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上次把玩激光水平仪电池的时候，偶然翻出多年前做的 3AX 锗前置放大器，一整理发现资料还不少。
这次索性从三极管放大结构讲起，科普如何手搓锗前置放大器，实现HIFI音质的物理把玩。
本质上是介绍模电中单管共射放大器的设计，熟悉此部分的朋友可以直接跳过本帖，当然也欢迎讨论。
【三极管放大】
严格意义上讲，三极管既包括【真空三极管】也包括【晶体三极管】。
前者又名胆管，就是经典的大灯泡；后者为半导体器件，是现代电路的关键组件，也是本文所讨论的内容。
以 NPN 型三极管为例，大致铺垫下工作原理，以便后续手搓放大器：
如图，三极管的 c、e 极连接了电压源 E1；b 极有电流 Ib 流入，进而激发了 c 极电流 Ic.
三极管的放大特性决定了 β=Ic/Ib 近似为常数，范围几十到几百，对应右图直线的斜率。
右图中红色虚线代表电流过大，三极管烧毁。
由于 Ib, Ic 均为电流物理量，在进行电压放大时显得不太优雅。因而增加 R1，使输出调整为电压量：
根据欧姆定律，可以画出 Uo 与 Ib 关系，如上图右侧折线所示。其中：
蓝色水平段代表 Ib 过低，导致三极管截止断流；
红色水平段代表 Ib 过高，导致三极管饱和导通；
黑色斜线段则对应三极管的放大态，斜率为 -β*R1，手搓放大器时，应确保三极管位于此工作区间。
至此已经把 Ic 转化为电压量，需要对 Ib 也进行类似处理。因而增加 R2 再行改进：
此时三极管电路略微复杂，可以从 e 极电流入手逐步分析，如右图所示：
当 Ui 比较小时，发射结 Q1-BE 无法导通(Ie=Ib=Ic=0)，三极管进入截止态，此时 Uo=E1；
当 Ui 超过发射结压降 Ube 后，发射结开始导通(Ie>0, Ic>0)，三极管进入放大态，此时 Uo 随 Ui 线性下降，对应右图 ①、② 段；
当 Ui 过分大时，E1-R1-R2 回路不足以支撑 Ic、Ie 继续增加，三极管进入饱和态，此时 Uo 随 Ui 缓慢增加，对应右图 ③、④ 段.
具体方程并不复杂，这里不再详细展开，可以证明：
a. 在 ①、② 区间内，输入输出有良好线性关系，适合手搓放大器：Uo= K*Ui +Const
b. 当三极管 β 足够大时，上述斜率 K 与三极管无关，仅取决于电阻比值：K= -R1/R2
这开了一个很好的头，无论用神马三极管，只要设定好 R1/R2 比值，就可以获得固定的 |K|>1 放大系数。
对于实际的放大器，Ui必须位于 ①、② 区间的要求，显得非常过分。因而继续改造：
如图 (a) 所示，额外增加一个 E2 电源，抵消 Ube 开启电压，就可以另 Ui 取值扩展至零点附近；
然而需要额外电源，依旧蛋疼。
于是如图 (b) 所示，采用戴维宁等效方式，以 R3、R4 分压的方式取代 E2，这样单电源 E1 即可工作；
然而上述分压电路，把输入信号的负参考点干没了，显然不合理。
于是如图 (c) 所示，索性放弃对直流信号的放大，额外加入 C1、C2 耦合，专注于放大 Ui 的交流部分。
至此获得了【单管共射放大器】基本结构，如上图 (c) 所示，并大致分析了各元件作用：
R1、R2 用于设定放大倍数：K= -R1/R2
R3、R4 用于设定 Ui 偏置，当 Ui=0 时，三极管应工作在 ①、② 区间中点附近。
C1、C2 用于阻隔直流成份，应足够大。
【手搓面包板】
国产的锗晶体管受限于工艺，一致性差到令人发指，并且大多以 PNP 型为主。
这并不影响之前关于 NPN 的分析，只要把电源正负极颠倒一下即可完美适配。
在上机焊接前，拿出祖传面包板戳一下，根据电池电压（3.7-4.2v）、锗管能承受的热功耗具体确认器件参数：
最终选择了 R1=470, R2=470/2 实现 K= -2 放大；
基极使用 3.6k/12k 提供偏流，前后级使用 22uF 阻隔直流信号。
