谈谈静电耳放的设计与制作

王卓吾

静电耳放在耳放DIY中是一个比较冷门的东西，这种冷门倒不是因为静电耳机不好，而是由于以前静电耳机较高的价格和相关资料的匮乏导致大家不愿意去折腾这些东西。但从目前来看，除了007、009这些顶级型号之外，静电耳机已经不是那么遥不可及了，何况还有大量价格较低的二手产品可供选择，因此我觉得讨论一下静电耳放的设计与制作是一件很有意义的事情，尤其是在目前STAX中低端耳放声音不尽如人意的情况下。

  与那些为动圈/动铁耳机设计的耳机放大器相比，静电耳放有三点不同之处。

1. 负载特性：动圈/动铁耳机大多数情况下可以近似理解成电阻负载，而且普遍阻抗较低，最高的如T1也不过600Ω（只讨论在产的通用的）。这些耳机对于输出电压和输出电流都有一定的要求，尤其是低阻抗耳机，由于本身阻抗较低，放大器必须有足够低的内阻才能保证足够的阻尼系数。而静电耳机容性负载的成分明显大于动圈/动铁耳机，放大器可能会存在自激的问题。另外静电耳机的阻抗往往较高，如SR407官方给出的阻抗为144K（含线材10KHz下），这就要求放大器有足够高的输出电压，对于输出电流要求则较低一些。

2. 输出形式：动圈/动铁耳机都是既可以接单端输出的放大器也可以接平衡输出的放大器，而静电耳机只能采用平衡输出。

3. 供电要求：与动圈/动铁耳机相比，静电耳机额外需要一个极化电压（既BIAS），且各家产品的极化电压不同。比较常见的如STAX的PRO系列耳机BIAS为580V，大奥等森海的几款作品BIAS是500V，KOSS ESP950的BIAS是600V。低BIAS可以兼容高BIAS的耳机，比如ESP950可以通过转换头接STAX的耳放，反之则有风险。


  只要注意这三点不同，其他方面与普通耳机放大器就没有什么不同了，这也是我为何认为DIY静电耳放不是一件困难的事的原因。

  在这次设计和制作的过程中，我也参看了不少国内外的相关资料，尤其是有感于现在静电耳放资料的匮乏，敝帚自珍无疑是不利于DIY进步和发展的，而且我也并不倾向全盘照抄国外设计的做法，使用高价且国内难以找到的器件并不是我的风格，因地制宜的做出适当的调整，也许是一种更好的选择。


电路设计部分

  刚才也说过了，静电耳机对放大器的输出电压有很大的要求，而输出电流则要求不高。对于这种高电压小电流的需求来说，电子管显然是比晶体管更优胜的选择，目前主流的静电耳放中也大多使用了电子管作为放大器件。目前的静电耳放可以分为三类，第一类是以BHSE为代表的电子管晶体管混合的设计；第二类则是以SINGLE POWER和一些老机器为代表的电子管设计；第三类则是以727和KGSSHV为代表的晶体管设计。这些电路各有所长，简单谈一谈我对这些电路的个人解读。


电子管晶体管混合电路

  胆石结合的设计在静电耳放中可以说是绝对的主流，不管是STAX的006、007还是大名鼎鼎的Blue Hawaii SE。尤其是后者，作为Kevin Gilmore的力作，只要是玩过或者准备玩静电的朋友，我相信没有几个没听说过这台机器的大名。而且最给力的是KG大神公开了他的电路设计（我最为敬佩的一点），甚至连PCB版图都有，这就意味着只要你能找到那些器件，就可以DIY一台属于自己的BHSE或KG版T2。

  在制作静电耳放的过程中，STAX的作品无疑是大家参考的对象，而在STAX众多产品中，T1是不得不说的。尽管没有T2那么传奇的地位，但从普通用户的角度来说，T1的出现无疑标志着STAX普及型胆石混合静电耳放的成型。在此以后的STAX作品，比如T1S以及目前在产的006、007都是在这个基础上的小修小补。其电路图如下。

