改进长尾倒相-左氏自平衡电路

  长尾倒相 (long tail pair) 以下简称长尾对或LTP，按照维基百科的说法，是在差分（differential/difference ）电路基础上变化而来（维基也支撑不住了？找不到接盘侠只能募捐）。

 

  对于推挽胆机电路，需要正负对称的平衡信号放大，需要将单端信号分相。分相主要有以下几种：

  1、变压器倒相，属于无源倒相，不受供电和管子特性影响，好的倒相变压器失真小，是倒相首选比如西电电路~只是好牛不常有；

  2、浮动寄生反相（Floating paraphase inverter），参考QUAD II电路；

  3、屏阴分割/PK倒/手风琴（Concertina）分相，参考Dynaco系列胆机。

  4、差分/长尾对倒相，长尾对因为对称性好，可以输出平衡对称性很好的正负信号，是早期推挽胆机采用较多的一种倒相电路结构，比如麦景图（McIntosh）系列电路。

 

  上述倒相电路有时间会详细写写，今天只谈谈长尾对。长尾对电路最早可以追溯到1937年的美国专利US2185367。

 

  以及施密特（Schmitt）于1937年发表在《Review of Scientific Instruments》的应用文章：

 

  著名的麦景图系列、Leak等名机都采用了长尾对：

 

  长尾对电路输出信号的对称性，取决于阴极“长尾”的大小，“尾”电阻越大，输出信号的对称性越好。但同时内阻就越大、输出信号的摆幅变小（尾电阻或恒流接负压情况好一点，但依然符合相同特性）。如果是推动级，那么推动负载的能力变小、信号摆幅变窄。 

  针对长尾对电路的一些不足，1955年美国有一款改进型LTP电路，虽然输出信号的对称性得到改善，但内阻依然较高，不适合直接推动低输入阻抗的功率级。

 

  对于目前流行的推动级为长尾对的电路，为了获得对称性很好的输出信号，有些电路设计在负载电阻一端串联小可调电阻，以满足因为元件参数离散性带来的“不平衡”，见下图。由于这个可调电阻会有屏流流过，日久可能会带来一些不必要的故障，建议这个可调改在功率管的栅漏电阻的位置，由于几乎无直流经过，故障率会降低，且不用担心活动臂失效带来问题（同样适用于输出级是固定偏压模式）。假如手头没有信号发生器，可以在电源变压器上取几伏的50/60Hz交流信号，接到信号输入端，然后用万用表测量两个输出信号，调整可调电阻，以得到相同的两个交流电压输出即可。下图是电容耦合型长尾对电路，与直耦型电路相同，只是阴极电压不受前级“牵绊”。

 

  增加可调电阻固然可以获得良好的对称信号输出，但可靠性变得稍差，而且并不是每个用户都有条件调整精确。针对上述问题，我做了一点改进，简单的增加一个RC网络，即可得到更佳对称的平衡信号输出。下面以国产6N7P（对应国外型号为6N7）为例，做详实的测试对比，实际当中使用其他常用管，比如6N8P/6SN7、12AU7之类，结果是完全通用的，我都已经做过了实验测试（6N7P长尾对的电压增益略高于6SN7）。

  

  这里用6N7P给出测试数据，主要也是捎带着介绍一下这个国产的6N7P。据说这是一个专为长尾对或推挽输出而生的管子，手册给出最大屏耗6W，输出功率4.2W（推挽输出4.2W也算是很不错的小管了，比用6SN7输出功率大了不少）。再看一下管脚排列：阴极内部直接连在一起，称为共阴极电子管，明明还有一个1脚空着不用，却把两个阴极相连引出、输入栅为第4、5脚紧挨着，方便接线（早期胆机以搭棚为主）、8脚为阴极，与功率管排列相同，灯丝是2.、7脚，更与功率管相同，这些设计都方便了推挽胆机布线安排，除了6N7P，6N8P、6N9P都是7、8脚是灯丝。国外还有一个国外型号6A6也是共阴双三极管。共阴极双三极管，除了方便用于差分/长尾对，也方便用做推挽输出级，因为在早期电路设计不完善的年代，推挽所需的平衡对称号的对称性不很好的时候，在输出级共阴极电阻的作用下，使得放大信号的平衡性得到一定改善。

 

 

 

