工程师制作:耳机放大器制作历程全解一

关注HiFi音响的朋友们如果见识过名厂或高手制作的胆机，观摩过那如镜光滑的机箱和灵性四溢的胆管，再聆听过柔美醇和的声音，可能都会不禁揣测一下内部的结构。如果打开外壳，见到内部并没有预想中的电路板，而是几根粗铜线纵横交错地搭成一个网状框架，各个元件都整齐地焊接在这个框架上，之间再用各色导线连接，不免会惊叹连连。高手会说，这样的手法叫做搭棚焊接，简称搭焊，既是最传统的，也是最好声和最艺术的手法。也许朋友们会想：我能不能拥有这样的一个艺术品呢?

　　下文的很多内容都涉及到DIY，如果要进行操作，请大家特别注意安全，在有经验的朋友的指导下进行。由于实际电路中变数甚多，所以只有严格仔细地跟随必要步骤并加以耐心细致的调整，才会得到尽量好的声音品质。由于具体情况有别且无法完全考虑到，所以请大家具体问题具体分析，笔者只尽量保证陈述的真实和贴切，而不对效仿操作的后果负责。

　　寻求解决

　　众所周知，自从真正被运用到计算机上以来，音频技术的发展不断为我们创造着惊喜，从8bit到44.1KHz/16bit再到96KHz/24bit、从单声道到立体声再到多声道、从MIDI到MP3再到APE和FLAC，无一不在刺激着我们对听觉享受的渴望和对声音品质的追求。应该说随着“发烧级”声卡创新AWE64GOLD和帝盟MX200先后的横空出世，一群狂热的电脑音频发烧友开始形成，电脑也成了很多朋友的音乐欣赏中心。

　　对很多狂热地喜爱音乐的朋友来说，音频技术给他们带来实实在在的最大快乐是在APE格式被广泛使用之时——来自中规中矩的44.1KHz、16bit、立体声和无损压缩(96KHz、24bit和多声道这样高指标虽然更加能吸引人们的眼光，但是我们能欣赏的音乐只能来自唱片公司，而SACD和DVD-Audio高高在上的价格是我们无法轻松负担的;实际上高手们也说，当CD的声音在得到较好回放的时候也能给我们非常美妙的享受)。从这个时候开始，我们才能在电脑上欣赏到CD的原本声音，以前不得不忍受的MP3和CD随身听“电子防震”压缩终于可以被抛到九霄云外。

　　随着硬盘容量的换代升级，我们能存放下大量的高品质音乐文件以供随时聆听。在随之而来的需求刺激下，各大声卡和音箱厂商开始掀起了为高品质音频回放开发产品的高潮，连一些在以前只流连于传统HiFi领域的厂商也投身进来。一时间飞利浦70x、黑金Ⅱ、黑金Cannon、Envy24系列、DMXFire1024、RME9624和漫步者R1900Ⅱ、惠威M200、世代V500、朝露、发友E星/黑钻等等让人挑花了眼，同时连原本不属于电脑音频领域的HiFi耳机也逐渐成为了越来越多朋友们的新宠。一时间，电脑音频形势似乎一片大好。

　　但是、但是，我们在自己精心搭配出的电脑音频系统上仔细聆听音乐的时候，却发现声音多多少少有些问题：高频不那么柔顺细腻，而有些生硬干涩;中频不那么透明柔顺，而有些染色闷声;低频不那么紧凑结实，而有些松散混浊。做个实验，试听一下Diana Krall演绎的《Temptation》、Kari Bremnes的《A lover in Berlin》或者Amanda McBroom的《Make me a kite》，也许你就会发现问题还不止前面提到的这些，毕竟这些演绎和录音是几乎无可挑剔的。

　　问题到底出在哪里?也许朋友们已经发现了，很多时候同样价位下，耳机的声音表现要比多媒体音箱的好。之所以出现这样的情况，一方面是因为同样成本的耳机单元能比音箱单元做得更好;另一方面则是出于放大器的原因，因为音箱需要的功率通常要比耳机大得多，在成本和体积(需要放入音箱箱体之中)双重限制之下很难做出让人满意的放大器。所以很多朋友也将耳机作为了一个选择。但是购买了比较高档的耳机来搭配好的声卡之后，很多朋友也发现问题并没有得到完全的解决，这在很大程度上同样也是因为声卡上放大电路的不足：绝大多数声卡上的放大电路只是一片集成运算放大器。单从指标上来看，很多集成运算放大器的静态电流不到10mA，这样一来，直接推动耳机时很多声卡上的集成运算放大器都处于低压和甲乙类的工作状态，这是在电脑音频系统中对声音品质诸多不利因素里面是影响相当大的一个问题。

　　既然找到了一个大问题所在，我们就应该对症下药了。在网上搜一搜，耳机放大器的成品、方案和电路都很多，朋友们可以考虑跟着笔者DIY一台，感受一下个中滋味;即便是不打算自己动手，参考一下相信也会开卷有益的。

