[发明专利]模仿真空管失真的多级固态放大器

说明书

本申请相应的美国申请是1994年1月10日递交的美国专利申请08/179，546号的部分继续申请。

本发明涉及乐器的放大器。特别地，本发明涉及一种固态多级放大器，它所具有的失真使得它听起来象是一个超载驱动的真空管放大器。

音乐艺术家常常比较喜欢真空管放大器，这是因为真空管所产生的失真输出声响听起来比较熟悉，并且觉得是最令人愉快的。另一方面，通常比较喜欢固态放大器的原因是它们比较轻便，并且生产成本常常较为低廉，又比较耐用而且耗电较少。要想使固态放大器产生与真空管放大器相似的失真声响是困难的。此外，可得到的用于放大器的真空管供货已经变得稀少而且较为昂贵。

图1示出了一种已知的真空管放大器10。为了表明装置的工作特性，采用各元件的典型值来说明该放大器。图1所示的放大器是一个含有四个相同真空管区12、14、16和18(例如四个12A×7真空管区)的前置放大器，每个真空管区都有一个相应的板极电阻20(100KΩ)和阴极电阻22(1.5KΩ)。每个阴极电阻22都并联了一个旁路电容24(2.2μF)。当一个典型的12A×7真空管区具有这样的板极和阴极电阻值时，则对+300V的电源来说它的静态板流约为1mA，阴极电压约为1.5V，板极电压约为+200V。当栅极电压的正向摆动峰值为1。5V时将使栅级导通。正常的吉他输入通过耦合电容34和栅极电阻36耦合到第一真空管级12的栅极上。在电容34和栅极电阻36的连接点上接有一个电阻38，它为真空管12的输入提供了参考地。在真空管12的板极和栅极之间连接了反馈电容40(10pF)，它提供了称之为密勒(Miller)效应的高频衰减控制，这有助于在输入开路情形下保持放大器的稳定。放大器12的板极信号通过电容42和栅极电阻44被耦合到放大级14的输入端。电阻44和46起着分压器的作用。类似地，放大级14的信号通过电容48和栅极电阻50耦合到放大级16，那里的电阻52给输入提供参考地和电压分压。最后，放大级16的信号通过电容54、栅极电阻56和参考电阻58耦合到放大级18，其中参考电阻58也起到提供参考地和分压的作用。放大级18的输出通过输出电容60耦合到前置放大器10的输出端。

耦合电容42、48和54的值以及分压电阻44/46、50/52和56/58的值都按照已知的方法来选择，以提供良好的失真声响。尽管对于高电平吉他来说在第一级12中也会不时地出现削波现象，但典型地说，对于施加吉他电平的输入信号的情形，第一级12是无噪声和不失真的。第一级输出信号的电平高到足以在第二级14中引起输入削波，这是因为第二级14的栅极被相对于阴极正向驱动，从而它在输入周期中有很大一部分是导通的。放大级14中的输入削波造成栅极的平均电压为负，使第二级14的工作点发生很大的偏移，结果产生了大量的二次谐波失真。第二级14板极上的信号变得象一个方波，并且大约有2/3的周期处在正半周。第二级14的板极的信号电平高得足以在第三级16中产生很大的输入削波。那里的栅极电平也相对于阴极摆向正的方向。这样，输入削波使第三级16的工作点偏移。这种过程又一次被重复，造成第四级18的输入削波和工作点偏移。第四级板极上的输出已经经历了几次不同程度的输入和输出端削波以及几次工作点偏移，因此具有丰富的谐波成份。所有这些是造成所谓良好真空管音响的主要原因。

在图1所示的典型前置放大器10中，任何一级的最大板极正向峰值摆动大约是100V(即约为板极电压的一半)。此外，每个栅极都在正向峰值摆动约为1.5V时导通。这个100∶1.5的比值或66.7是一个很大的数字，而这个比值对于使各个级的工作点偏移到足以产生适当数量的二次谐波失真来说是重要的。分压器电阻44/46、50/52和56/58的值也是关键的，所以它们需要仔细选取以给出恰如其分的输入削波量，造成能产生令人愉快的二次谐波失真。

这里指出在所谓失真真空管声响中的两个关键要素。第一，真空管具有100V的输出能力但只有1.5V的输入削波能力这一特性是独特的，而这一特性对于成功地产生二次谐波失真和所谓的真空管声响来说是需要的。第二，为了在音乐师弹拨吉他之后吉他输出电平下降时能够保持失真的声响，多个放大级是必要的。尽管所采用的级数可多可少，但为了得到大多数音乐家所希望的失真声响，需要最少三级，最好四级放大级。

因此，存在着对固态放大器的需要，它能够代替多级前置放大器中的各个真空管放大级，并且能够被超载驱动以模仿由上述已知真空管放大器产生的真空管声响。