高保真电子管功放输出变压器的精确设计计算法

器件与电路囿恼囿响@6@凹6文章编号：1002-8684(2006)09-0034-03高保真电子管功放输出变压器的精确计算法姚文华(南阳师范学院物理与电子工程学院，河南南阳473061)·产品设计·【摘要】hi—end电子管功放音质优美绵厚，影响其音质的关键部件是输出变压器的电声性能，成为系统的喉舌。提出了一个新的方法，改变了以往粗略的估算法，使设计计算更合理、更科学、更实验化，成功解决了设计制造输出变压器的关键问题。【关键词】高保真；功放；输出变压器【中图分类号】TN722【文献标识码】BMethodforPreciseDesignoftheElectronicTubePowerAmplifierWithHighFidelityYAOWen—hua(SchoolofPhysicsandElectronicEngineering，NanyangNormalUniversity，NanyangHenan473061，China)【Abstract】Theelectroacousticperformanceoftheexpo~transformeristhekeyfactorafectingthesoundquali~ofthehi-endelectronictubepoweramplifer．Anewmethodwhichchangesthetraditionalmethodtosolvetheproblemispresented．Thismethodismorepreciseandreasonableindesigningtheexpo~transformer．【Keywords】highfidelity；poweramplifer；exporttransformer1引言电子管功放分为变压器功放和OTL功放两种，变压器功放的优点是由于输出端变压器的存在，音质纯真柔美，空气感十足，谐音丰富，“胆味”浓郁。其主要性能取决于变压器的性能。OTL功放由于省略了输出变压器，频响宽阔，失真小，声音纯正，动态范围大，背景宁静。然而缺乏变压器功放的柔美和丰富的谐音。和晶体管功放相比，电子管功放的音质更加纯真柔美，谐音丰富，“胆味”浓郁。电性能稳定，使得听感非常绵厚。而晶体管功放虽然保真度高，频响宽，然而听感音质单调，保真度不高，动态稍窄，久听生厌。近几年来大量的MOS晶体管应用于功放中听感有所改变，然而基本的听感还是不能和同级别的电子管功放相比，音响界似乎谈到顶级功放就非电子管莫属。如何合理设计制作电性能十分优良的输出变压器及电子管功放呢?结合笔者最新制作FU一50立体声单端电子管功放的经验，详述输出变压器的设计和计算技术。具备什么样电性能的输出变压器可以发出优美动听的音乐呢?笔者先来设想一下理想变压器的性能指标。~]mlim#lI206．092理想电子管功放对输出变压器的要求【】理想电子管功放对输出变压器的要求为：(1)初级电感为无穷大，以获得很低的低频信号；(2)漏感、分布电感、分布电容为零，以便高保真地传输现代音乐的超高频信号，并使幅频特性平坦；(3)不产生各种形式的串联或并联谐振，以免使音频信号发生畸变；(4)不产生任何非线性或相位延迟失真。从变压器的原理上讲，现今无论何种形式的变压器均无法同时满足以上条件。首先说变压器要用铁芯做导磁媒体，其非线性失真一般很大。再有若需很大的初级电感，其漏感、分布电感、分布电容亦随之加大。满足了第1项，就要损失第2项，互为矛盾。且较大的初级电感又可使相位失真加大，动态范围减少。一只宽频响的输出变压器，要求在满足高频的情况下尽量增加初级电感，以使频响曲线向低端延伸情况下，尽量减小分布电容及漏感以使高频更靓。道理非常简单，然而设计和制作却比较难，以致于输出变压器的设计和制造成了决定电子管功放音质优劣的关键因维普资讯http://www.cqvip.com素。