电子管功率放大器的简易设计

六、整机设计及负反馈介绍

负反馈放大器介绍：

将部分放大器输出信号的反相位置发送到输入端，称为负反馈，负反馈放大器称为负反馈放大器，也称为闭环放大器。反馈信号强度与输出信号电压成正比的，称为负电压反馈；反馈信号强度与输出信号电流成正比的，称为负电流反馈。

负反馈在一定程度上提高了放大器的性能，主要是扩大频率带宽，减少失真和噪声。 但也降低了电路的放大倍数。

负反馈可分为并联负反馈和串联负反馈。顾名思义，并联负反馈意味着反馈信号与输入信号并联。串联负反馈意味着反馈信号与输入信号串联。

综上所述，反馈可分为：电压系列负反馈、电流系列负反馈、电压系列负反馈、电流系列负反馈。除了负反馈的共同特征外，它们还不同程度地影响输入和输出阻抗。

其中，电压反馈降低输出阻抗，电流反馈增加输出阻抗；并联反馈降低输入阻抗，串联反馈增加输入阻抗。例如，电压并联负反馈不仅降低了输入阻抗，而且降低了输出阻抗。

反馈信号与输出信号的比值为β，称为反馈系数。反馈信号为电压反馈Uf，输出信号为Uout，则反馈系数 β＝Uf/Uout

设置系统开环放大倍数Ko，加负反馈后的闭环放大倍数Kf以下简单公式可计算：

Kf=Ko/(1 βKo)

若开环增益Ko足够大，反馈深度深，即 βKo 》1时(通常当βKo>10时可以认为βKo》1)公式可简化为Kf＝1/β，也就是说，它与开环放大倍数无关（这是晶体管操作放大器电路中常见的闭环）。

1.典型的单级电压并联负反馈(图14):

简单分析：放大系数 Kf=Ko/(1 βKo)=Ko/(1 Ko?RF/Rs)，

Rs为图中信号源内阻，由于栅漏电阻Rg往往远大于Rs，所以这里忽略不计。

输入阻抗 Rif＝Rg||[Rf/(1 Ko)]

此时，电子管等效内阻 raf＝ra/(1 uβ)，等效放大系数 u=u/(1 uβ)

这表明，u束射四极管和五极管的高值β当值较大时，等效内阻可接近甚至小于三极管的内阻。

2.典型的单级电流串联负反馈(图15):

放大倍数 Kf＝ uR'L/ra R'L (1 u)Rk

其输入阻抗Rif和原输入阻抗Ri的关系为 Rif＝(1 βKo)Ri，是增大的

此时，电子管等效内阻raf＝ra (1 u)Rk，可见电流串联负反馈增加了开环时管内阻 (1 u)Rk 倍。

串联电压负反馈和并联电流负反馈馈和并联电流负反馈，可采用上述方法进行分析。

多种负反馈组合称为混合负反馈电路。

3.简单实例分析(图16):

电路由三部分组成：共阴电压放大单元(V1，Ra，Rk组成)，阴极输出单元，(V2.负反馈网络(Rf和Rs组成)，另外120K电阻和33uF电容组成电源退耦部分。

4.简单计算共阴极放大单元：

查表得12AX7特性如下，ra＝50K，u＝100

电路采用直耦，由于阴极输出器输入阻抗高，忽略不计，因此交流等效阻抗R‘L＝Ra＝220K。

可以看出，电压放大级是典型的电流串联负反馈电路，应用上述分析公式

本级放大倍数K1＝100×220K/[50K 220K (1 100)×2K]＝46.6倍。

阴极输出器放大倍数小于1，约等于1，阴极输出器放大倍数K2＝0.9

然后，整机开环放大倍数 Ko＝K1?K2＝46.6×0.9＝42倍

由于反馈信号是由电阻引起的Rf与信号源内阻Rs获得分压(电子管V因此，反馈系数：

β＝Uf/Uo＝Rf/Rs＝100K/1M=0.1

整机环路负反馈是典型的电压并联负反馈，因此上述公式适用于闭环放大倍数：

Kf＝Ko/(1 βKo)＝42/(1 0.1×42)＝8倍

实际实验结果表明，选择12条线路程式AX7管实测闭环放大倍数为7.9倍

选择放大系数u=70的6N9P实测闭环放大倍数为7.8倍

负反馈稳定了电路参数。

反馈深度对数计算方法：

反馈深度 Ku＝20lg(Kf/Ko)

如果反馈后放大倍数Kf＝0.5Ko

则反馈深度 Ku＝20lg0.5＝－6db，即反馈减少了6db电压增益

需要指出的是，深度负反馈电路可能会引入新的互调和瞬态互调失真，同时减少谐波失真，因此需要谨慎应用。

七、简单管甲功放电路设计实例：

要求:设计输出功率为8W功率放大器。谐波失真要求小于5%。

1.选择功率放大管。在常用的功率放大管中，检查手册可以看到EL34五极管做单端A1类放大，输出功率可达11W，但实际电路中往往存在各种损失和误差，但输出8W功率仍然不是问题，所以选择EL34更适合输出管。同时，由于功率输出级失真较大，需要引入负反馈。

