超音频正弦波电子管放大器灯丝伺服电路的设计

孟易鸿

摘要 电子管放大器又称胆机，是音响业界最古老而又经久不衰的常青树，其显著的优点是声音甜美柔和，温暖耐听，音乐感好，尤其动态范围之大，线性之好，绝非其他器件所能替代，当今世界上顶级的音响设备无一例外均是采用电子管放大器技术设计的胆机。笔者主要分析了超音频正弦波电子管放大器灯丝伺服电路，希望能够更好的提高电子管放大器本身的音质。

【关键词】超音频 正弦波 灯丝伺服

电子管放大器又称胆机，是音响业界最古老而又经久不衰的常青树，其显著的优点是声音甜美柔和，温暖耐听，音乐感好，尤其动态范围之大，线性之好，绝非其他器件所能替代，当今世界上顶级的音响设备无一例外均是采用电子管放大器技术设计的胆机。因此对胆机灯丝伺服电路进行深入研究，并结合当今新理论和的数字化技术新技术对传统的胆机进行升级改进、提升性能，是非常有意义的工作。

本文详细深入的分析了电子管放大器的灯丝供电电路，并结合当今的数字化技术提出了基于直接数字合成技术的超音频正弦波电子管放大器灯丝伺服电路，用于电子管放大器的灯丝供电，延长了灯丝的寿命，消除了交流声，提高了电子管放大器的音质。

具体分析电子管放大器的电源电路：传统的电子管电源电路一般由供给电子管的灯丝、屏极和栅极的电源构成，又称“甲电”、“乙电”、“丙电”。其中“乙电”、“丙电”，由电源变压器的次级高压经全被整流后变成脉动的直流电压，再经过电容电感组成的LC滤波电路，得到平滑的直流电压供给，50Hz工频干扰在电源部分通过电容电感滤除，不进入电子管内部。但其中的“甲电”又称灯丝电压一般由交流电压直接供给，50Hz工频直接进入电子管内部形成一个工频干扰源，用传统方法不易消除。目前常用的几种灯丝供电方式均存在各自的问题，有提升改造的必要，具体分析如下：

1 传统灯丝供电电路分析

传统灯丝供电电路一般有两种形式：工频交流供电、直流供电。

1.1 工频交流供电电路

工频交流供电，最普通的灯丝供电方式。电源变压器的灯丝绕组产生的6.3V交流电压直接对灯丝供电。不过这种供电方式高档放大器已不再采用。目前高档电子管放大器为了降低灯丝干扰，抑制交流感应噪声，都采用交流灯丝接地电路（图1），在电源变压器灯丝绕组设置中心抽头并使中心抽头接地，灯丝连线采用双绞线进行连接，利用两组灯丝绕组电流方向相反，使电场相互抵消，以抑制交流感应噪声。

1.2 直流供电电路

为了彻底去除50Hz交流干扰，和提高电源稳定度，一些电子管放大器采用了直流供电电路。

图2中采用了常规稳压电源电路，为灯丝提供了一个稳定的直流供电电路，直流供电虽然截断了50Hz交流进入电子管的途径，似乎从“理论”上消除了灯丝存在的交流干扰，但经过实际听音和深入分析后发现其负面影响也是巨大的。甚至可以说直流供电方案得不偿失。

灯丝的直流供电电路存在的问题：

（1）直流电通过灯丝会产生一个极性固定的磁场，对电子的发射（尤其对直热三极管）产生偏转效应，不仅使电子运动轨迹成曲线，相对单位时间发射的电子数量减少;还降低了电子发射的动能，使其力度减弱。

（2）灯丝磁化，是导致直流电灯丝寿命较短的物理原因之一。交流电对电子的发射没有偏转影响。电子的运动轨迹是最短的直线距离，电子的动能足，发射速度快，单位时间发射的电子数量多。这就是交流灯丝胆机音乐力度比直流灯丝胆机音乐力度强的物理原因。