一些世界知名品牌如McIntosh、西电、马兰士等的输出变压器，频响宽，音质优美。复杂而特殊的绕组结构早已申请了专利。然而目前国内一些中低档电子管功放的输出变压器，在设计上只照顾低频，高频到哪里一概不管。此类功放虽有充实的低频但高频暗淡，久听会感觉味同“嚼蜡”。3各种因素对输出变压器性能的影响由于变压器中存在电抗成分，其感抗随频率的变化而变化，输入阻抗亦随之变化。一般中频段呈一定值不变，而低频段则随频率的降低急速下降，高频段又随频率的上升而升高。当阻抗偏离放大器的最佳负载阻抗较多时，放大器将产生严重的波形失真，且输出功率亦下降。故一般要求变压器的输入阻抗变化<30％为宜圈。由于变压器本身存在分布电感及分布电容，其相互作用将产生串联或并联谐振。发生谐振时，其输入阻抗趋向于零或无穷大。且无论是串联或并联谐振，其输出电压都可能出现峰值，使频响曲线变差。为控制变压器在谐振时输入阻抗的变化程度，保证平坦的幅频特性，应控制变压器回路的Q值(这里Q值是指感抗或容抗与回路电阻之比。Q值越大，其阻抗的变化程度也越大)，选择合适的电感漏感、内阻及分布电容值。另外，变压器初级电感的大小还与信号的动态范围有关，当信号幅度与响度变化时，意味着铁芯中的磁感应强度和磁导率在变化。因而初级自感量也将随着信号幅度的变化而变化，当信号幅度较大时，很大的初级电感，将引起波形失真加大。而信号幅度较小时，铁芯的磁导率变小，自感量变小，将影响频率响应特性。再者，从减小相移失真的角度考虑，输出变压器亦不能只为照顾低频而过分地加大初级电感。由于铁芯的磁饱和程度与频率成反比，在低频段，铁芯有可能工作在B—H曲线的饱和区，此时，因磁化电流的波形已严重失真，呈尖顶状，致使输出电压的波形也产生失真。输出变压器铁芯的磁感应强度越高，失真亦越大(这就是为何用EI型铁芯做输出变压器，要比其他形式的如R型、C型及环型铁芯频率特性好的原因，且EI铁芯最好不用超高导磁率，带纹向的硅钢片)。当输出变压器中有直流磁化时(如单端变压器或推挽输出变压器因两管电流相差较多，或两组绕组圈数不对称时)，失真就更为严重。：为减小波形失真，常用的办法是在铁芯中垫入空气隙。若推挽输出变压器两管电流相差5～10mA时，就要留有气隙(或者不将铁芯插得过紧)。4设计计算现结合笔者2005年春节成功制作的FU一50电子管单端甲类纯后级功放经验，详细说明甲类高保真单端输出变压器的设计计算方法。4．1计算参数选取功放选取FU一50电子管接成三极管接法，单端甲类输出(选单端输出是因为单端输出谐波丰富，极具电子管音色)。电源最佳工作电压390V，经实验测试，输出变压器一次侧绕组所配屏极负载阻抗最佳取3000n(很多常用的电子管都可从厂家给出的技术参数中查到推荐的典型应用阻抗值，当然也可通过实验自己确定最佳负载阻抗，由于篇幅有限此处从略)。二次侧阻抗取8n(为了尽量减少失真，二次测不做多抽头)。最大直流工作电流取50mA(电子管手册给出典型运用50mA)，输出变压器效率取0．8，要求变压器频响为30Hz～20kHz。4．2确定一次侧电感数据根据设定参数，为了确保通频带内频率特性，一次侧电感应该足够大，运用单端输出变压器的一次侧电感经验公式为L=R：丽3000=15．9(H)(1)若是推挽输出变压器可R：计算。式中：为一次侧电感量，单位H；为一次侧负载阻抗，单位n为下限频率，单位Hz；为低频时的失真系数，一般取1～1．4，此处取约1．26。4．3铁芯截面积的计算EI型输出变压器铁芯中心立柱的截面积为5；A×(2)式中：A为舌宽，单位om；为叠厚，单位om；的实际取值可比计算结果大10％，Sc的单位为om。于是所需变压器铁芯截面积为Sc=300XLjo=300x15．9xO．052=_11．9(em)S取11．9xO．1+11．9=13．09(om)，考虑到空气隙，实际取13om。式中：，n为单端输出变压器中的最大直流工作电流，系数300是按国产硅钢片的导磁率求得的。