　　也许面对这样浩大的一个DIY工程，朋友们不由得有点发怵。不过别担心，下面我们就以一个具体的例子开始一步步地介绍怎样从零开始DIY一台耳机放大器，从技术基础到购买元件再到组装方法都会涉及，如果跟着这些必要的步骤走下去，相信胜利就会在眼前了。

　　整体外观

　　初试方案

　　在笔者曾经的蹭听经历之中，一次天龙高级CD机接麦景图胆机推B&W N801音箱播放爵士乐的“此曲只应天上有”的曼妙表现令人魂牵梦萦辗转反侧三月不知肉味，也在笔者心中深深烙下了变压器输出胆机的印记，所以笔者这次也选择了电子管的方案。

　　其实对于电子管，我们并不十分陌生。各位朋友应该还记得以前曾名噪一时的在模拟音频放大部分采用电子管的几款Aopen主板，所用的电子管是Sovtec的6922，这是一种常用于低噪声高频电压放大场合的双三极管;而前段时间电子科技大学高人推出的USB电子管声卡采用的是北京厂的军用级6N11，这其实跟前面的E88CC是互为代换型号的关系;还有大极典的几款多媒体音箱。更多具体的例子就不再列举了，总之大家能消除一些陌生感就行了。

　　北京厂的早期石墨屏极6N11

　　考虑到很多朋友对电子管和模拟电路并没有足够的了解，为了能正确地处理实际问题，请关注下面这些绝对必要的基础知识，或者也可以先从下一节开始阅读，需要了解基础知识再回头看看。如果有朋友对技术细节感兴趣的话，请查阅相关资料。倘若对此已经成竹在胸，则可以直接跳到下一节。

电子管的基本知识

　　电子管又叫真空管，美国人称为Tube，英国人称为Valve。J.A.Fleming于1904年制造出第一只二极管Diode，使整流直流电源的使用成为现实;De Forest Lee于1907年在二极管的基础上研制出三极管Triode，使放大器从此登上了历史舞台;之后衍生出的五级管Pentode和束射四极管Beam Tetrode，使电子管可以工作于更高的频率和输出更大的功率。实际上还有其他类型的电子管，由于跟本文关系不太紧密，所以略过不提。

　　相对于晶体管放大器，电子管放大器体积大、重量重、效率低，而且从指标上来讲失真大，所以当上世纪60年代晶体管放大器面世时电子管遭受了人们的冷遇。直到1970年情况才有了改观，美国Audio Research公司的William Zane Johnson先生在美国HiFi大展上展出了他研制的电子管放大器，引领了电子管放大器的伟大复兴。历史的必然在于电子管放大器虽然有自身固有的缺点，但是也有难以替代的优势。电子管的非线性失真指标虽然高，但大多发生在低次谐波上，实际上对听感的恶化不大，反而往往更加好听;晶体管的非线性失真则有发生在高次谐波上，对听感的恶化较大。电子管有助于声音的人性化，甜美自然的声音听来更加让人愉悦放松，同时电子管的失真特性也有利于掩盖音源的不足;而电子管的不足在于低频控制能力稍欠和大电流输出能力不足，不过在推动耳机时的表现不会让人无法接受。电子管电路的特点则是构架简洁，用管数量和放大级数都少，很有些Simple is the best的味道，也可以让我们集中财力拿下尽量好的管子。

　　下面尽量简单地说一下电子管工作原理，了解这些原理将直接有助于处理实际电路问题。电子管由外部的玻璃壳体、内部的几个电极和连接电极的管脚组成。二极管是最简单的电子管，里面有灯丝Filament(跟白炽灯的灯丝看起来差不多，通常用f表示)、阴极Cathode(紧靠灯丝的一块金属板或者灯丝本身，通常用K表示，直接使用灯丝作阴极的电子管叫直热式，有独立阴极的则叫旁热式)和屏极Plate(位于最外面的一块金属板，通常用P表示)。电子管实际电路工作时，灯丝上有电流通过就会发热，当自身或加热阴极到达一定温度之后，会有电子获得足够的能量而从上面发射出来，这些电子将被屏极吸收，但由于灯丝或者阴极不能吸收电子，所以这个方向不能反过来，这个单向导电特性是电子管的工作基础。三极管是在二极管的阴极和屏极之间增加了一个栅极Grid(一片比较致密的金属网格，通常用G表示)以控制电子的运动，而正是栅极的控制作用使得电子管拥有了放大电压信号的能力。五级管则是在三极管的第一栅极G1和屏极之间依次增加了第二栅极G2(称为帘栅极)和第三栅极G3(称为抑止栅极)，目的主要在于减小各极间电容和抑止二次电子发射。电子管各极在电路中的连接方式请参考本文后面章节中的电路部分。

　　直热式双二极管、旁热式三极管和五级管的结构示意图

　　(五级管从上到下：P、G3、G2、G1、K和f)

