談談R-C被動型RCA／RIAA電子管唱頭放大器【原創】

Gautau

小弟在這幾個月才開始接觸中文字的音響論壇，期間卻發覺國內的中文論壇普遍有一现象，都很少會提及和討論關于RCA/RIAA唱頭放大器(當然還有AES 和Columbia 。。。)，個人感到似乎可能是错過了黑膠唱片(LP Record)的輝煌年代吧？

而在那時，香港這彈丸之地卻掌握了時代的脈搏，更貴的器材都可找到﹔當時大家都可玩個不亦樂乎 . . . 不過，近年黑膠唱片(LP Record)系統確已少了人玩，看來似是明日黃花矣！

可是，反觀歐美各大小廠家仍十分踴躍，嶄新的觀念層出不窮，線路亦有別于傳统的設計，更大量引入了膽石结合的概念(Audio Research  可算是始作俑者)，宛若百花齊放，令人耳目一新。


黑膠唱片系统確實使人既愛且恨 . . . . . .
< 1 > 浪費金錢﹕初始的投資極大，唱盤、唱臂和唱頭皆價值不菲，全套的中價設備便足可購買一部很不错的高價CDP(CD唱盤)了。還未計算前置放大器／唱頭放大器呢！
< 2 > 浪費時間﹕單是學習調校唱臂便虛耗不少時間。日後還是要調校、調校、再調校。
< 3 >損耗極大﹕雖然唱頭／唱針有一定的壽命，但如偶一不慎將唱頭 “鋤” 在唱片上時更會兩敗俱傷 . . . . .  唱頭可不平宜呵，但绝版的天碟更屬無價之寶也！
< 4 >指標偏低﹕一切的技術指標都比平價CDP差，加上唱片、唱盤和前置放大器／唱頭放大器所產生的噪音，確實令人烦燥不安。


看到黑膠唱片系统的缺點後，不知大家對這系统還會動心不？

遲點會引一段 中、港、臺 颇流行的文章過來，好讓大家參考、參考。


究竟黑膠系统有何優點？

Gautau

架仔（日本人）說﹕「原音の重现」 . . . . . .  一語足矣！

一部小小的唱頭放大器，除了售價令人咋舌外，其內容更足以使人神魂顛倒 . . .
元件方面﹕有電子管、晶體管和集成電路等等。
線路方面﹕單是電子管便有很多不同的設計，若再輔以晶體管或集成電路的話，更感花多眼亂，使人無所適從！
網络方面﹕有被動型和主動型等等。
電源方面﹕有用電池和市電，當然還有不同形式的電路設計和穩壓電路。

元件﹕
除了間中會選用OP-Amp(集成電路)外，個人大多會採用電子管作主力，偶然也會將晶體管加插在線路内，以彌補電子管的不足(主要是節省成本)。至于纯晶體管電路，则玩玩便好了。

線路﹕
一些簡單的設計(如共陰電路)，雖然只用上了三支電阻，但如經過細心計算的話，其實效果也會很好。
對噪音有要求的，會選用共栅電路，例如MC頭的前-前置放大電路(Pre–pre Amp)。
共屏電路多用在低輸出阻抗／大電流的地方(陰極輸出)，或用在重電容量負載的地方(SRPP)。

由于SRPP的設計本為電話系统所用，隨後用于有線廣播、再為有線電視而設(英國麗的呼聲). . . . . . 當時仍在二戰期間，英國的電臺都會被德軍炸掉，為免通訊再被切斷，便只有採用有線系统。并非如一些簡體字論壇所言，屬日本大師所創 . . . 因他們（日本大師）亦從未提及有此創作一事(他們當時可能尚未入學)。
在1000W或以上的有線系统中，SRPP可算是獨領風骚，但若將SRPP作小信號電壓放大時，缺点便較多，故隨後有 µ-Follower(µ-跟隨器)的出现。

µ-跟隨器的失真較少，抗干擾能力也較强，但可惜多了一支負載電阻關係，電源供應的電壓也较SRPP高，此乃美中不足之處。
ß-Follower(ß-跟隨器)引入了晶體管作有源负载 . . . 個人認為胆味減少了，須要小心計算才會好點。
至于串叠式(Cascode)，線性很好，但其輸出阻抗较高、訊號的擺蝠不夠大(與SRPP比较)，及易受米勒(Miller)效應所影響。