另请出一套 47 耳放作为后级缓冲，静听锗前级的额外音效：
至此，基本确认了一套双声道 3AX31C 锗前级参数，只等焊板。
【手搓线路板】
每次面包板戳好，都有种等不及要 PCB 的冲动。早些年 JLC 没那么普及，经常打样还是很烧钱的操作。
索性继续手搓，心中稍微走个线，覆铜板拿出来就是钻。 之后上胶带，连剪带刻把心中的线路刻出来：
FeCl3 就算了，蓝色环保腐蚀剂也不错，上热水分分钟搞定：
涂上松香酒精，零件逐一焊上，一切尽在掌握：
【半工艺打样】
随着剁手的锗管越来越多，每块 PCB 都手搓会要了老命的。直接丢去半工艺打样（没错 JLC 还在路上）：
焊接和手搓没太大区别，但两只黑粗擎天柱，预示着和 3ax31 有着不同细节：
【初试听】
三极管的皮实程度远超想象，原本只是前置放大器（Ic<10mA），但实测直推 32Ω 头戴式耳机毫无压力。
3ax31 使用 3.7v 直推耳机：
3ax81 使用 3.7v 直推耳机：
直观的听觉上，经过了锗前级的调理，音色偏圆润，对生硬感的削减类似胆机但不及胆机。
对于纯钢琴有着不错的加持，听起来像隔着氤氲雾气的玻璃窗，略带朦胧；
对于重金属电子乐处理有限，但仍能做到久听不累，缓解刺耳程度；
对于人声的点缀，介于石机与胆机之间，算是个不错的折中。
【采样分析】
说多了该鬼扯水火电的玄学了，这里不瞎搞直接上采样测试。
照理说该用扫频仪，但业余条件就拿 PC 声卡录一下吧，相同音源，不同前置路径：
音源使用克莱德曼的《A Comme Amour》纯钢琴版，分两次用 Goldwave 插线录音，
不使用喇叭、麦克以避免额外失真；两次音源音量、录音增益均保持一致：
对照两次录音结果，可以看到典型的 2x反相放大特性，证实电路基本放大功能正常。
走到这里既然有了数字样本，自然可以有更细致的分析方法。
将两次录音分别进行处理，直通x2，锗x(-1)，使得相位、幅值大体归一化。
之后精确调整声音同步，并合进同一个音频文件的 L+R 声道，形成一个伪立体声文件：
再往后就可以丢给 MATLAB 作 FFT 了，看看两个谱上能有多少差异。
先看幅频，整体上 0-4kHz 范围内差异不大：
放大来看，低频几个峰值有蓝色（直通）冒尖，高频则大多是绿色（3ax锗）冒尖。
这相当于微高通，应该有一部分电容隔直的贡献在其中：
再继续放大，看到了蓝vs绿在局部有交错的趋势，这种细微的纹理构成了锗前级独有的音色：
看完幅频再看相频，差异就老大了：
随便放大个局部，可以看到蓝绿色相差并非稳定，即锗前级对于各频率成份的时延有着轻微差异。
类似于光学的色散，这里独特的传输特性，构成了锗前级独有的音色加成。
【盲测实验】
为进一步验证前级的实听效果，特意做了盲测实验。看在锗前级的加持下，是否能被我这木耳正确听出。
有了之前的归一化采样，简单编个程序将【直通.wav】和【3ax.wav】各复制若干份，填入随机文件名：
随机名的 WAV 文件逐一听过去，木耳辨识直通vs3AX，最终通过文件哈希比较，确认正确答案。
多次测试后，我的平均分在 80/100 左右，高于随机瞎猜 50/100.
证实了手搓的锗前级有效，音色有其独到之处；也从侧面反映我这木耳还不算太瞎。
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以上，从结构讲起，手搓了若干铁壳锗管前置放大器，并通过采样分析、盲测实验证实了其有效性。
最终成功将 HIFI 音质盘到圆润包浆，引入了微微的复古质感。
最后祝大家 DIY 顺利！
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雷达卡
发表于 2023-11-3 04:48:58
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千斤顶
发表于 2023-11-3 05:52:49
