。三关一纛是这个阴极旁路电容。至此,兄弟们就不难解为什么阴极旁路电容对整个放大器糸统的调校声效果有如此强大的效力。在调校胆机时,有人小心翼翼地增减或调换阴极旁路电容, 有人干脆不用阴极旁路电容,以牺牲频宽为代价。

除了前述窜迥于供电电源糸统的不良音频信号,下面接着来看看传统供电电源系统,感性地认识下渭水是如何的浑浊。要改善传统的供电电源系统,简单的做法是增加滤波电容容值,从而加大能源储存,延长平均电压的稳定时段。然而,这种做法最明显的弊端是大电容的等效串联电阻(ESR)对音频频响低劣的非平直性。这就意味着供电电源糸统不平直的内阻,它所提供的负载电功率也不能保持平直,随之而至的是对不同音信频率的变异失真。问题更糟糕的是传统供电电源系统中的LC或CLC网络常常或多或少地夹杂有寄生震荡,其共振频率常常落在5至15Hz范围中,造成严重的互调干扰。供电电源系统不平直的内阻和跟随的寄生震荡,加上残留的交流电压波纹和晶体管开关噪音,这些都是浑浊渭水之源。一旦清澈泾河被渭水所染,要品尝到纯净的泾河水就几乎是不可能的事情。要HiEnd高保真度更何从谈起!

如何去保持泾渭分明,实现完美的音乐保真,享受纯美的音乐?可能的解决方案有二——

第一:净洁供电电源系统

a) 采用低噪整流管,

b) 优化CLC,CRC网络,有个优化CLC,CRC网络的英文版仿真软件可在此下载:http://www.duncanamps.com/psud2/download.html

c) 合理布局走线,猫版在这方面有独到的造就,十分可贵,

d) 加置降低内阻和平顺频响特性的电源穏压器,可参考G版,路版的相关贴。采用串联或并联电压稳压电源都是可行而有效的办法。电源稳压器的一个优点是它两端较大幅度的电压降,造就相当的能量储备,并在很大程度上减轻音频信号窜入到整流系统。另外电源稳压器可提供更为平直的低内阻。设计优良的电子管稳压器在10 Hz频响的内阻可降到1至4Ω左右。对于一个内阻抗只有4Ω的供电电源系统的功效可相当于一个配有4000μF的旁路电容传统供电电源系统。可以想象下,一个4000μF的高耐压电容的价值会是如何昂贵,而其体积也会是如何硕大。故而,如此大容量的电容实际应用程度是非常不靠谱的。

但是,传统供电电源系统加入稳压器后,音频信号与电源流共窜回环的现象仍然存在,没能将它们成功地分隔开来。

第二:将音频信号与供电系统"分隔"

1)屏极扼流圈滤波/陷波器,

2)有源带通滤波器,回旋器Gyrator,

3)音频超频宽超高阻的恒流源。

屏极扼流圈充当滤波/陷波器的使用,可以说是由来已久。但是,屏极电感充当滤波/陷波器有其先天的缺陷,一是它有限的频宽,二是它陷波后的继发能量泄放,引致互调干扰。

有源带通滤波器(回旋器Gyrator), 正好克服了屏极扼流圈充当滤波/陷波器的先天不足。并且很容易地以成本百分之一的价位,模拟出300H或更大的扼流圈。又可以轻松地根据胆管的老化程度调节的工作阈点。更不用说的是有多少空间被节省下来。使用复合Cascade 式MOSFET的有源带通滤波器可提供更为优秀的电源纹波抑制和隔离。将有源带通滤波器代替Mu-随放大的阴极电阻,将有利于改善输出阻抗。有源带通滤波器成功的例子不少。

「胆机宝典」有很好的有源带通滤波器(回旋器Gyrator)举例。路版近期也有成功的设计(http://bbs.hifidiy.net/thread-822086-1-1.html)。有兴趣的兄弟可参考路版的帖子。

恒流源 (Constant Current Source/Sink, 缩写CCS;也有人称之为恒流稳压器,constant current regulator,使用的缩写CCR。不管其称呼或制作如何变化,它们都持有一个共同持点:无论单元两端的电压变化如何变动,流过单元的电流不变。上述的有源带通滤波器是恒压不恒流,CCS是恒流不恒压,它们却是异曲同功。

虽然对胆机SRPP电路其本身或称谓还没有一个统一的定论,SRPP的上管所担当的角色不少人认为是一个CCS,起到相当的"隔离"功效。也有貌似SRPP的电路,以其下管充当真正的CCS。

时下流行的方法却是使用晶体管作独立的音频超频宽超高阻的恒流源。在我们DIY中许多人会认为石(晶体管)加入到胆系统中是正统,不伦不类。事实上,设计得当的晶体管CCS可更充分地让胆机独特的美丽音色表现出来。

(以下是有关晶体管恒流源工作原理。如果兄弟你觉得纯技术理论枯燥,不妨跳过这些段落。)

晶体管恒流源是如何工作的?