其實單是陰極輸出(Cathode-Follower)的線路已是五花八門，若加上如上述的各種不同設計，還不頭大如斗？

網络（Equalizing Network）﹕
主要分 Passive(被動型、衰減型)和Active(主動型、回輸／反饋型)兩種，但亦有混合型。

Passive Equalizer(被動型)的線路约有四、五款。在重播音樂時，其定位、三維(3D)、空氣感和速度反應等等的表现為最好–即使RC電路的計算可能并不精準。另外，因沒有了负回輸的介入，故唱頭輸入端的阻抗十分穩定，加上前後兩組放大電路都沒有環路负回輸，相移便可減至最少，致定位、音場、3D等等的優點都可表露無遺–但被動型的最大缺點只是訊噪比略為差點而已！

Active Equalizer(主動型)可分串連負回輸和并聯負回輸。個人比較喜歡并聯負回輸，因其音色比較接近被動型，但可惜其輸入阻抗受到環路所限制，不能太高。英國Quad 的 22、33、44 . . . 便採用了并聯負回輸這一線路設計。
Quad 除採用并聯負回輸外，亦發展了前饋(Feed–Forward，正回輸，如 405 → 909 的Current Dumping)。

混合型則取長補短 . . . . . . 但卻很易便會成為三不像。

Gautau

電源﹕
有直接使用電池供電，亦有採用太陽能供電(須另設光源)，以減少從市電引入的干擾。
曾用 NiMH AA 充電池10只，供應與燈絲(要串接電阻或恆流器件)，及經升壓電路–整流及濾波後(EB = +400V)供應至 4 x 12AX7 所组成的唱頭放大级。可惜效果不太好(只能維持三兩小時) . . . . . . 但此法確實可行。
除了上述稀奇古怪的意念外，主要仍須靠市電作電源供應。

電源牛(變壓器)很難買到稱心滿意的成品，訂製吧？在英國如要訂製一只40VA牛，價錢絕不平宜（抽頭越多則越貴，雖然品質很好）。所以本人的機器大多用雙牛，外面用一只低壓牛(如12-13V，20~30VA，通常會用12V的檯燈牛)，機內用一细功率電源牛(6–15VA左右)反接，將12-13V的低壓升高至115/230V，再用不同的電壓和整流组合，便可取得所須的高壓，供應唱頭放大级使用(此法最少可節省一半以上的金錢，也较安全)。當然，在有須要時，間中也會用到英國的Sowter牛。

整流管與膽機本為絕配，但造價較高，直熱與旁熱的音色又有不同，5Y3 -直熱 與6Z4–旁熱 的分別，只有兩者都用過的才知道。
用整流子嗎？硅(矽，Silicon，Vf=0.7V)、鍺(Germanium，Vf=0.2V)、硒(Selenium，不知Vf為多少，只知Knee Voltage為0.5V)又應如何選擇？

硒堆的線性度較佳，可惜壽命不長(發熱量頗大)，也難找到。




未知國内肖特基二極管(Schottky Barrier Rectifier，Vf=0.3V)的發展怎樣？因高壓的仍然非常昂貴。
鍺質二極管的音色與肖特基二極管有幾分相似，較潤，但更難找到 . . . 不似矽質二極管般惡形惡相﹔矽質二極管中，超高速的會好點。

扼流圈(AFC、Choke)有常規的單組，也有雙組繞製。可以的話，盡量採用扼流圈，因其儲能特性頗強，用之不會令人失望。若不打算用穩壓電路、而EB電壓又過高時，採用LC 接法(電感輸入)，既可獲得较低的EB，又可起到穩壓作用，更有較高的電流可供應用。
穩壓電路方面，大致可分串連和并聯兩種。若有可能的話，盡量選用并聯電路，效果會好些。

燈絲供應方面，因唱頭放大電路的總增益已超過 60db，若用交流電供應燈絲而沒有交流聲(Hum)出现的話，那麼，這位仁兄便算是高手中的高手了！

Gautau

Passive RIAA Equalizing Network(RCA)
RCA 均衡網絡(又稱RIAA / Orthophonic Equalizer)的線路設計在五、六０年代便已出现﹕RCA 電子管手冊 的附錄中也有實例記載 。。。不過，近年卻忽然被稱為Tweety(Cartoon中的金黃色小鳥) ！！？？

RCA / RIAA Equalizer的計算方式與AES Equalizer中的Lipshitz算法不同，很難一擊即中，即使其近期被稱為Tweety，但仍未能夠完全掌握到計算的方式。
幸好手頭上有一些AES的文獻，將RCA / RIAA的結果列出，利用其僅有的四個零件數值(但完全沒有文字及算式)不停的推敲，總算將具體的計算方法找了出來應用。不過，過于嚇人的算式若展示出來的話，便只會雞飛狗走，使人趣味頓失！