如果用Qi~i206—09I35l维普资讯http://www.cqvip.com新日铁Z11这样的高导磁率片子也没有问题。4．4初级匝数N1的计算Ⅳ1-45-45×2752(匝)(3)取2800(匝)。4．5次级匝数Ⅳ2的计算(次级阻抗取8Q)Ⅳ2N12800_167⋯)4．6导线直径的计算初级导线直径D1=O．75x／／o=O．75~X／"O．~=O．17(mm)(5)次级导线直径D，：：：0．7(m)(6)＼／筹、／直径0．7mm的漆包线太粗，采用当年麦肯托什输出变压器的做法，为了实现三段并联的绕法，改为用三根0．4mm漆包线分别绕完二次侧绕组后再并联，电流值保持一致，如图1所示。单端输出变压器工作中有直流成分流过绕组，所以铁芯只能单向插入并留有气隙。气隙宽度L=(N~X／o)／1600=(2800x0．05)／1600=0．087(mm)(7)这是总的气隙宽度，实际气隙取／4z_-o．044(mm)。用等厚的绝缘纸垫在E和I的间隙上，将铁芯压紧即可。其中在小型变压器中效率取75％，完成线径计算后，还要验证所选的线材是否装得下该铁芯的窗121，这要从漆包线的规格表查找“每厘米可绕圈数”，计算每层带绝缘的厚度、总层数、线包的鼓起系数等，具体可参考有关资料。5绕制工艺为了得到优异的性能，输出变压器的工艺是十分i~--]qlilqlil206-09讲究的，笔者采用了“次级三夹初级二”的结构，来达到增大耦合，减少漏感、减少分布电容的目的(见图1)。初级夹在次级之间，可以减少它对铁芯的分布电容；同时次级的始端(线头)接地(On)，也是出于减少分布电容的考虑【3】。若选更多的夹层，虽能进一步减少漏感，但也会增大分布电容，所以应该适可而止。输出变压器的层间绝缘，以薄的电缆纸为佳，介电常数越小越好。聚酯薄膜类的材料介电系数大，最好不用。漆包线通常用国产QA线就可以了，如果不计较成本，用进El的4N铜更好，不过要贵上十几倍。变压器绕好后，必须经过浸漆烘干等工艺，才能保证性能稳定和长久使用。如果擅长蜂房式绕法，效果将会更好。6变压器铁芯的选取经大量实验测试和音质评价表明，电子管输出变压器铁芯最好选取EI型铁芯，这是因为EI型输出变压器铁芯历史长久，技术成熟，绕制电感量大，可以获得较低的低频频率，而且整个频带内频率特性均匀。铁芯厚度可选国产O．35mm或进口0．1mm两种厚度。铁芯材质尽量选用冷轧压延硅钢材，磁饱和密度和导磁率较高，高频铁损小，最适合用于输出变压器。如果有条件也可以选用新日铁Z11或合金铁芯，效果更好。7漆包线的选取漆包线的被覆材料尽量选用高耐热高绝缘类型的，例如福马尔线耐热温度130％。聚尿烷线耐热温度120％。与福马尔线相比聚尿烷线耐热性差，但焊接性好。制作输出变压器的线材，以直径0．1一1．5mm左右为限。直径0．1mm以下易断，而直径1．5mm以上又太硬，难以绕制。建议采用多股并绕形式。8浸漆烘干浸渍变压器的绝缘漆一般用1032烘干绝缘漆，干燥温度为130％约3小时，浸漆前要先把变压器预烘到11d℃保持2小时以上，再浸泡到绝缘漆里1小时，取出沥干然后再烘干。业余条件下可以找一个40cmx40cm，高度60cm铁箱子，用250w红外灯泡吊在箱盖中间，调节高低使离开变压器10cm左右，用温度计监视箱内温度，开关灯泡就可以控制温度。9结束语以上计算中的经验公式，经实验测试表明精确度较(下转第39页)维普资讯http://www.cqvip.com和较短的延迟。G．729是ITU—T组织于1995年11月通过的，G．729是IP电话采用的话音压缩。G．729算法是基于CELP编码模型提出的，采用了共轭结构的算术码本激励线性预测(CS—CELP)技术来实现语音信号的编解码。编码器对于原始的语音信号以10ms为一帧提取CELP模型参数，每一语音帧提取的参数编码为80位的比特流进行传送。