翻译 Mr. Ben H. Tongue 的文章#14

BG1TRP

零损耗、单向“理想”音频变压器模拟器
无需测试设备轻松确定任何矿石机二极管/耳机组合的最佳音频变压器源电阻和负载电阻

内容速览：
　　在二极管检波器的输出端接上耳机时，模拟器可以作为音频变压器工作，但有几处不同：(1)无插入功率损耗。(2)输入和输出电阻可通过选择开关在很大范围内独立变化，可以模拟各种“变压器匝数比”。模拟器的主要目的是通过转动两个刻度盘，找出“真实变压器”所需的最佳音频阻抗变换率。同时可以在矿石机上试验不同的二极管或耳机，评估变压器对选择性和音量的影响。另一个目的是在输入和输出阻抗相同的前提下，检查音频变压器与理想变压器性能的相近程度。模拟器有一个可切换的20dB放大器，可以更好地读取非常弱的信号。
　　如图1、图2和图3所示，模拟器的第一个版本用于驱动典型的Sound-Powered舌簧耳机、磁性振动膜耳机或压电陶瓷耳机。图4所示的B版原理图设计用于为更大范围的负载馈电，负载阻抗可低至8Ω。B版模拟器可以匹配上述耳机和典型动圈耳机的阻抗。

1. 模拟器有什么用处？
　　就一台使用音频变压器驱动耳机的矿石机而言，如果变压器没有损耗，只要二极管检波器的输出电阻与负载耳机的阻抗完全匹配，就能确定矿石机的性能。
　　在弱信号时，调整SW3到最大音量，然后在强信号时再调整SW3到最大音量。用这个方法就能确定二极管最佳负载电阻是否随信号电平的强弱而变化。

• 可以确定真实变压器的最佳匝数比。为了求得变压器的最佳匝数比，要将SW3和SW4调到音量最大的位置，然后计算输出与输入绕组匝数比，匝数比 = SW4档电阻与SW3档电阻之比(图3中括号内的数字)的平方根。
• 可以通过调整SW3来确定二极管最佳负载电阻在从BC波段的一端到另一端时是否发生变化。通常在接收强信号时最佳负载电阻会发生变化。
• 在评估二极管时，可以消除一些谜团。当驱动二极管的射频源电阻和音频负载电阻设定为二极管的最佳值时，二极管将表现出最佳的弱信号灵敏度。在使用单向“理想变压器”模拟器 (UITS)的矿石机中比较各种二极管时，只需转动SW3到最大音量，即可得到二极管所需的最佳音频负载电阻。这样，二极管就不会因为在不利的阻抗环境中(对该二极管而言)使用而受到影响。
• 可以比较各种耳机的灵敏度，而无需为每种耳机选择最佳音频变压器。 只需调整SW4到每个耳机音量最大的位置，然后从刻度中读出近似的最佳源电阻。
• 可以确定在指定的矿石机中使用的真实变压器与理想变压器的相似程度。
• 还可以发现实际使用的音频变压器是否会改变音质。如果并联电感过低或绕组分布电容过高，就会出现这种情况。
• 可以确定耳机的平均音频阻抗。有关这方面的更多信息，请参阅文章#2和文章#3。
• 模拟器的附加功能是将音频信号提升20dB (这就是plus...的由来)。附加功能不影响输入和输出电阻，可以用来增加微弱信号的音量，或作为对非常微弱的信号进行对正调谐的辅助工具。
• 在正常工作时(关闭20dB提升)，UITS 经过校准，不会产生功率增益损失。在从直流到3.3kHz的音频频段内，具有±0.3dB的平坦频率响应。
  

2. 模拟器是什么？
　　与真实变压器不同，UITS可以将信号从输入端口(J1)传递到输出端口(J2)，但不能将信号从J2传递回J1。UITS名称中的“单向”一词就来源于这一特性，参见图3。真实变压器是双向的，也就是说，它可以向任一方向传递信号。
　　一个好变压器损耗很小。无论有效匝数比为多少，都可以将UITS设置为无功率损耗(或增益)，有效匝数比由SW3和SW4的档位控制。
　　真实变压器的匝数比称为“n”，因此，它的阻抗变换比为n ^ 2。也就是说，连接在一个绕组上的电阻值R，在另一个绕组上将反映为R * (n ^ 2)或R / (n ^ 2)。没有抽头的真实变压器，n是一个固定参数，有抽头的变压器，n有多个不同的值。通过SW3和SW4可以非在常宽的变换比范围内调整UITS，优点是通过开关分别控制输入和输出电阻，任何输入和输出电阻的组合都不会产生功率损耗。