（这张图的真伪我没有能力去考证，以下所要引用的电路图同样是未经过考证的，仅供各位参考，如有侵权的问题，请联系我删除）

  T1采用了大环路负反馈的三级放大结构并大量使用恒流源负载，孪生JFET（2SK389）差分输入，2SA1156共基极缓冲驱动，电子管6CG7/6FQ7共阴极输出。设计简洁高效，尤其是其输入级和缓冲级的设计，对后期静电耳放影响深远，在T1 MKII、BHSE、006、007、KGSSHV等机器上都能找到它的影子，可以说如果不想折腾的话，一部T1已经能够满足普通用户的需求。

  与STAX的小修小补不同，Kevin Gilmore的Blue Hawaii SE在继承T1的基础上对输出级进行了完全不同的改造，网上流传的电路图如下。


  BHSE输入级与缓冲级的设计与T1几乎完全一样，但输出级却有很大的不同，从2SA1156取出的信号与下一级的2SK216直耦构成共源极放大，漏极负载是由一对2SA1156构成的恒流源。再直耦一对2SJ79源极输出，接成三极管形式的EL34既是2SJ79的源极负载，本身也构成共栅放大，由6只2SA1968构成的恒流源确定这一级的工作电流，每根EL34静态电流约为27.5mA。

  尽管比T1要复杂一些，但BHSE仿制的难度并不大，由于每一级都加入了恒流源负载，所以基本没有什么调试的问题只要能买到正品且配对良好的管子就可以了，甚至有些管子不进行配对也无伤大雅，毕竟电子管的离散性比晶体管大很多，进行精密配对的难度和成本都不低。

  阻碍我们仿制BHSE的最大障碍是器件的选购。2SK389或许可以通过使用LSK389来解决，而2SK216、2SJ79、2SA1968这几枚管子国内很难找到全新正品，解决办法要么是使用二手拆机件，要么就只能去国外采购了。但即使采购到2SA1968等晶体管问题也同样不少，在高压条件下使用2SA1968这种功耗较低（Pc=2W）的管子是一件比较危险的事情，烧毁一两根管子也许是家常便饭。

  那么回到这个电路本身上来，即使我们能解决器件选购的问题，BHSE这台机器也同样不是非常完美的，比如其电源部分的设计，电路图如下。


  与T1相比，放大电路高压供电部分KG加入了稳压的设计——简单但很好用的串联稳压，但BIAS的供电未免有点简陋，而且稳压电路的比较放大管选用的是在放大电路中出现过的2SA1968，前文已经说过这个管子功耗低的问题，尤其是在市电波动较大的时候，这个问题可能会更加突出。

  可能KG本人也认识到这个问题，在KGSSHV的设计中，我们看到了堪称奢华的稳压电路。不过对于全差分放大的机器来说，这种设计也许并不是非常有必要，而仿制BHSE的过程中如果加入KGSSHV的电源部分也是个不错的主意。

  同时JFET输入的设计也是值得商榷的，孪生JFET的价格和购买难度的问题提先放在一边，与那些音频专用的低噪音高β晶体管相比，JFET较低的跨导使得通过本级负反馈改善输入级线性的余地减小，而且搭配低阻抗信号源的时候输入级噪音特性会变差。这是不得不考虑的一个问题，而且JFET的GS耐压不高，单独加入一个双15V电源为输入级供电无疑不是一种经济的做法。更不必说当采购不到孪生JFET使用普通JFET时产生的失调问题，尤其是对于一个全直耦的放大器，失调问题是不能够忽略的。关于这些问题在《音频功率放大器设计手册》有更为详细的描述，我也没有必要赘述，但在个人DIY的情况下，一对配对良好的2SC2240也许是比高价购买2SK389更为实际的做法。

