長盛不衰的威廉遜放大器

1947年4月，英國《無線電世界》雜志發(fā)表了D.T.N威廉遜的文章《高質(zhì)量放大器設(shè)計(jì)》。文中詳細(xì)地介紹了一款帶有大環(huán)負(fù)反饋的優(yōu)秀功率放大器。這就是令世人矚目的“威廉遜功放”。盡管它的失真系數(shù)在5%以上，但在其它許多技術(shù)指標(biāo)上與昔日放大器相較，都有了令人十分滿意的突破。該放大器的基礎(chǔ)電路如圖1所示，其中VE1為輸入放大器(又稱前置級)，VE2是P-K分割式倒相器，VE3、VE4構(gòu)成推動(dòng)級，VE5、VE6是推挽輸出放大器(又稱后級)。

　　最初的“威廉遜放大器”(下稱“威器”)在結(jié)構(gòu)和制作工藝方面是相當(dāng)考究的。推動(dòng)級VE3、VE4之前全部使用電壓放大類三極管，其型號均為L63。該管的基本特性與美產(chǎn)6J5、蘇式膽6C2C以及國產(chǎn)6C2P完全相同，引腳也一樣，如圖2(a)所示。使用三極管作信號電壓處理可以將此類膽的低內(nèi)阻特性完全展現(xiàn)出來，從而可以改善放大器的整體失真，并阻尼揚(yáng)聲器的諧振峰壓。以上是三極管電壓放大器的優(yōu)點(diǎn)。采用三極管做電壓放大器的缺點(diǎn)則是它的放大系數(shù)(μ)較低，故而應(yīng)有較大的電壓激勵(lì)才會有足量輸出，這給電路設(shè)計(jì)帶來了一定的困難。“威器”的后級為多極電子管KT66，準(zhǔn)三極管連接，引腳見圖2的(b)。

