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设计Korg Nutube放大器第1部分:真空电子管基础

这是第一个系列探索“吉他踏板”的设计,针对放大和失真,这种放大与失真从项目开始到完成设计工作的过程中始终存在,在此过程中需使用Korg Nutube。我们将只使用免费的设计资源,如DesignSpark PCB,所以很容易跟进并可添加自己的设计。

为什么选择吉他踏板?

吉他踏板是我们可以挑选的最简单、最不受限制的放大器。“吉他”包含了太多设备,以至于无论在其上添加什么效果,都可能存在一个踏板包含这些效果。

此外,并不是所有的吉他都有踏板——有些只是放大,有些失真,有些则有踏板来控制效果,而有些则是电位器。这给我们设计设备留有余地。虽然这似乎是违背直觉的,但当我们讨论放大设备的限制时,它将变得很有用。

高保真音响爱好者喜欢真空电子管

对声音与音乐的识别能力是不同的,一些人听起来完美的声音,另一些人却认为这很糟糕。关于选择真空电子管还是晶体管的问题上,我们很难达成共识。当真空电子管将声音放大时,它们确实改变了声音,人们常说声音变得更嘈杂。这来源于许多因素;有些真空电子管放大器添加了噪音,而有些则有低频响应和放大低音多于高音的现象。也许在真空电子管中的电子比在晶体管中的更活跃。

真空电子管

几乎所有人都听说过真空电子管,然而你可能不了解它是如何运作的。就像半导体一样,真空管也有许多类型,但是主要是三极管,下面是它的符号。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

三极管是一个简单的设备,比晶体管更容易理解。它由三个元素组成,你可以识别两个名称,阳极和阴极:

阴极(k)也称为灯丝,简而言之就是电子的来源。电子在热阴极电子管中“沸腾”——技术上是“热电子发射”,但我们喜欢沸腾电子的图像。这种效应是通过将灯丝加热到非常高的温度(数千度)而产生的,因为它给了电子能量以克服阴极中金属的表面势垒,或者换句话说“沸腾”。巧合的是,这也是为什么旧管子会变得很暖和耗费更多电能的原因之一。

阳极(a)也称为平板,是那些沸腾的电子被加速的地方。这加速了电子的需要,这个板块的电位高达几百伏特(或者在某些情况下更多)。阳极/阴极的排列设计,是从第一个电子管上继承的,二极管(是的,它的工作原理和硅管一样)。

栅格(g)通过在栅格上对阴极进行微小的电压调整,电子就会被栅格所吸引或被拦截。这导致阳极/板发生更大的变化,产生电压放大。

电压放大装置VS电流放大装置

有了基本的电子管理论,现在是时候看看每个人最喜欢的放大器装置,NPN晶体管。

 

 

 

 

 

 

 

值得注意的是,虽然这些设备的最终效果是相似的——在某些方面它们的构造也是相似的——它们以不同的方式运行。真空电子管放大器是一种电压放大装置,而MOSFET可能更接近于实际功能的管子。双极晶体管是一种电流放大装置,它有细微的差别。

在运用真空管时,如果我们在栅极施加一个电压,板上的电压将会因输入的增加而改变。即Vp =Gain* Vg。

在上面的NPN的情况下,如果我们向基极提供一个电压,它就会像一个正向偏压二极管,上升到0.6 - 0.7V,保持在那里,基极电流也会相应增加。如果电源不受电流限制,晶体管就会“爆裂”。这就是为什么我们有一个基极电阻来限制电流。当我们使用双极晶体管放大器时,我们必须在基极控制电流,并改变它,而不是电压。

增益很简单,Ic =增益* Ib。给定一个固定的阻抗,可以得到一个电压(V = IR)。这种差别是很重要的,不要遗忘,这意味着这些电路没有直接的可比性。这也是一种更明显的听觉上的差异,与电流相比,电压驱动扬声器可产生不同的特性。

为什么选择真空电子管?

在一段时间内(很长一段时间),市场上出现了一种新的真空电子管,即Nutube(144 - 8943)(144 - 9016)。他们的目标是像三极管一样运行,但是除去了标准三极管中的问题。虽然Nutube像一对三极管一样运行,但结构却不同。更让人联想到真空荧光显示(VFD)。该电子管就是基于VFD技术。

VFD与电子管没有太大区别;传统上,他们会有一个热阴极,一个阳极/板和一个控制电子流的栅格。不同的是,当电子轰击它时,阳极上有一个磷光。Noritake Itron Corp已经找到了在这个过程中创造增益的方法,从而创造了KORG Nutube。

在现代电子技术中,功耗已成为人们关注的主要问题,与旧的VFDs不同,现代电子产品已经适应了时代,而且非常节能。工作电压下降,这意味着Nutube可以在5VDC上运行,也可在80VDC上——尽管我们不建议使用这么高的电压,这既复杂又危险,而且会有电击的危险。12V是更合理的电压。

在这一点上,我们应该快速浏览一下Nutube的设计要点/优点和缺点。

Nutube有以下优点:

低增益

  • 低功率
  • 安全操作电压
  • 高可靠性
  • 小型

下列问题仍需注意: 记住这是 VFD,不是power amp! 

  • 低增益
  • 高电源阻抗

低增益

将KORG Nutube比作传统的三极管,比如12AX7,它的增益很小;12AX7通常有100个增益,而Nutube只有5个。这将限制我们在单个Nutube中获得25个最大增益(假设没有其他因素,并使用两个阶段)。这在大多数情况下都是足够的,对于我们的踏板应用来说是很好的。

高源阻抗

除了低增益外,(阳极)电源阻抗约为300kohms。这意味着从放大器(例如:30 - 40ua,12V板)中几乎没有可用的电流。

相比之下,12AX7是62.5 kohms,250V电压,使驱动器在mA水平附近(至少比Nutube高出100倍)。而且由于功率=电压*电流,增加的功率比Nutube要多得多。

这使得该设备不适合没有缓冲区的输出驱动阶段。

下一个步骤

现在我们有了真空电子管的基本原理,我们需要一个基本的放大器电路。下面是12AX7典型三极管电路,这将是我们的Nutube放大器的一个很好的起点。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

在使用Nutube时,我们将阴极末端连接,阴极电压应为0.7v。幸运的是,在Nutube数据表中,有一个参考原理图,它显示了通过150R,将其连接到3.3 v所产生的阴极电压。也就是说阴极得到了17.3 ma,通过欧姆定律得到了大约40Ohms的阴极电阻。

有了这些信息,我们就可以将电路留作参考,或者创建我们自己的阴极驱动器。300k阳极电阻器可能是一个良好的开端,但随着我们的设计进展,我们将进一步研究它。

最后,与上面的电路不同,栅格需要有偏差,因此将一个节点放置到3v3,使相应的管道产生偏差。把这个节点当作一个可变的偏置电压。从这一点上来说,这是一个简单的任务,即在设计上进行测试。请注意,偏置电流相当高,所以这个电路必须是一个低(ish)阻抗。

 

最后的话

我们已经很好地看到了传统的管子和Nutube,我们处于一个良好的位置,开始考虑放大器的设计和其它设计——甚至是建立一个测试电路。如果你现在正在跟进的话,那将是一个很好的时间琢磨并观察一个给定输入的电子真空管的特性。现在是时候结束了:未完待续… 下次我们来看基本电路,我们需要做的是把它变成一个实际的放大器。

更新:第2部分在这里…

下次再见

Karl Woodward

Karl is a design engineer with over a decade of experience in high speed digital design and technical project leadership in the commercial electronics sector.

12 Dec 2017, 9:47