  当然，T1与BHSE身上都有很多值得学习的地方，比如T1使用稳压二极管为电子管提供偏置电压，与常见的自给栅偏压比工作点更稳定，线性会好一些。而BHSE最大的特点在于较大的输出电流，不管是并管的007还是A10都不能提供如此大的输出电流，但对于静电耳机，我们真的需要如此高的输出电流吗？这是一个值得思考的问题，尤其是在许多名机都没有选择这么大输出电流的情况下。



纯晶体管电路

纯晶体管设计的静电耳放似乎并不多，而且往往都是比较廉价的品种，比较有代表性的机种是727和KGSSHV，不过前者的资料没找到，简单介绍一些STAX SRM-1 MKII这台机器吧。

SRM-1 MKII的电路图如下


  这个电路可以说基本上已经简单到没法更简单了——两级差分放大，输入级仍然是孪生JFET差分输入，2对2SA1156构成串叠电路，源极和漏极都使用了恒流源负载，输出级则是一对2SD775差分输出。不过相比电子管较高的内阻和压降，在同样的供电条件下，晶体管能够输出更高的电压。只是高耐压音频管的匮乏影响了这类机器的发展。

KGSSHV的电路图如下



  相比资料匮乏的727，KGSSHV的开源设计显然更容易上手一些。与SRM-1 MKII类似，这个机器也大量使用了串叠电路和恒流源，不过输入电路与BHSE更接近。

  KGSSHV为四级放大结构，孪生JFET管LSK389差分输入，2SA1486接成共基电路缓冲驱动，2SC2705与2SC4686接成串叠电路差分放大，一对2SC4686射极输出。反馈部分同样是大环路负反馈，从输出端取信号反馈到差分输入管的源级。

  KGSSHV的放大电路平平无奇，大量恒流源的使用使得这个机器与BHSE一样基本没有什么调试的问题，只要有配对良好的晶体管就可以制作出品质不差的机器来。它值得学习的地方体现在电源的设计上，差分采样的稳压方式显然比单管采样效果要好。但KGSSHV的输出级静态电流较小，假定输出级所用恒流源管2SC4686的BE压降为0.6V，LED压降为1.7V（参考BHSE的图纸LED压降的设定），则输出级每管静态电流为6.11mA。这个静态电流甚至比006这种使用电子管输出的机器还要小，尤其是在KGSSHV拥有较高输出电压的情况下，这个静态电流显然是有些不够用的。因此，在仿制KGSSHV的时候，建议把输出级的电流调大一些（减小图纸上R6、R5的阻值）


纯电子管电路

  目前纯电子管电路的机器比较少，除了传说中的SINGLE POWER ES1之外，量产的机器中似乎只有RSA A10看起来是纯电子管的（仅为个人推断）。下面三张图分别是ES1、STAX某款、KG某款、Daughter of Best的电路图（有待考证）。





  由于有许多高μ值电子管可供选择，因此全电子管的静电耳放电路往往很简洁的，一般两级放大就可以满足需求。不过由于现在的器材多数都支持平衡信号，所以倒相级往往被独立出来，而不是以往那种只支持单端的设计。

  电子管线路目前已经非常成熟，所以这些设计往往是大同小异的。在KG某款的电路中我们能够看到，主放大部分是非常简单的带环路负反馈的两级共阴极放大，为了支持单端信号，前面加入了一个共阴极放大和屏阴分割倒相。

  但这个电路是有一些问题的，比如由于反馈电阻的存在，输出端会有一个直流电位，插拔耳机的时候可能会有一声爆音。其次屏阴分割倒相尽管具有可直耦、失真低、频响好的优点，但同样具有增益低（Gv≈0.8-0.9）、灯丝电位高等问题，而且这个线路预放大部分与倒相级并没有直耦，使用屏阴分割倒相就显得没有什么优势了，还需要额外处理灯丝电位的问题。而且该电路使用了国内难以购买且已经停产的6S4A（和国内的6S4有很大的差别）作为输出管，6S4A是一个屏耗8.5W的小九脚单三极管，内阻3.7K、跨导4.5mA/V、放大系数16.5（均为典型值）。根据该电路我们绘制出其静态负载线如下