　　世間很多事物的發(fā)展，常常都帶有一種偶然性，放大器技術(shù)大概也不例外。在“威器”出現(xiàn)之前，也有不少知名的放大器問世，如6J7+6V6+2×2A3、6J7+6J7+2×6L6等，但這些放大器都沒能克服失真大、頻響窄、功率低等缺點(diǎn)。1947年初，當(dāng)時(shí)在英國著名電子管制造商Marconi-Osram公司工作的工程師威廉遜在一次試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，如果將五極管的簾柵極與屏極連在一起，構(gòu)成一只“準(zhǔn)三極管”，其功率輸出比原管增大30%，失真度可下降40%以上。后經(jīng)整理，關(guān)于同年四月公諸于世。這便是上面論述的著名“威廉遜放大器”?！巴鳌钡幕咎厣辛c(diǎn)：
　　(1)整機(jī)從前到后全部使用三極管(末級采用價(jià)廉的束射四極管作準(zhǔn)三極管駁接處理，也是“三極管”，使三極電子管的優(yōu)勢充分地展現(xiàn)了出來。
　　(2)為了滿足三極管高激勵(lì)的要求，中間加置了VE3、VE4作功放的推動(dòng)級。
　　(3)從前級到后級，每一級的偏置均采用性能優(yōu)良的自給偏壓；而且各膽陰極的自給偏壓電阻上均未并接交流旁路電容，使之形成有效的AC/DC雙反饋。這對提高電路的穩(wěn)壓性、展寬頻帶等頗具牌益。
　　(4)由于級數(shù)的增加，使“威器”的自激因素大大上升。為了保持電路的穩(wěn)定性，除上述偏置采用AC/DC負(fù)反饋技術(shù)之外，末級VE5、VE6的G1、G2極還分別加入了R19、R20、R22、R23等特設(shè)穩(wěn)定電阻；輸出變壓器TO在防止相移方面的繞制工藝上也頗下了一番功夫；在TO的二次側(cè)加接了一路大環(huán)負(fù)反饋R21。
　　(5)為了展寬頻帶和抑制相移，輸入級VE1和倒相放大器VE2之間采用了直接耦合；同時(shí)還引入了頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)R5、C2。
　　(6)為了保證各級預(yù)熱的“同步性”，“威器”采用了電子管整流電源VE7。電源濾波全部使用高壓無極性電容，并且采用了兩節(jié)LC紋波抑制器，故而放大器的交流聲極微。
　　具有上述特色的“威器”，其性能指標(biāo)十分優(yōu)良，輸出功率達(dá)到了15W，諧波失真達(dá)到了3%以下，頻響在開環(huán)時(shí)為20Hz～20kHz(-3dB)，在閉環(huán)時(shí)為10Hz～100kHz(±1dB)。而且，開、閉環(huán)的相位特性也非常理想。
　　后來，有不少人也曾試圖對“威器”進(jìn)行改造(打摩)，但大都以“弄巧成拙”的結(jié)果而告終。這充分說明了“威器”的整體性和技術(shù)的先進(jìn)性。
　　隨著電子管技術(shù)的發(fā)展，人們曾大保持原電路程式的同時(shí)，對各級用膽作過一些有益的嘗試。雙三極管出現(xiàn)以后，“威器”的輸入級VE1和倒相級VE2，曾有人用大八腳6SN7，也有人選用ECC82或12AU7作輸入、倒相級，但此時(shí)的工作狀態(tài)要稍作改變(VE1的Ua≈100V，VE2的Uk≈105V)。推動(dòng)級VE3、VE4大都和VE1、VE2選用同型管，但也有人使用12BH7，此時(shí)其陽極電阻R12、R13應(yīng)由47kΩ改用33kΩ。后級功放VE5、VE6通常都選用性價(jià)比高的束射功率四極管，如KT66、807、6L6、5881、5933等，駁接成“準(zhǔn)三極管”并采用變壓器耦合推挽電路。眾所周知，三極管的主要缺點(diǎn)是存在較大的偶次諧波失真，而變壓器耦合推挽電路正好是“滅殺”偶次諧波失真的“能乎”，兩者配合使用可揚(yáng)長避短、相得益彰，使還音效果非常理想。后級還可以選用新型五極膽EL34，效果也不錯(cuò)。
　　現(xiàn)介紹用國產(chǎn)電子管制作的威廉遜放大器，供膽機(jī)愛好者制作時(shí)參考。在制作過程中，電子管全部選擇優(yōu)秀國產(chǎn)膽。此時(shí)，可將圖1末級VE5、VE6改用國產(chǎn)膽6P14(抑制柵在管內(nèi)與陰極相連)，VE1～VE4用兩只雙三極管6N1取代，電源整流管VE7改用5Z3P。后級工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在甲乙1類狀態(tài)，國產(chǎn)膽6P14的主要技術(shù)參數(shù)見附表。因?yàn)?P14的技術(shù)參數(shù)和原“威器”后級的KT66、807等膽有較大出入，所以相應(yīng)的電源變壓器TP和輸出變壓器TO也應(yīng)作適當(dāng)調(diào)整。TP無成品，需自行繞制。鐵心選用GEB/GIB-22，舌寬30mm、疊厚38mm，材料特性為D310-0.35/10000，Wr=6.4匝/伏。其原理圖見圖3，TP用的線材如下：N1為0.3線1408，N2-1為0.27線1600T×2，N2-2為1.38線32T，N2-3為1線20T×2，N2-4為1.45線40T。繞制方法按分層、分段間繞法，具體工藝很多書刊均有介紹，此外不贅述。輸出變壓器TO可選用U6012或鼎牌CB17W8。如自制，可采用GEB/GIB-22-D310-0.35/10000鐵心，取截面積Sc=22×28，用線及線制參數(shù)見圖4，其中骨架［圖4(a)］為多槽結(jié)構(gòu)，初、次級繞組分段排布起來。其它元件也選用優(yōu)質(zhì)國產(chǎn)品。