晶体管恒流源的工作原是基础于Ebers-Moll 模型。(Erno Borbely是一名电子工程师,专注于模拟电路,特别是音频领域。他在音响界著述丰硕,经常有新鲜的点子和电路面世。他创作过一个“全FET并联稳压器”在网络上算是鼎鼎大名,堪称低噪声稳压器设计的典范之作。)

首先,可以把一个 NPN 电晶体作为一个三端的被动元件, 工作时有下面几个性质:

1.集极 (collector) 的电位, Vc, 远高于射极 (emitter) 电位, Ve。

2.基极-射极 (base-emitter),基极-集极 (base-collector) 的行为 “基本上” 是两个二极体。

3.每个电晶体有最大容许的集极电流, Ic 和基极电流, Ib ,CE 压差, Vce。

4. Ic 基本上与 Ib成正比。Ic= ß x Ib

以上的性质称为电晶体的简化 Ebers-Moll 模型 (Simplified Ebers-Moll model, SEM model)。

这个SEM模型就是恒流源的工作驺型:

·Ic 与 Ib都流经射极, 但是 Ic远大于 Ib。

·Ib 是因为基极电位高于射极电位,BE 二极体处于导通状态。

·Ic的形成并不是因为 BC半导体处于导通状态。把 Ic当成是电晶体的本性,当 BE 导通时, 除了Ib 以外, 另有一股电流自集极流向射极。这个 特性告诉大家:小电流 Ib可以控制大电流 Ic。更准确的说法是:基极-射极的电位差, Vbe 控制电流 Ic, 而且基极-射极之间有内在电阻。如果利用这种 “Vbe控制电流 Ic” 效应, 这个电晶体模型称为 Ebers-Moll 模型 ( EM model)。Ic与Vbe的关系称为 Ebers-Moll 方程式 (Ebers-Moll equation)。

·Ic 并不会因为集极电位, Vc的改变而剧烈变化. BC 间的二极体被看着是处于逆向偏压的状态。

·对 NPN 电晶体来说, Vb 大约是Ve + 0.6伏特 。对 PNP 电晶体来说, 则是 Ve大约是Vb + 0.6伏特。所以,如果在 BE 两端加上 0.6 到 0.8 伏特以上的电压时,会有巨大电流由基极流向射极, 呈现短路的现象。

再进一步,如果在基极上加上电压 Vb > 0.6 V, BE 将会导通,而且 Ve = Vb – 0.6 V。Ic 只与Vb, RE有关。不论 Vc是什么, Ic都不会改变! NPN 电晶体构成了一个恆流源。只要 Vb, RE不变就会有恒定的电流流经负载。

晶体管制作CCS可以有多种不同的选择。采用耗尽型MOS场效应(depletion mode mosfet)例如DN2540,IM450,是现行一些非常方便可行而十分有效的方法。

例如使用Supertex公司的DN2540 制成复式恒流源,当一个外加直流电压范围从50 V到200 V,即超过100 V范围的变化,但是,所测得的流通直流电流变化仍然小于0.5 mA。

设计良好的恒流源将是一个音频超宽,阻抗超高的恒流器。对于传统整流滤波器最棘手的低频段,恒流源的表现尤其的出色:

IXYS 10M45S cascoded 协同2SK170 Blue 构成恒流源的频段阻抗:

20Hz54MΩ

1kHz24MΩ

20kHz1.18MΩ

100kHz261KΩ

Supertex DN2540 cascoded 协同2SK170 Blue 构成恒流源的频段阻抗:

20Hz20MΩ

1kHz22.5MΩ

20kHz3.6MΩ

100kHz747KΩ

另测,一个用二只DN2540装成的复式改良型CCS,在10 Hz至40KHz的范围内,阻抗仍然保持大于1.5MΩ。

CCS也可以串在电源稳压器上(通常是取代R1电阻)。其电源抑制比 power supply rejection ratio (PSRR)可高达114dB,也即是0.000002。而传统的CLC,CRC等无源滤波器一般只能获得-60dB(1/900,即大约 0.001)的PSRR。两者间的PSRR 差别非常巨大。

CCS可以加载在胆放的屏极上,也可以代替阴极电阻/电容。它最主要的特色是在宽大的频段上保持极高的阻抗,它可以真正有效地将音频信号环路和电源"隔离"开来。请留意,在引述恒流源的分隔或隔离时,为什么总是带着双引号?因为有行家指出,将电源电路隔离并不是CCS的主要功能。

