一个高保真的放大器必须具备有低的背景杂音,否则将大大地影响它的重放性能。
前置放大器的信号电平很低,杂音便成为很重要的一个指标,特别当前置放大器配合微音器、录音机放音头、动圈唱头等低输出的信号源应用时,降低杂音便成为设计前置放大器的主要任务之一。
本文将针对这个问题,详细地讨论在前置放大器中杂音的来源和推荐一些杂音较低的前置放大电路,以作设计时参考。

杂音的来源大致上可分三类,第一是由于输入电路屏蔽不善所感应的交流声。
因为前置放大器信号源(微音器、唱头等)通常都离开放大器相当远,很易检拾电源变压器、电机等的交流磁场,要解决交流声,必须把信号源妥善地屏蔽,而且输入级的各接地点尽量靠近和接在同一点上。
第二种是物质内电子热骚动引起的杂音,我们知道在物质中的粒子都是处在不断的运动中,气体液体的分子不断运动着和碰撞着。
在固体中的原子和分子也在不断运动着。
在导体中,电子不像在绝缘体中那样被紧紧束缚在每个原子周围,而是可以自由运动的。
于是在导体中的这些自由电子也像液体和气体的分子一样,不断地作着杂乱的运动和碰撞,当温度升高时,这些电子获得更多的能量,杂乱的运动也就越剧烈了。
这种杂乱的电子骚动在导体形成了大小和方向都作无规则变化的电流。
该电流在电阻和回路中产生的电压降也是作无规则变化的。
这些无规则变化的电压和电流就成为放大器中内部杂音的主要来源。
当然,当温度越高,输入级的电阻越大,放大器的通频带越宽时,这种杂音就越大。
这种由电子热骚动产生的杂音听起来是“沙沙”的连续声音,要避免这种杂音几乎是不可能的。
如果我们的放大器不是在绝对零度的环境下,工作就会有这种杂音的出现,因此我们只能适当地选择先天上有较低热骚动的电路来尽量减少这种杂音的产生。
上面所提到放大器通频带和输入电阻与温度的关系所引起的热杂音,在装制用发射管作输出的后级时,虽然其严重程度不及前置,但在设计上达到理想的工作条件时也需注意,这是因为发射管工作温度非常高工作通频非常宽,高的输人电阻将引起热杂音问题。
在这方面 Dennis Had与Kondo 所设计的 Cary805与Onkagu具有异曲同工之效。
在功率管的输人与推动级间各自使用了阴极跟随电路(cathodefollower)与交连推动变压器(Inter-stage driver)从而使级间有更好匹配外,输出级工作于 A2状态下,其推动级有更好的功率传送外,实际上也负起了降低输出级发射管的输入阻抗与热杂音的任务。
回到正题,第三种是前置放大器的晶体管或电子管本身所产生的杂音,这种杂音可以适当地选择低杂音的晶体管或电子管来避免。
目前电子管和晶体管的制造技术已比以往进步, 这种杂音的影响经挑选后已可做到忽略的地步,因此,当妥善地适当地采用低杂音的晶体管或电子管后,降低前置放大器的杂音问题就集中在对放大器电路的选择,以求尽量避免热骚动杂音(电子管在出厂后,由于老化处理不当所引起的杂音、微音效应等问题,是可以再经过个别处理以提高质素的)。
配合前置放大器用的信号源,大多数为电感性,以动磁唱头为例,为了使放大器在高频端仍有平直的频率响应,通常都要加入补偿反馈网络(RIAA),且唱头的负载电阻最低限度应为40k0。
田于并联的补偿反馈网络会降低放大器的输人电咀,故此常常要在输人端串人一大于40k的电阻以保证唱头获得大于40kQ的负载,典型线路如图1所亦,这是Leak厂前물放大器采用的线路,在这里可见唱头的负载相当于100k与1M并联,而栅极输入电阳则相当低,以减少对交流声感染。
这个电路的杂音电平主要决定于电子管的杂音,灯丝的交流声和100k电阻的热杂音,放大器的输人灵敏度约5mV,而信号杂音比约55dB。
如果具有要求有较高的输入灵敏度,则可采用五极管代替三极管,其具体线路见图2,是Leak厂另一前置放大器的线路。
Quad 22也使用了类似电路,输人灵敏度约3.5mV,信号杂音比为50dB,唱头的等效负载为100k与120k0并联,当取消100k&的音量控制器,而换用较低阻值的固定电阻代替时,可以提高信号杂音比达60dB,此时的杂音来源几乎主要由电子管本身决定了。

图1

图2

如果要进一步改善信号杂音比,较好的方法是采用串联反馈补偿网络,以减少串人的电阻来降低热杂音线路如图3所示,而灯丝则用直流供电。
此时信号杂音比在4mV输人灵敏度时约65dB。
图4采用串级线路,把RIAA补偿网路放在串级间,此时即使采用交流燃点电子管灯丝,仍可获得在输人灵敏度5mV时,有信号杂音比75dB,同类的简化线路,见图5。
它把补偿电路放在下二级,这样将可获得68dB的信号杂音比。

图3

图4

自从晶体管在Hi-Fi领域出现后,使我们对前置放大器的设计技术要重新估计,因为晶体管和电子管的性能是会截然不同的。
晶体管本身在前置放大器的杂音来源,主要由它的偏置电流和信号源阻抗而定,适当的选择偏置电流来配合某一信号源内阻,往往会得出最低的杂音指数,不幸的是,前置放大器不可能指定用某厂家的唱头,因此它的信号源内阻随使用不同形式的唱头而不同。
因此,设计晶体管前置放大器只能经验地选择偏置电流数值。
以硅半导体而言,如果是配合动磁。
唱头用的,偏置电流应选择低于 200uA,同时偏置电阻应足够大,以免对输入信号分路。
图6是典型的晶体管前置放大器,它相当于图3的电子管式线路。

图5

图6

图7

目前晶体管制造技术的改善,它本身的杂音是比电子管低很多的,特别是电子管的灯丝会引入很大的杂音,晶体管的过载性能比电子管差很远,输入信号的动态范围变化大时,将会引起过载失真,除非是采用反馈增益控制线路,如图7所示,亦有一些厂家把晶体管和电子管混合起来用,以便获得晶体管的超低杂音优点,而又有电子管的优良过载性能,图8是代表线路,Radford厂的前置采用过此线路,而现今 Audio Research的电子管晶体管混合前置可说由此引伸而成,半导体却已换成 FET.

图8

图9

大部份的高保真动磁唱头的输出都是很低的,通常在1kHz时约3mV左右,而杂音最低限度应低于信号60dB。
因此,前置放大器的灵敏度若太低,便往往会使人有杂音太大的感觉,这时我们必须考虑增加放大器的增益。
在有一些电子管的前置放大器里,在输人端加有额外的电阻分压器作音量预先调整用,拆去这些额外的分压电阻,往往可把放大器增益提高6dB,只要改装后的放大器仍然不违背如图9所示的基本线路形式即可。