从图上可以看出该电路输出级工作点大致为-16V、7.27mA、273V，静态屏耗约为1.98W，最大输出电压约为±180V。而使用12AU7和12BH7在700V供电下的静态负载线如下



  我们可以发现，无论是在输出电流还是输出电压，12AU7和12BH7的性能都不次于6S4A，12AU7对于输入电压的要求比6S4A还要略低一点。而且以上应用条件均未超过12AU7的极限值（参考GE 12AU7A官方参数），何况12AU7的灯丝功耗仅为6S4A的一半。这也是我为何一直强调适当的学习和借鉴，在静电耳放名机中也一向不乏这种使用小型双三极管的作品。

  Daughter of Best这个电路现在了解的人并不多，但确实是个不错的电路设计，它的最大亮点是直耦的设计。输入级选用了欧美名机常用的长尾对倒相（共阴极倒相），与屏阴分割倒相相比，长尾对倒相的增益较高，而且阴极电阻和屏极电阻的选择也有很多讲究，但这个电路使用恒流源作为倒相级的阴极负载，既免除了调试的问题，同时有保证了两臂信号平衡，也不存在灯丝电位的问题，是个一举多得简单省事的设计。输出级使用EL84等器件构成的恒流源作为阴极负载，输出管单管静态电流7.45mA。不过这个电路供电比较夸张，B+达到了915V，制作的时候不仅高耐压的器件不好找，而且也有一定的安全性的问题。


我的电路设计

  尽管有诸多成型且有名的电路可供选择，为了提高成功几率和减少制作调试的难度我最终还是选择了使用恒流源的长尾对倒相和两级共阴极放大的电路形式，下面是整机电路图。


  整机供电为±350V，BIAS部分可调，最高575V。这种设定是考虑一些万用表内阻不够高，在测量BIAS的时候容易产生误差（关于这点KG在HEADFI上专门开贴说过），而且略低几V对于整机表现影响不大。



  电源部分使用桥式整流、CLC滤波、串联稳压。电子管整流较高的功耗发热和压降让我放弃了使用它的想法，快恢复二极管桥式整流是价格低廉且高效的选择。滤波使用了传统胆机常见的CLC滤波，与CRC滤波相比，CLC滤波不仅纹波小，压降也较低，只是成本略高一些而已。稳压部分使用2SC3866（800V 3A 40W）比较放大，FQPF8N80C（800V 8A 59W）调整输出。与BHSE所用的IRFBC30和2SA1968相比，这种组合不仅可以同时应付BIAS和放大部分高压的稳压，功耗也较高，再加上TO-220F的全绝缘封装，在安装的时候无须绝缘垫片或尼龙螺丝之类的东西，降低了安装难度提高了安全性。值得注意的是稳压管要并联电容消除齐纳噪音，滤波电容也建议并联小容量薄膜电容。



  倒相与电压放大部分使用12AT7，输出级为12AU7（实际上机的是6201与6189，即12AT7WA和12AU7WA），倒相级的阴极负载是用JFET和一个电阻构成的，调节电阻可以改变管子工作电流，只是注意要选择Ids高一些的管子，这样调节的余地比较大。输出管实测工作点为-14V、8mA，屏极负载电阻48K，输出电压约为±190V。



  目前电子管输出的静电耳放中，006这类使用小型双三极管的机器静态电流大概在7mA左右，KGSSHV仅为6.11mA。007因为用的是并管设计，大约在15mA左右，A10差不多也是这个级别的，比较大一点的就是BHSE或其他类似T2的设计，不并管的情况下接近30mA（以上均为根据电子管特性曲线或电路图的推测值），对于阻抗较高的静电耳机来说都是够用的，并管或使用非复合管的做法对电子管的要求较高，如果能找到配对较好的管子可以试一试，或者加入一个耦合电容，否则中点的调节绝对是一个让人头疼的事情。

