雕虫小技

John Linsley-Hood 1996电路简析


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John Linsley-Hood 在1969年发表了他的手焊功放--JLH1969,无意间也创造了一款恐怕是流传时间最长的晶体管功放。其时,音响界正值电子管到晶体管过渡的年代,人们依然沉浸于电子管的靡靡之音中,却苦于晶体管电路没法提供类似于电子管功放的音色。JLH的电路则在满足人们音色取向的同时--JLH先生认为它的音色几乎和威廉姆逊放大器一样,用晶体管替代了笨重的电子管,自然也摒弃了结构复杂的输出变压器--JLH宣称制作成本仅为同输出功率电子管功放的十分之一。要知道彼时晶体管还是新鲜玩意儿,自然价格不菲。今天制作一款JLH电路的成本应该不足同输出功率电子管功放的百分之一到千分之一。

沉迷于电子管音色的音响爱好者自然对JLH1969电路念念不忘,DIY作品也是层出不穷,殊不知JLH先生在1996年看到大家对它的1969电路如此热爱时,也适时更新了它的电路,这就是JLH1996。简单说,它是1969电路的升级版,或者说现代版--取消了输出耦合电容,电路由OTL变成了OCL;供电自然也改成正负双电源供电;升级部分停产晶体管型号为新型晶体管;升级了稳压滤波电路以及静态电流调节电路。

电路如右:


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JLH-1996与1969电路在工作原理上保持一致,Tr4作为输入级,为基本共射放大器组态。集电极的输出耦合到Tr3作二级放大。这里,对于输出管Tr1来说,Tr3相当于共集电极组态;而对于输出管Tr2来说,Tr3相当于共发射极组态。两种组态的区别是频率传输特性不同。从二级放大器Tr3的结构不难看出电子管放大电路的影子--电子管分相器,将一路输入信号分成大小相等,相位相反的两路信号。这也不难理解,JLH所处的时代正是电子管放大器鼎盛时期。

输出级也不同于现今的全互补(准互补)结构,两个NPN晶体管分别做共射,共集组态而构成输出级。或许是时代的限制,让JLH只能选择NPN管作为对管组成输出级,又或许是JLH先生有意为之。无论如何,这个特殊的输出级结构造就了JLH电路特殊的电子管音色--它的失真集中在二次谐波失真上,其余奇次谐波几乎不可见。


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要深入理解JLH1996电路,可以先从电压放大级(VAS)入手,即Tr3。它的型号为2N1711,属于比较古老的晶体管了,从参数可以看出,它的Hre(反向电压传输系数)和Hoe并不是很小--至少在JLH电路分析中,完全忽略这两个参数是不合理的。按照右图的参数,在2N1711集电极接恒流源时(近似集电极交流负载为无穷大,等效于JLH输出端未接喇叭),它的最大电压放大倍数约为740. Pspice仿真的结果则为4000左右--根据公式,2N1711在静态电流为20.36mA时,hoe约为2.06K,而Pspice仿真结果显示2N1711 hoe约为5.44K,不过似乎Pspice完全忽略了Hre的存在。在集电极负载为1.6K时(等效于JLH输出端接8欧姆喇叭),中频放大倍数约为650倍。Pspice仿真结果显示918倍。

再来看频率特性,Tr3输出分为两路,Tr1的输出取自Tr3发射极,此路信号的-3dB带宽很宽,主极点由Tr1决定;第二路由Tr3的集电极取出,此路信号的-3dB带宽Pspice显示为105KHz。如果用解方程组的方法求信号传递函数的话会发现,Miller法则在这里是可行的(Rbe||Rs>>1, gm*Rc*Cc>>Cbe)--电路传递函数为两极点一零点结构,主极点和第二极点距离很远,零点不幸在右半平面,不过好在频率很高(w=gm/Cc)。计算显示主极点频率约为30KHz。类似的法则用于Tr1,可以求出Tr1的主极点频率。进一步,若要两路输出信号的频率响应基本一致,则要求输出管的集电结电容约等于VAS级集电结电容乘以它的电流放大系数。


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有了上面的基础,我们可以进一步分析电路的闭环特性。不难看出,JLH电路采用的是电流负反馈结构--与普通的电压负反馈不同的是,电流负反馈的带宽与反馈电阻R8的取值有关。简化的分析电路如右图,Tr4的集电极电流注入复阻抗Ts,它其实就是Tr3的等效输入阻抗---其中容性部分主要由单向化后的Miller电容构成。复阻抗的电压经Tr3放大之后由Tr2缓冲输出,即Vo。结果很简洁也很让人意外,放大器的带宽跟负载无关,也和Tr3,Tr2的电流放大倍数无关,仅仅取决于R8的阻值和Tr3集电结电容的容值!当然前提是上述的主极点假设成立。

有不少音响爱好者在复刻JLH电路时会出现振荡的现象,原因之一就是Tr3(或者Tr1,查阅目前大功率音频输出管的规格书,Tr1的Cob一般不会太小,约500pF左右)的Cob太小,不足以构成主极点--与其它的高频极点距离太近,导致相位幅度条件不满足。解决方法有二,按比例增大R8,R6阻值--增大阻值会导致电路开环增益降低,可能导致失真变大;或者在Tr3以及Tr1 C-B极之间并联补偿电容,自然,也可以在输出点和Tr3基极之间串入一补偿电容。


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JLH先生在1969电路里提到,Tr1, Tr2, Tr3构成的回路内部存在负反馈,有助于提高输出的线性度。不过JLH先生并没有详细解释这种内部反馈机制。具体分析见右,这种结构的输出级相比于更现代的互补对管输出级,在线性度上其实还是挺优秀的。首先,输出对管无需配对,Tr1 Tr2的电流放大倍数不需要严格相等。其次在接近输出削波之前,输出都保持良好的线性度。


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基于互补对管的输出级结构,只有严格配对,并工作在纯甲类状态下,才能保持良好的输出线性度---如果工作在甲乙类,它的开环线性度会很差,大都需要深度负反馈来改善闭环特性。这也是为什么现代的功放设计普遍采用超高电压增益的VAS级和输入级的原因。

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