  上图是典型的用作推动级的长尾对电路，电路中的阴极电阻为16k。因为这个“尾”电阻并不大，为了得到对称信号输出，两个屏极负载电阻阻值大约相差1.2倍，这里取标准阻值33k、39k。绿色文字标注的是直流工作电压，红色文字标注的是交流信号电压。可以看到输出信号被放大不到十倍，且正负输出信号为1.05V/1.16V相差一点（看两个正弦波的幅度，可以明显看到区别），这只是在小信号状态，大信号输出时误差不可忽视。那么不对称信号推挽输出时，会有什么结果呢？指标上表现为失真大，听感上表现为细节刻画不清晰。对于失真大，很多电路用负反馈解决，很简单也很粗暴（环路负反馈虽然令测试出来的失真减小了，但互调失真变成细碎的、均匀的细沙类的失真遍布整个放大器）。我喜欢哪里的失真处理哪里，不让本级失真传输到下一级。下图简单增加100k+0.33μF两个元件，可以让输出信号更加平衡，相差更少，而且不改变原电路的电压增益、相移、频响、信号摆幅等。

 

 

  下面是两者频响相移特性对比，前者是典型电路单臂输出特性，后者是自平衡电路对应单臂输出特性。

 

 

  我们可以看出，这种自平衡长尾对（Auto balance long tail pair 简称AB LTP）电路性能得到很大提升，输出信号电压分别为1.113V、1.12V，已经是非常接近了，完全可以满足低失真的要求。后来结合国外发烧友采用的均衡型长尾对，测试发现，输出信号的对称性可以达到更好，输出信号可以做到995mV、996mV，此时输入信号相同，说明增益有所降低。

 

  继续测试其他指标，发现这种均衡型长尾对不可取。为有说服力，单独测试一下这种电路的各方面数据如下：

 

 

  单独使用负载均衡型长尾对时，输出信号对称性也不是很好，当然通过调整RC元件数值可以做到绝对的平衡，但是两个信号的相位差不是180度了，1kHz时差了1.4度，越是调整的对称，这些指标越差。而且，频率响应变得不平坦，低频突出，高频衰减增大，相移特性也变差，证明这种结构不可取。

 

  从上面的实际测试可以看出，自平衡长尾对（AB LTP）的输出性能确实进一步得到了提高，而且充分保留了原有长尾对电路的特性，无需再追求百分百准确增加均衡网络。

  我们经常看到有些电路“很精美”，很完善，各参数数据都很清晰。按照电路实际制作，却达不到应有的效果，为何？因为那些电路大多是理论计算，或者软件仿真出来的。没错，理论计算、软件仿真是每个设计者必须掌握的。但这不足以设计出一部好的胆机电路（也不能用仿真结果说明电路指标），只有经过实际组装测试，甚至反复调试才可以。有国外网友感叹：理想电路与实际电路有时候是对立的，现实世界中不存在完美或理想的电路(The ideal circuit and the real circuit are opposed. There is no such thing as perfect or ideal in the real world)。实际实验、测试确实很难，这需要大量时间、精力的投入。且实物操练难免有损伤（烧毁元件甚至被电击等），这也是很多人不愿意动手，只喜欢“动脑”。加上胆机电路已经是昔日黄昏，没有什么惊喜带给我们，所以很多人说，网上的电路大多不可信，包括看上去很“合理”，很完美的电路。起初的我也是天真的，也经过上述过程，加上我自己的性格所致，每每喜欢自己动手搭电路测试，虽然看上去乱七八糟，但往往能得到更具体深刻的收益。

  

  甚至曾经自己用铜箔卷绕电容：

 

  无论制作胆机还是设计电路，精益求精的设计，可能在当时换不回什么，但是经得起时间的考验。舒伯特的摇篮曲至今过去了两百年依然家喻户晓，可在当时这首曲子只为舒伯特换来一顿土豆烧牛肉，而后来摇篮曲谱被拍卖至4万法郎！所以我坚信精心设计的每一台胆机最终会赢得广大发烧友的喜欢。

  下面是自平衡长尾对在负载电阻100k、输出电压有效值为135V时的10kHz方波特性，方波非常漂亮！直接驱动大部分常见的功率管足矣。

 

  下面是1kHz正弦波的谐波分析，可以看到谐波分量很少，谐波失真小于2%。有人说平衡对称信号越“对称”，二次谐波越“抵消”而导致听感不佳。其实还真不如在第一级信号放大上做文章。

 

  差分/长尾对电路因为需要“长尾”，作为第一级输入级使用时，一般采用负压接在尾电阻上，假如有推动级，可以不考虑内阻升高问题，追求平衡对称性。但作为推动级，不仅要考虑内阻，更要考虑输出电压的摆幅等，所以需要合理的设计。

 

  好了，您有什么不同看法或者想法，欢迎沟通交流！