屏极负载中使用CCS的主要理由是为了确保放大器的线性负载,从而将谐波失真降低,增益提高。

CCS例图:

复合型:CCS

CCS可以轻易宜举地可以将音讯信源与电能源两环拆开,有效地防止音频信号窜扰供电电源,而从杜绝其对音频信号的时相干扰和防止其对甲类放大器线性工作状态的不良影响。

使用CCS有几点需要慎重考虑之处:

1.第一信号环路不需要CCS,

2.同一信号环路只需要一个CCS,

3.阴随级的CCS只能加于阴极旁路上。

4.CCS不能代替传统的CLC或CRC无源滤波器或稳压器;从DC至2MHz,CCS的PSRR电源抑制比十分的岀色。然而,到2MHz是-17dB,CCS的PSRR电源抑制比和一般供电系统上的负载电阻相当。当超2MHz,CCS有一个较大的噪声增益,例如,在5.6MHz是6.5dB,在100MHz是3.4dB。当然,如此高端的频段已经远远超出人类的可听域,但是,它的存在仍然会影响音讯的放大与输送。相比于传统的稳压器,CCS仅在1MHz以下的频段才显示出其PSRR优越性能。所以说CCS不能代替CLC或CRC无源滤波器或稳压器。相反,是需要它们协同一道工作。无论CCS制作或安装在什么位置,都必须小心高频振荡噪音或加置适当的高频噪声过滤,可行的方法包括在CCS旁边并上一个R-C串联单元作陷波处理。

总而言之,无论是CCS恒流源或是有源带通滤波器(回旋器Gyrator),如果使用得当,可确保泾渭分明,湜湜其沚!尽享品泾河甘润,思渭水奔涌。

阅至此刻,不知兄弟们是否认同:CCS和有源带通滤波器的认识和应用已经将电子管音频放大器引入​​到一个更高线性的别具青春活力的时代?

最后,兄弟们还记得前面提过的那个扼守三环的阴极旁路电容?如果在同一环路上已经加入了屏极CCS,这个阴极旁路电容就尽可能地加大容值,以此拓展频宽。如果这个大容值的阴极旁路电容质量欠佳,可并联小容值的电容作频响调整。这般处理之后,兄弟你的这台胆机除了改善了的高频和中频的还原保真外,它打出的低频将会是拳拳到位,荡气回肠,将是 一台令人刮目相看,具时代气息的胆机。

补充些屏极CCS和输出取点的相关例图,供参考。

胆耳放,置于屏极的简单型CCS(IXYS 的10m45, 25mA), 放大胆管是7KY6。元件的具体参数在http://www.ecp.cc/less-pressivo-build.html

新加入Q2和R10,将它变成cascoded复式CCS, 功效进一步改良:

留意屏极输出取点,这个取点与W兄指出的在那个地方加屏极CCS相关。

机壳接地方法不当可产生额外的地环噪音。此论题与本文有多少补充作用,更为方便起见,就将它主要部分移过来,供参考。

例图是在下现用的机壳接地方法。

Active电源火线

Neutral 电源零线

Earth电源地线

35A Bridge35安整流桥(留意极向)

Chassis机壳

Connect to Chassis 联接机壳

Power Supply Circuit主机电源

Zero Volt Line主机"地端"

Insulated Connector绝缘垫

此例图的出处:http://sound.westhost.com/earthing.htm

附原作者有关此机壳(机箱)接地方法注解的译文:

「地环破解器的工作原理是在地环中增加了阻抗。减少了环路的电流,进而破解环路。与电阻并联的电容将射频信号引接到机箱,这有助于防止射频干扰。最后,二极管桥堆是为事故电流提供通道。建议使用一个大规格,(35A)型的机箱,因为这将能够应付可能发生非常高的故障电流,而不会变成开路状况。留意桥堆的接线方法,两个AC端子合接一起,两个直流端子也合接一起。其他连接的方式会是危险的,切不可这样做。

在重大事故中,二极管桥堆中的一个(或多个)二极管可能会失效。失效的半导体(几乎)总是处于短路状态。只有当事故电流继续存在或者是连接导线被烧断,失效的半导体才会处开路状态。大电流的桥堆具有非常坚实的导体贯通性能,被击断变成开路的桥堆是非常罕见(至目前为止,我从没遇到过被击断变成开路的大功率桥堆)。桥堆的使用意味着正反两个极向都有两个并联的二极管,所以失去保护作用的可能性是非常小的。