AES所提供RCA/RIAA的數值                按照比例而成下面的數值
R1 = 9.79KΩ                                        R1 = 293.7KΩ
R2 = 0.789KΩ                                   R2 = 23.67KΩ
C1 = 300nF                                        C1 = 10nF
C2 = 103nF                                        C2 = 3.4333nF


可惜在作模擬测試(Simulator, Spice)時，仍未及Lipshitz(AES Equalizer)那麼精準 – 只有將零件的數值逐少增减，再留意其頻率響應、直至滿意後才作推算。



下面是AES和本人(Gautau)的計算，零件數值的改變不大，但最少仍有跡可尋。

AES (RCA Network)                               
R1 ( KΩ ) =239.70=2937/C1
R2 ( KΩ ) =19.318=R1/12.40811
C1 ( nF ) =10=Input
C2 ( nF ) =3.4334=C1/2.9126
R1 / R2  =12.4081
C1 / C2  =2.9126


Gautau (RCA Network)
R1 ( KΩ ) =293.7=2937/C1
R2 ( KΩ ) =23.6699=R1/((2937+78.18)/243)
C1 ( nF ) =10= Input
C2 ( nF ) =3.4328=C1/(2187/(750+0.75))
R1 / R2  =12.408148
C1 / C2  =2.913087

這設計與胆機非常合拍，即使線路的準確度不太高，但其表现也會中規中矩。

近年，很多大師都嘗試用Tweety的數據來作計算，可惜仍未能有所突破，沒法找出精確的計算方法和數值，誠憾事也 。。。
經本人再三微調後，其結果總算好點﹕重要的關口為 75µS、318µS、2937µS(2187µS+750µS)和3180µS，已可做到誤差最少了。

利用RCA/RIAA的線路結構來作Pre-Amp時，重现出的聲底會较柔、暖，屬慢聲。它與Lipshitz的AES線路結構并不相同，聲底也有顯注分別–Lipshitz給我個人的感覺是冷艷，爽、＂行＂，屬快聲。

Gautau

再付上一代宗師 Lipshitz 計算AES Equalizer的結果


請留意，下列三組數據的分別其實并不大 . . . . . .               




放大電路與均衡網絡組合後，Equalizer 的數值會被改變﹕即理論值的均衡網絡并不能直接使用，須再將各零件的數值再作計算，以配合輸入级，才能使唱片中的訊號作正常的均衡和放大。

Gautau

剛才嗰個表排極都唔掂，再上過截圖 . . . Sorry !

Gautau

【三極電子管放大電路】
通常12AX7/ECC83多被選用作電壓放大级，因其增益大，靈敏度高，線性度也好。但缺點是工作電流小、gm低、屏內阻(ra)高，致聲底偏慢和”軟”(但卻膽味十足)。

不過上述的缺點也不難解決:  如在每级放大後加上陰極輸出(Cathode-follower)、選用SRPP或µ-跟隨器(µ-follower)電路也成 . . . 但聲音會偏快和”行”(可是膽味少了)。


從特性曲線找出合適的工作點﹕
( 1 )定出電源電壓EB和屏極電阻Ra ，再計算屏流 Ia 。Ia = EB / Ra = 250V / 100KΩ = 2.5mA。
( 2 )在特性曲線的水平方向(EB ，X-軸)找出250V ，及垂直方向(Ia ，Y-軸)找出 2.5mA。
( 3 )在250V及2.5mA兩點處劃上負載線，與曲線群相交的地方處，选取電子管的工作點-Eg(選1.5V)。
( 4 )在 1.5V 曲線與負載線相交處，可找到屏壓 Ea = 173V 和屏流 Ia = 0.77mA。
( 5 )在173V處繪一垂直線，在 -1V及 -2V處各繪一水平線，記下Ia的讀數(1.68mA及0.28mA)。此時，Ea保持不變。

計算﹕gm = d Ia / d Eg = (1.68 – 0.28) / (2V - 1V) = 1.4mA/V
        ra = µ / gm = 100 / 1.4 = 71.43KΩ


12AX7 / ECC83 的基本數據
放大系數µ        = 100                                        屏-柵容量Cag        = 1.6pF
互導率gm         =1.4mA/V (1.6mA/V)                潛佈容量Cstray        = 6pF       
屏內阻ra         = 71.43kΩ (62.5KΩ)

Gautau

12AX7 放大電路的基本計算﹕       

Gautau

12AX7 均衡網絡與放大電路組合後的計算（Gautau）
( 1 ) Co及Rg'放在均衡電路之前       

Gautau

12AX7 均衡網絡與放大電路組合後的計算（Gautau）
( 2 ) Co及Rg'放在均衡電路之後


線路圖內的第三行計算中，最後的R2漏了平方，現補回﹕ . . . R2²)