  在后续的设计我可能会采用恒流源负载的方法来提高电路稳定性和增益，不过与高反压PNP相比我更倾向MOS。至于输入级的设计，并不是非孪生JFET和串叠电路就不行，《Valve Amplifiers》和《音频功率放大器设计手册》对此都有论述，它们的效果用电子管、BJT或OP未必就不能实现，完全可以根据自己的需要进行灵活调整。



实际制作部分

  本文强调的是电路上的分析和讨论，不过光说不练显然也是不行的。下面是我完成的工程版整机。


  飞线比较多，但影响并不大，信号线一定要用屏蔽线，灯丝部分从底部走线同时需要双绞，而且最好直接飞线到管座周围。在我的设计中每块板子边缘的地方都有一个独立的插座，从管座飞线到这个插座上，然后从插座连接到电源板。这种设计是为了方便给灯丝提高电位，对于静电耳放这种供电较高的线路来说，提升灯丝电位是必须的。

  由于器件尺寸都比较大，所以做出来的PCB也会大一些，也许这也是为何静电耳放爱用分体式设计，不过如果能找到大机箱的话，装在一起也是可以的，事实上一个430宽的机箱完全能够装下这些东西。

  PCB就不用多说了，因为要安装电子管管座，而且拔插的时候PCB会受力，所以最次也要2mm的板厚，另外多开几个安装孔使用铜柱螺丝支撑也是很重要的。2oz铜箔和沉金也是很有必要的，厚铜箔走线的时候就可以稍微细一点，而且走线多粗是要根据通过电流计算的，不能想当然，根据经验公式，1oz的板材1mm走线通过电流1A毫无压力，走太宽的线除了好看之外有什么用？何况有时候较宽的走线还会引入噪音。






  板子分开做连线的时候会麻烦点，但调试起来就比较方便了，一块一块的调整，而且也便于自由组合。如果是全平衡的机器那么倒相板就不用装了，不过这种使用双电源供电的机器，输入端必须加入耦合电容，否则会烧毁负电源上的一些器件。

  用料丰俭由人，实际上国外的名机除了AUDIONOTE那样的之外，一般用料都并不奢华，而且从我手上的WADIA 25来说，并不是没有金封运放、加当电阻、油浸电容就出不了好声的。实际上使用多枚电阻串联替代一枚电阻来降低电阻的发热量，可能远比用一颗高价大功率电阻的效果要好，尤其是一些负载电阻，只要这个电阻有较高的精度和稳定性就可以了。曾看见过一篇名为《试听二十款发烧电阻》的文章，我真的很难相信用LS3/5A和TSM300这种级别的音箱能听出如此细致丰富的感受，在电路设计和细节调整下功夫得到的效果往往会更好。


  用线路板装机已经是一件很没有难度的事情了，找好器件直接焊上就可以了。从低到高，先焊接电阻，然后是管座插接件，最后是体积较大的电容。不过电阻不要紧贴PCB安装，这样不利于散热。铜柱螺丝也不建议拧得太紧，可能会导致PCB变形。

  输出部分有两组，一组直耦一组RC耦合，我建议最好用RC耦合的那一组，虽然有的朋友可能会是不够HIFI之类的，但前面的耦合电容可都没少用，还真就不差这一个，容量大一些就可以了。而且用电容耦合不必担心中点平衡的问题，而直耦则需要经常调零。
调试非常简单，需要调节的只有四个地方，高压电源、BIAS电源、倒相级电流、输出中点，本电路设计倒相级每管电流4mA左右就可以了（测量屏极电阻压降），高压供电调到350V，BIAS我调到570V，更高一点也可以，只要不超过580V，几V的偏差没什么影响。

  简简单单就是这样，那种焊好电阻拍一张图焊完电容再拍一张图的做法我觉得完全没有必要，为了晒焊工还是晒器件？前者机器做得比人更好，后者百度一下有的是毒图。


  最后感谢无私上传那些资料的朋友，以及在我DIY过程中予以帮助的朋友。


END