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上層分類: Audio frequency circuits
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真空管發明至今近一百年,說實話能玩的把戲都已經被玩得差不多了。十幾年前隨著網路世代的興起,曾經有過一本網路刊物Tube CAD Journal,上面有不少高手在真空管電路上有所創新,不過Tube CAD Journal似乎自2003年已後就沒有更新了,而另外一個以紙本形式發行的Vacuum Tube Valley則在出刊20期後隨著主編Charlie Kittleson過世而停止發行。近十年來隨著智慧手機的流行,年輕人對老態龍鍾的真空管音響早就興趣缺缺,因此當站長在臉書上看到這個Longitudinal Direct Coupled Amplifer電路時,有眼睛一亮的感覺。

 

Longitudinal Direct Couple Amplifier, 由Chris Strickland 授權

 

 這個電路的作者是Chris Strickland,發表在臉書的Vacuum Tube Amplifier群組,發表後引起熱烈討論,根據Chris的說法,這個電路為他發明,而在討論的過程中,也有其他網友如Jeremy Epstein
宣稱此電路或類似的電路早在1999年開始就有人在使用。Jeremy 提到他2001年發表的電路,連結如下,有興趣的讀者可以參考:

http://home.earthlink.net/~jeremyepstein/freelunch.html

根據Chris的說法。這個電路具有直接交聯,高Slew Rate,穩定與極簡這幾個特性,它既不是Cascade也不是Cascode架構,而是兩者的混合,聽起來真是美好到不可思議,如此清新脫俗的滋味,這不正是把牛肉的鮮、瀨尿蝦的甜,摻在一起的撒尿牛丸嗎?在這裡,我們就來一步一步分析一下這個電路。為了方便起見,我把我們有興趣的電路重畫,輸出變壓器初級部分我以一個電感L1取代,並把元件編號:

 重畫過電路,虛線內為電源供應電路,可暫時忽略

這個電路之所以稱為Logitudinal(垂直),猜想應該是跟兩隻真空管上下堆疊有關,上方的是功率管,下方則是小訊號管,乍看之下似乎不太合理,因為兩隻真空管的靜態電流相差很大,一般功率管的靜態偏流都在60mA以上,而小訊號管則約在數mA到十幾mA,把這樣兩隻真空管串在一起,不是功率管偏電流不夠,就是小訊號管偏流過大。不過仔細觀察,可以發現這個電路的巧思在於固定電阻R4和可變電阻R1(為方便PSPICE模擬,這裡用固定電阻代替)構成的分流電路,把功率管大部分的電流導到ECC82的陰極到地之間,而不是ECC82的屏極,這樣就避開了ECC82靜態屏陰級電流過大的問題,而EL34的靜態電流,則是如圖所示I1+I2的總和。

下圖是用PSPICE模擬的電路直流工作點,跨在R2的電壓是188-166=22V,所以流進ECC82的電流是I1=22V/2k=11mA,而流過R3的電流約是I2=(188-3.6)/3k=61mA,I1+I2=72mA,這個電流在R1上產生0.072*50=3.6V的跨壓,提供ECC82的負篇壓,妙哉。

LDCA的直流偏壓點

接下來,讓我們看一下這個電路的小訊號模型,在小訊號模型分析裡,大的電容視作短路,電壓源視為接地,按此原則產生的模型如下:

 

LDCA 小訊號模型,左邊為ECC82(12AU7),右邊為EL34,EL34的閘極訊號來自ECC82的屏極Vg2

為了比較方便起見,下圖是一個標準的兩級共陰極放大器電容交連電路,以及它的小訊號模型。

 標準教科書兩級電容交連電路

 
兩級電容交連的小訊號模型

從上面兩個小訊號模型我們可以輕易看出這兩個電路之間,除了一個交連電容以外,基本的放大器架構是一樣的,也就是說,LDCA的頻率響應跟傳統兩級共陰極放大器一樣,並不具備共閘級放大器減少密勒電容帶來的頻寬提升。

既然LDCA是直接交連,要比較它的優缺點,當然一定要和世界首發的直交電路Loftin-White來PK,下圖是一個簡化後的Loftin-White電路:

簡化過的Loftin-White電路

Loftin-White的概念很簡單,電壓放大級採共陰極放大,功率管的陰極電阻加大墊高陰極電壓,使陰極電壓除了可以提供功率管所需的負壓外,更進一步補償上一級的屏極輸出電壓,Edwin H. Loftin與 S. Young White是在1930年提出這個架構,真是了不起。C3和R5構成的降壓電路通常是必要的,因為第一級的電壓管通常屏極耐壓不會超過300V,Loftin-White的高壓通常會超過不少。下圖是Loftin-White的小訊號模型:

Loftin-White的小訊號模型

 聰明的讀者應該一眼就能看出Loftin-White和LDCA的不同之處吧---它們完全相同,也就是說,LDCA和Loftin-White的差別僅於對真空管靜態電流的設定方式不一樣,它們的交流訊號工作模式是一模一樣的。

既然如此,讓我們來看一下LDCA是否有比Loftin-White如同Chris宣稱使用更少的零件,讓我們數一下:嗯,好像差不多,當然有些元件的耐壓或耐功率可能有些不同,但整體差異不大。那麼,LDCA有什麼缺點嗎?以我個人意見,缺點蠻多的,最主要的缺點是兩支管子的搭配選擇性很少。從小訊號模型可以看到,由於兩支真空管都是工作在共陰極模式,所以對於工作點的設定跟一般的共陰極電路沒什麼不同,先從I-V curve上選定工作點,再根據這個工作點和選定的屏極電阻決定高壓,回頭看一下LDCA電路,R2的腳色,同時是ECC82的屏極電阻,上面的電壓降也同時決定功率管的閘陰極電壓,看似優雅,其實會面臨兩難,例如採三極管接法的EL-34 mu值很高,所以負偏壓不需要太深,大約25V-30V足矣,可是這樣的電壓,對於10mA左右的ECC82,只能提供約2k的屏極負載,遠低於ECC82的內阻7k,負載線過於垂直的影響,就是較低的輸出電壓擺幅和較高的失真,因此功率管的選擇只能往mu值很低的方向選擇,例如直熱式三極管,不過基本上就算是300B之類的管子,負壓也在-60V至-70V間,50的話負壓是80V,都不能提供足夠的屏極負載阻抗,這是我認為LDCA最嚴重的缺點。

另外一個伴隨而來的限制是小信號管的擺福其實是被EL34陰極電壓限制的,沒辦法達到功率管的滿功率輸入電壓,除非R2這個負載是無限大,網路上有人提到用電感取代R2,即便是一個感量無限大的電感,也僅僅能提供剛剛好夠的擺幅,一點餘裕度都沒有,現實上當然是沒有無限大的電感,而且為了頻率響應電感上需要並聯一個電阻,所以等效負載也大不到哪裡。

如果如Chris所說,他並不在意大功率輸出,透過R3的調整可以找到一個最佳工作點。我的看法是:這個電路的確會發出聲音,最佳工作點云云,對這個電路來說的確存在,但這個最佳可能是各方妥協的結果,在最佳化分析裡,我們稱這種工作點為local-maximum,而不是一個我們追求的global-maximum,在這麼大的一個solution space中,把自己的關在一個小牢房裡似乎意義不大。

看到這裡我想大家應該了解站長的看法了。這的確是一個有創意的電路,可惜它並沒有解決它宣稱要解決的問題,反而製造出更多問題,單端放大器的輸出功率已經不大了,用了這個架構無疑自廢武功,若真要在這個架構與Loftin-White中間選擇,我的一票投給Loftin-White,講解完畢。