　　由于电子管玻璃壳体内部存在空间电子流和灯丝，电子管内部需要抽成真空(实际上也有少部分型号的电子管出于特殊需要而在内部充以低压气体)，这就是电子管又叫作真空管的原因。从实际生产工艺来讲，电子管连接外部电路的管脚和玻璃壳体之间是无法保持理想密封而不让空气通过的，所以在电子管的内侧顶部会蒸镀上一些用于吸收气体的消气剂，用以与进入壳体内部的空气发生作用，从而保持内部的真空程度。看起来这些消气剂就像是一层附着在玻璃壳体顶部内侧的银镜。

　　在实际的电子管电路中间，由于电子管和变压器都会发出很多的热量，这也会影响到元件的状态，所以电子管设备往往在开机一段时间之后才会进入完全稳定的状态——就放大器而言就是稳定后声音才会最好。

　　简单说了说原理以后，我们就开始考虑具体的电路。

　　电源方面决定采用传统的电子管全波整流加CLC滤波的方式。电子管全波整流是指用一支双二极管来把两个极性相反的正弦交流电压变成直流电;而后面的CLC滤波是指使用并联的电容和串连的铁芯电感(即扼流圈)来将直流电压的纹波尽量抹平。

　　由于用于推动耳机的电子管放大器不需要太大的输出功率，所以电路里使用两级放大就足够了，也就是前级电压放大和后级功率放大，而无需像大功率放大器一样需要在电压放大级和功率输出级之间设置一个推动级。考虑到实用价值，前级电压放大电路通常有单端Single-End和SRPP(Shunt Regulator Pull-Push并联调整推挽)两种形式，单端放大只使用一个三极管，结构简单，音色也最纯真，中频尤其优美;SRPP形式的高频细致，但低频量感稍欠，且工作时会产生频率非常低的纹波，不用直流伺服电路加以控制的话不适于通过直接耦合输出给后级，考虑到具体情况，所以我们采用了单端形式。后级功率放大电路简单来说可以分为单端和推挽，由于不需要输出太大功率，我们也采用了单端形式。

　　电子管的灯丝供电可以采用交流和直流两种方式。交流供电的好处是声音动态表现好、对电子管寿命影响较小，缺点是噪音相对较大;直流供电的特点则几乎正好与交流供电相反。考虑到耳机放大器的电压放大倍数不大，噪音问题也不会太大，我们决定采用交流灯丝供电。

　　两级放大电路之间的信号耦合方式通常有直接耦合、电容耦合和变压器耦合三种。直接耦合就是用导线直接连通前后两级，信号可以直接通过而没有损耗，但由于导线两端没有电位差，所以必须把前后两级电子管的各极直流电位都提高，以使前面电子管的屏极和后面电子管的栅极直流电位相等，考虑到电源成本和安全因素，这次最终没有采用直接耦合。电容耦合可以用电容来隔离直流，使各级的工作点(电子管各极之间的直流电位差)得以保持互相独立，但电容会影响到细节和低频的表现，综合考虑后这次采用了电容耦合。变压器耦合的原理与电容耦合类似，虽然变压器耦合的效果可以非常好，但是传输变压器比较难以买到而且价格昂贵，也只好放弃了。

　　单端功率输出级的输出方式可以分为阴极输出和变压器输出两种方案。阴极输出方案由于不带输出变压器，所以也称为OTL，阴极输出的声音更加透明，声场更好，而且成本可以做得较低;但由于电子管输出阻抗高、工作电流有限，所以单个电子管阴极的输出推动低阻抗负载的能力有限，虽然通过多管并联可以改善推动能力，但是并联输出需要尽量精确的配对，这是我们的财力和条件都难以企及的。反观变压器输出方案，由于输出变压器的阻抗匹配作用，输出级电路所“看到”的是变压器初级的高输入阻抗而不是负载的低输入阻抗，所以推动低阻抗负载的表现较好。同时变压器由于线圈的电感、磁体的磁滞和铁芯钢片的磁传递等作用而具有非常特别的自身音色。变压器输出方式是不能空载工作的，也就是一定要先接上负载再开机。高品质输出变压器的材料和工艺使得其造价也比较高。由于这次是为高档的低阻抗耳机而设计，再回想起麦景图的优美表现，为了打上这个牙祭，笔者也狠狠心选择了输出变压器。

　　还有就是负反馈。所谓负反馈就是将放大器输出的信号经过反相后送回放大器的输入端。对于是否采用负反馈众说纷纭意见不一，但是负反馈的优点和缺点是有共识的：负反馈能对放大器提高稳定性、降低非线性失真、扩展通频带、提高输入阻抗和降低输出阻抗;但也会造成瞬态互调失真和留下自激的可能。考虑到放大电路只有两级，信号延迟不大，瞬态互调失真也不会严重，同时考虑到稳定性和输出阻抗，所以这里采用了少量的负反馈。

　　由于其他元件参数需要先确定电子管和输出变压器，所以我们把整个电路的具体参数放到选定器件之后。