解码时，从80位的比特流中提取激励和合成滤波器参数。3．2传输的选择与实现根据OSI网络标准定义，网络由物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层7层组成。而在实际应用中，网络结构可采用链路层、网络层、传输层和应用层4层模型。在TCP协议组中，IP协议是网络层协议。TCP协议是一种面向连接的协议，它能够提供可靠的、全双工的网络通信服务，具有确认、数据流控制、多路复用和数据同步等功能，适合高质量数据的传输，是目前应用最为广泛的网络传输协议之一。但是，由于TCP协议实现复杂，网络开销大，以及其提供的确认与超时重传机制都给数据传输带来很大的时延，对实时音频传输来说，这个时延大大超过了人耳所能容忍的程度。因此TCP协议不适合传输实时音频数据或实时视频数据和突发性的大量数据。UDP协议是无连接协议，报文交换机理简单，不存在多重确认机制。从而减少了因建立连接和撤除连接所需要的巨大开销。每个分组都携带完整的目的地址，在各分组系统中独立传送。它不保证分组的先后顺序，不进行分组出错的恢复与重传。因此无法保证传输的可靠性和服务质量。但是相对于TCP协议，UDP协议减少了确认、同步等操作，节省了很大的网络开销。它能够提供高传输效率的数据报服务，能够实现数据的实时性传输，在数据的实时传输中应用广泛【5j。因此笔者所设计的系统中，该模块采用以太网的封装格式协议(兼容IEEE802_3)，IP协议和UDP协议作为系统的通信协议。该部分软件包括：以太网驱动程序和收发数据处理两部分。RTL8019AS硬件或软件复位后即进行初始化工作，包括设置接收缓冲区和发送缓冲区，设置本地MAC地址，配置接收参数、发送参数和数据参数，给写入页指针和读取页指针赋初值，清除中断状态位等。发送时，DSP首先将语音数据封装打包，然后用远程DMA方式写入RTL8019AS的发送缓冲区，将数据包发送到网络上。接收时，通过查询ISR确定是否收到数据，如果收到，则以远程DMA方式逐页读出接收缓冲区中的数据帧，并去掉包头，恢复出语音数据。每读1帧，将BNRY指向下一页缓冲区，如此反复，直到读出RTL8019AS接收缓冲区中的所有数据帧。4结束语笔者采用以DSP+MCU结构作为系统核心，加上CODEC和NIC等外围电路构成的IP语音通信系统，提供了灵活的模拟话音接口和标准的网络接口，适合低速率语音通信，实现了语音数据基于以太网的传输。参考文献[1]谭鹏，温斌，吴善培．基于TMS320C5402的多功能IP电话机的设计【JJ．半导体技术，2001(2)：108-110．[2]肖建荣，胡剑凌，张玫．基于UDP的网络音频系统的研究与实现【JJ．电声技术，2004(5)：55-57．作者简介冯瑛敏，硕士研究生，主要研究方向为现代网络通信技术。【责任编辑】史丽丽【收稿日期】2006-06-09(上接第36页)好。FU一50单端的音质直逼300B电子管，配上笔者的输出变压器音质空气感十足，人声颇感磁性，高音异常亮丽，中音厚实有力，大大超过了一般晶体管功放的音质。通常变压器绕好后还要通过频响、功率等指标测试，然后上机试听，若不满意还要反复修改，才能达到靓声的目的。总之，输出变压器的绕制，是一门实践性很强的工艺技术，只有通过反复试验，才能做出高性能的电子管功放。参考文献[1]杨士毅．高保真音响实用全[MJ．北京：电子工业出版社．2001．[2]张维国．高保真放大器与音箱制作精选[M]．北京：人民邮电出版社，1999．[3]陈兆良．别具风味的电子管功率放大器【JJ．无线电与电视，1991(4)：39—41．作者简介姚文华，讲师，主要研究方向为电机与节能，逆变与变频。为多年音响发烧友，擅长音响系统的设计制造。有过专利技术，也曾发表8篇，合著教材8部。[责任编辑】史丽丽[收稿日期】2006-07-28Ii~ml206-09N维普资讯http://www.cqvip.com