2.确定电路程式。已确定采用输出级A为稳定起见，采用阴极自给偏置提供栅极所需的偏置电压。查手册可知EL34满功率输出需要推动电压8.2Vrms，设置0输入音频信号.5Vrms，则电压放大级需要16.4倍放大量。由此可见，一级共阴极放大采用三极管可以满足要求。当满功率输出时EL34功率管失真率达到10%，需要施加一定量的负反馈，因此设置电压放大级电压增益Au＝32倍。满功率输出8W8欧姆负载电压有效值Uo＝8Vrms，输入电压0.5Vrms，整机闭环增益Kf＝16倍。

3.根据图表数据和要求，如图17所示，制作功率放大级单元电路：

实际取Rk＝200欧姆

由于流过Rk电流包括窗帘电流和屏幕电流，Ik＝83 13＝96mA

保守计算设Ik＝100mA，则Rk实际承受功率P＝Ik?Ik?Rk＝0.1A×0.1A×200Ω＝2W

为确保长期工作稳定，选择标称功率5W的电阻

为了安全起见，选择阴极电阻两端电压值的两倍。阴极电阻两端的电压值Uk＝Rk?Ik＝96mA×200Ω＝19.2V，50系列耐压值V的电解电容

阴极旁路电容的容量取决于功率放大器工作的最低截止频率，

设置最低截止频率fL＝20Hz，则Ck计算值不得小于以下公式：

Ck≥3/2π?fL?Rk＝3/(2×3.14×20×200)＝0.00012F＝120uF

这里取Ck＝330uF

功率输出级电压增益：Au1=1(计算略)

4.电压放大级计算。设置了电压放大级增益。Au≥电压放大管的放大系数为32倍u＝2?Au＝64，查手册12AT7放大系数u=70，符合要求。所以选择12AT7做电压放大管。

常用的负反馈引入方法如图18所示：

反馈电路由是电压系列的负反馈Rf和Rk组成，反馈系数 β=Rk2/Rf。

同时注意到为了引入整机电压串联负反馈，Rk在计算电压放大级时，应同时引入电压放大级电流系列负反馈。

查手册得12AT7参数，内阻ra＝10K，放大系数u＝70

供电电压为Ea＝250V，通常屏极电阻Ra这里选择内阻2-10倍Ra＝24K

功率放大级计算已确定EL34栅漏电阻Rg＝240K，10倍于Ra，可以忽略不计

电压放大级交流负载电阻R‘L＝Ra＝24K。

利用手册上12AT静态分析7特性曲线图(具体方法见电压放大级分析，此处略)，

得出12AT7静态工作点，栅偏压Ug＝－1V，屏压Ua＝124V，屏流Ia＝5mA

作图中得出最大输出峰峰值电压Upp已远大于EL34满功率驱动电压峰值，无需验证。

计算电压放大级增益，Au2=35倍，满足预先要求32倍 。

整机开环增益，Ko＝Au1?Au2＝1×35＝35倍。

根据上述计算，整机需要闭环增益Kf=16倍，反馈系数 β＝1/Kf－1/Ko≈0.03

反馈电阻Rf＝Rk1/β＝200/0.03＝6.6K，选取Rf＝6.2K。

耦合电容C应满足系统的低频下限。

C≥3/2π?fL?Rg＝1/(2×3.14×20×240K)＝0.1uF，取0.22uF，耐压应大于本级直流供电电压400V耐压系列。

电路设计如下(图19):

整机电路如图200所示：

各项验算工作从略。

八、成功制造功率放大器的关键。

成功生产功率放大器的要素很多，如各级电子管工作点的选择、变压器等部件的质量、生产工艺、调整水平等。在这些因素中，最重要的关键因素是电子管工作点的选择和变压器的质量。

1，关于输出变压器：输出变压器的设计将另文讨论，这里不做详细说明。

关于变压器，常见的误解是输出变压器不结合电路和功率管。显然，这并不能解决这个问题。这里只指出以下几点：

a,输出变压器是为电路服务的。只有为某个电路设计的输出变压器才能同时使用几个电路，即使其主阻抗一致。

b,在其他参数中，输出变压器的分布电容基本上与泄漏感成反比，这是一对矛盾。

不同的电路和不同的功率管所需的输出变压器的初始电感必须不同

c,即使所需的低频参数指标相同，不同的输出管对变压器的电感要求也不同。例如，低内阻300B只需要10－20H如果使用6，可以满足初级电感量的要求P3P但是需要几十H的电感，所以两者的分布参数必然不同。

对于高内阻管而言，所需初级电感量大，影响高频的主要因素是分布电容。

这点在设计输出变压器的时候必须考虑，所以脱离电路谈输出变压器基本是没有意义的。

乙，电子管的特性曲线。

要正确的设计电子管的工作点，就必须依靠其特性曲线，因此我们必须掌握所用电子管的相关特性曲线。有了特性曲线，我们才有可能设计制作出性能卓越的放大器。特性曲线的来源有三个途径：查阅手册与自己测量，当然，还可以通过网络查找。不过，对于相当多的爱好者而言，自己动手测量则是最可靠的途径。如何自己动手测量电子管的特性曲线——转移特性曲线以及板极特性曲线，本文不再讨论，将另文说明。

参考资料：

1，http://www.hifidiy.net/jyxd/200706/t20070627_1052.htm

2，http://www.ic37.com/htm_tech/2008-3/47257_997720.htm

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