（3）直流灯丝供电会造成电子管的早衰。电化学知识表明：不同的金属的化学电极势各自不同，直流大电流通过两种不同金属材料的连接处时会产生电化学效应，造成电腐蚀。功率电子管的灯丝电流相当大，改为直流供电后灯丝和管脚引线的焊接处可能因直流电腐蚀而烧断，减少电子管的寿命令电子管过早损坏。

实际听音也证明灯丝交流供电比直流供电音色更好，灯丝寿命更长。所以直流灯丝供电并不是一个好的供电方案。

2 超音频正弦波电子管放大器灯丝伺服电路方案

上述两种传统供电方案不能完美的解决灯丝供电的干扰问题和灯丝寿命问题，加之灯丝在上电时承受大的冲击电流，容易造成灯丝冲击熔断，影响电子管寿命。基于以上的分析，本文章提出一种“超音频电子管放大器灯丝伺服电路”，配合开机软上电，在去除50Hz工频干扰改善音质的同时，也提高了灯丝的寿命。

2.1 实现思路

为灯丝提供超音频的纯正弦波的驱动电压去驱动灯丝，这样驱动灯丝电流的交流频率在人耳的听觉（ 20H-20KHz）以外，人耳无法觉察，因为是纯正弦波交流供电，上述直流供电的弊端均不复存在。交流供电不会对灯丝造成不良影响。为了避免上电时全部额定电压瞬间直接加到灯丝对灯丝的冲击，设计了软上电电路，用数字电位器实现，在上电时数字电位器置零，在上电后的十秒钟内线性平滑的调到最大值，实现灯丝电压由零到额定值的“软上电”，保护灯丝免受冲击，提高了灯丝的寿命，使电子管的寿命得以延长。

具体实现：正弦波信号发生采用直接数字式频率合成器（ Direct Digital Synrhesizer）DDS数字技术实现。与传统的频率合成器相比，DDS具有高精度、高分辨率、低谐波干扰等优点，采用直接数字频率合成技术产生频谱纯净、幅值稳定的超音频正弦波信号，此信号经过功率放大，为灯丝提供纯净稳定激励电源。并在上电时为灯丝提供一个电压缓慢上升的软上电过程，减小灯丝的冲击电流，延长灯丝寿命。

2.2 电路实现

电路主要包括正弦波信号发生电路、数字电位器、低通滤波器、功率放大电路、CPU电路和电源电路。如图3所示：正弦波信号发生电路、数字电位器、低通滤波器、功率放大电路依次相连，正弦波信号发生电路产生的正弦波信号通过数字电位器分压后进入低通滤波器滤除高次谐波，得到25KHz的幅度稳定的正弦波进入功率放大电路进行功率放大，产生6.3VRMS、25KHz的正弦波为电子管放大器灯丝提供激励电压。

具體电路如图4所示：由正弦波信号发生芯片AD9833，数字电位器软上电电路AD5263，低通滤波器AD829，功率放大电路LM3886。DDS芯片产生的正弦波信号，通过数字电位器分压后进入二阶巴特沃斯低通滤波器滤除高次谐波，得到25KHz的幅度稳定的正弦波，之后进入LM3886构成的放大器进行功率放大，产生6.3VRMS，25KHz的正弦波为电子管灯丝提供激励电压。CPU电路如图5所示：STM32F030F4的硬件SPI口连接AD9833和AD5263，PA3、PA4为两芯片提供片选信号。

软件实现：软件功能较为简单，STM32F030F4上电后初始化SPI口，后将数字电位器置为最低，之后控制DDS芯片输出，再缓慢提高数字电位器输出，使功放输出合适的电压，提供给灯丝。这方面的文献、例程较多很容易获得，本文不再赘述。

本文章摒弃了传统的电子管灯丝供电方案，取代以超音频灯丝供电方式，这是使用现代数字化技术对传统电子管放大器进行性能提升的有益尝试。