3. 关于在矿石机使用音频变压器的的简短教程
　　在设计高性能矿石机时，人们会遇到的一个问题是确定检波器与耳机之间音频耦合变压器的最佳参数。虽然内部损耗和电抗参数也很重要，但阻抗变换比是需要考虑的主要因素。还有一个因素是比较变压器初级和次级的设计阻抗等级与矿石机所用的阻抗等级。
　　下面研究一下两个变压器的性能。这两个变压器具有相同的变比，但最初设计用于在不同的阻抗等级下运行，所以两个变压器的性能不会相同。为了说明这一点，我们将研究一个变压器，这个变压器被设计用于将10kΩ信号源转换到90kΩ负载。这可能是AES PT-156、Stancor A-53C或类似变压器，最初设计用于将前置(电子管)音频放大级的输出耦合到推挽式功放级。如果设计人员设计得当，变压器的损耗就会尽可能低，并符合其指定的频率范围、功率处理能力和目标成本。如果用40kΩ信号源驱动，用360kΩ负载加载(阻抗比仍为1:9)，变压器的频带中心功率插入损耗会增大，在频带的低端也会有衰减。频带中心损耗增加的原因是铁芯损耗引起的并联电阻会加重当前较高的信号源电阻(40kΩ)的负载，因此损耗增加。
　　初级绕组并联电感的电抗在频带低端会使当前较高的信号源电阻(40kΩ)的负载比以前更大，从而增加音频频段低端的衰减。由于初级绕组并联电容的电抗在40kΩ的信号源驱动时会比10kΩ的信号源造成更大的损耗，因此音频频段的高端也可能会被衰减。
　　另一方面，如果变压器由2.5kΩ的信号源驱动，并为22.5kΩ的负载馈电，则频带中心功率插入损耗仍会增加。原因是信号源电阻与初级绕组串联电阻的比值没有信号源电阻为10kΩ时高。大部份输入功率将耗散在这个串联电阻中，只有小部份功率传送到次级。次级绕组的电阻也会产生类似的损耗效应。频带低端将达到比以前更低的频率，但由于初级和次级绕组中的漏感，在频带高端会有一点衰减。人们可以通过将与初级和次级绕组串联的寄生电感形象化来思考这种效果。
　　重要的是，要明白变压器制造商为不同端子规定的阻抗数字是他们用来规定变压器性能的信号源电阻和负载电阻。大多数情况下，在高性能矿石机中使用原本设计用于电子管的级间变压器(屏级到栅极)，或者将低阻抗线路匹配到屏级或栅极的变压器的时候，适合以下描述：
　　当实际矿石机源电阻和负载电阻高于变压器的设计值，但又达到所需的比率时，通常会产生最佳结果。例如，如果Stancor A-27变压器的端子8和9连接在一起，端子3和4连接在一起(二极管输入端连接到端子7，二极管返回端连接到端子10)，则制造商规定该变压器可以使用100kΩ的输入和连接在端子1和6之间的600Ω负载。在200kΩ输入和1.2kΩ负载电阻下使用这个变压器，变压器的频带中点功率损耗会略有增加，但检波器200kΩ的高负载对检波器灵敏度的提升有更大的抵消作用。这假定使用了饱和电流相对较低的二极管，如肖特基二极管、FO-215或其他高结电阻二极管。音频带宽也会减少，但减少的幅度可能无法察觉。在文章#5中的表5、表7和表8举例说明了这些影响。若要进一步提高二极管在1.2kΩ负载上的转换电阻，可将负载连接到端子1和5，而不是端子1和6。音量可能会因变压器损耗的增加和音频带宽的降低而减小。