如果使用地环破解器,將所有的音响输入和输出接口与机箱绝缘是至关重要。如果不是这样做的话,就会立马毁掉这个地环破解器,零电位直接地与机箱相通,没有获得任何好处。

通常在机箱电源插座的地线点与分电闸之间有一个1V RMS噪声电压。这个小电压,也许有0.2-0.5欧姆总阻抗,即会引至2～5安培回路电流,所有这些电流是流通在过机信号线的屏蔽层上。这足以造成的一种和普通音信非常相似的电压差,从而被放大器放大引起交流声。如果此电流是通过地环破解器10欧姆的电阻,它就会被降到小于200mA,在过机信号线上造成的电压差也就非常小,不再会引起可闻的交流声。

切不要將巿电的地线间接或绕行到机箱的集中(星状)接地点上。这样做的话,将会和机内的变压器抅成一个半环或全环回路。应尽可能选择合理的机箱集中接地点或变压器的摆位,以确保避免造成这种环路。这样做可能会相互矛盾,但是正确的接地方式,确保最大限度地减小交流声和最大程度的安全保护,通常应该不会是相互排斥的。两者都重要,而且两者都必须被兼顾于最终设计理念中。

地环破解器通常可以防止50Hz或60Hz的交流声窜入到音信中,如果听到的是100Hz或120Hz的交流声(这种交流声通常是较为清脆),那就是接错了电源线,是变压器感应形成的错频电流。大尾鱼拙译于2013年夏」

回到本篇主题相关的恒流器CCS。

有位西人,名叫 Gary Pimm,是一位在Tectronix示波器公司工作了20多年的电子工程师,在西方DIY界颇为活跃,也正是这位仁兄于10多年前首次将TI的TL431作为基准恒压应用在五极胆管制作的恒流器, 见Kenny 兄弟第30楼的帖子。他认为: 胆管放大器中採用有源负载(CCS)相对于无源的屏极电阻负载有几大优势:1. 使胆完全处于Mu运行状态,2. 低失真,3. 大大提高了电源噪声抑制比。此西人在近6, 7 来, 却也十分热衷于耗尽型 MOSFET制作的CCS。耗尽型MOSFET与增强型(enhancement mode) MOSFET最大的差别是简易的单个电阻可作自偏,并处于常通(门偏置处于零)状态。

图左侧是耗尽型MOSFET,图右侧是增强型enhancement mode MOSFET

Supertex DN2540, IXYS 10M45S 都是耗尽型MOSFET。IRF820是增强型 MOSFET。下面是他的有关几只不同耗尽型MOSFET制作的CCS测量图:

纵座标是阻抗,横座标是频率。

暗蓝色线(靠图的下层):DN2540 简易式CCS

浅明蓝色线(靠图的上层):DN2540 复式CCS

绿色线:单只IRF820的 CCS

紧贴绿色线那条线:单只IXYS 10M45S的CCS

红色线:2G欧电阻

紫色线:本测量硬件的最大敏感上限

Hi-End 人保持纯胆传统,继续用胆管制作有源Gyrator 或CCS,尤其是选用五极管的制作,这故然是无可厚非。然而,Morgan Jones写的【胆机宝典】(一本难得的好书)有那么几个段落关于恒流器的制作。引述如下:

…过去胆放大器设计的'黄金时代'和现代胆放大器设计之间的真正主要区别是在于现代的胆放大器设计釆用了近似完美的有源元件去取代无源元件。

五极胆管可制成一个极为出色的恒流器,但是在制作上颇有不便之处。…五极胆管还有产噪音的倾向,可能不适宜于唱放或敏感前放的第一放大器的CCS。…所以有必要另找解决方案。

在考虑新的办法时,与当年的胆机设计者有别的是,今天的我们有幸地能够使用晶体管或运算放大器去解决这个问题。晶体管制作恒流器,是晶体管应用于改善胆机的一个最完美的例子。

如果有位金耳朵对比了上述五极胆管的制作CCS(包括採用了基准恒压器)代替屏极负载(电阻), 串叠増強型MOSFE CCS和串叠消耗型MOSFETCCS, 并告诉我们这三者之间不存在音质差别的话,烧友当然会釆纳制作最简单的那一种,即是串叠消耗型MOSFETCCS。事实也正是如此。用两个耗尽型depletion MOSFET 加上三个小功率电阻制作的复式CCS,总投入金钱为数微小,但却足以嫓美用五极胆管制作的高性能恒流器。

二个DN2540串叠及10M45s和DN2540串叠。

以串叠CCS为基础,再添加数个电阻,电容,或多一个耗尽型 MOSFET,即可以将其改造成为一个优良的Gyrator。更何况串叠消耗型MOSFETCCS还可以出色地代替阴极电阻。

也难怪乎,在近十年CCS或Gyrator 的国际DIY制作领域中, 耗尽型MOSFET被广泛地釆用,甚具王者风范,大有舍我其谁之势!