4. 单向“理想变压器”模拟器。
　　如何确定能使矿石机达到最佳性能的变压器规格？我们可能不知道二极管检波器的音频源电阻，甚至不知道负载耳机的平均阻抗，UITS可以用来查找这两个参数值。UITS还有一个20dB增益开关选项，可用于接收非常微弱的信号，如果需要的话，还可以通过开关阻断通过耳机的直流电流。
　　UITS有两个调整操作，一个设置输入电阻Ri，另一个设置输出电阻Ro，这两个设置互不影响。所设置的两个电阻之比的平方根(√(Ri/Ro ))等效于实际变压器的匝数比。以下是UITS的几个使用方式：

• 比较候选变压器与理想变压器的性能，观察在候选变压器中损失了多少信号。如果两者性能的差异很小，那么寻找更好的变压器是没有意义的。
• 用于找出最适合所使用的矿石机/耳机组合的阻抗变换比。
• 用于代替实际的变压器。
• 提升极弱信号的接收能力。
• 请参阅上文“模拟器有什么用？”
  

　　使用UITS时，将UITS连接在检波器输出端和耳机之间。要确保为二极管连接适当的射频旁路电容。放大倍率设置为0dB，然后分别调整两个开关，以获得最大音量。最后根据S3和S4的档位计算出阻抗变换比。在其他条件相同的情况下，具有这个变换比的变压器最适合所使用的检波器和耳机阻抗。变压器的初级源电阻和次级负载电阻应当与UITS所确定的数值大致相等。如果变压器出厂规定的阻抗等级比期望值低差不多四倍，但变换比相等，频率响应范围比0.3～3.3kHz宽得多，则这种变压器可能会很好用。
　　注意：UITS不需要串联在实际变压器初级的并联RC (“Benny”，见文章#5)，因为UITS的输入电阻对于直流和交流是相同的。

图1

图2

图3

几点说明：

• B: 9V电池
• IC: JFET输入运算放大器，如LF353、TL081或M34002。基本的要求是运放应具有JFET输入、3MHz或更高的带宽增益乘积。
• 22uF电解或钽电容器的额定电压应在10到25伏之间。
•         电路图中标示的电阻值是标准5%系列电阻值，使用与所示值相差±10%的电阻器不会对本装置的性能产生明显影响。
  

5. 使用
　　UITS的校准非常简单。将SW2置于0dB位置，SW3和SW4设置为10kΩ，将电位器P设置为零增益。为此，在J2上加载一个10kΩ电阻器，将音频信号发生器的1kHz信号馈入J1。调节电位器P，使J2的输出电压等于J1的输入电压。如果没有音频发生器，可将矿石机二极管检波器的输出连接到J1 (不需要使用音频变压器)，并将阻抗约为10kΩ (直流电阻为2kΩ)的耳机连接到J2。然后调出一个电台，调节电位器P，使音量与检波器输出直接输出到耳机时的音量相同。调整完毕后就不用再做更改。
　　请注意：将矿石机检波器输出端与 UITS连接的电缆要尽可能短，以尽量减少额外的旁路电容。如果SW3 切换档位时信号的音质有变化，则说明检波器输出电路的旁路电容过大。原因可能是所用的二极管射频旁路电容器过大，或者对于SW3设置的电阻而言，连接电缆的旁路电容过大。我使用的是18英吋长的RG-59型同轴电缆，每英尺的电容约为20pF。
　　当不使用耦合变压器时，电磁振膜式耳机的性能会受到通过耳机的直流电流的影响。SW5就是为那些选择阻断直流电流的人准备的。

6. 模拟器B版的电路(2003年5月25日添加)
　　B版模拟器与图3所示的模拟器区别如下：
　　1) 输出电阻范围从40kΩ～150kΩ变为20kΩ～8kΩ。这样UITS就可以与动圈耳机一起使用。
　　2) 直流阻断是固定的(取消SW5)。
　　3) 电路图中最大输入阻抗为640k。如果需要，可以增加图3所示的1.28M开关档位。

图4

文章#14 发布时间：2001-01-05；最新修订：2010-01-17

原文网址 https://kearman.com/bentongue/xtalset/14UITSp/14UITSp.html