真空管的工作原理和它的特佳線性

John阿俊

真空管是音響界神奇的小玩具，它的原理就是電氣界的起端，找直熱式三極真空管最容易理解到它的原理，我們用電流把燈絲加熱，就能讓電子在真空的管子內部亂飛，輸入的訊號做為控制極，大家都應該知道電子最喜歡往高電壓跑，所以圍繞在燈絲週圍的控制極（柵極）我們都會通上低的電壓，讓電子不要飛出來就直接撞到陽極。而能夠飛出來進入陽極的電子數量，就是輸出電流，它會隨著我們改變柵極的電壓幅度而改變，理論上它是可受控制的放大器。

但三極管是有弊端的，它的特性不太理想，常寄生電容過大，輸出阻抗太大，效率不佳的問題，所以後來就出現了改進的五極管和束射管。

五極管陰極不像三極管是用燈絲當陰極，而是採用獨立配置，在它週邊我們安裝了燈絲去加熱陰極。電子衝出陰極後必需通過柵極，那樣的話我們在此利用低電壓來控制電子通過的數量，而電子在通過柵極後，會再經過簾柵極。這個簾柵極是用來降低輸入端寄生電容的，通常此處會接上比陽極低一截的電壓，這會導致電子在通過簾柵極之前不小心又被這個電壓加速了一段再去撞陽極。當此時因為速度過快，不但沒有把自己留在陽極上金屬片當中，反而還把陽極上的電子給撞飛了出來，導致於當我們把柵極電壓拉高，期待管子要出更大的電流時，電流反而變小了，於是在簾柵極和陽極間我們又加上減速用的抑制極。從結構及實測上，由於真空管的電子通路是固定的，能放過多少電流是看柵極阻擋的力量有多大，所以線性的確是好很多的。

能稱為五極管當然有陰極、柵極、廉柵極、抑制極與陽極，簾柵極用於加速而抑制極用於減速，控制好速度後才會進入陽極。

真空管的高電壓

在一些特性圖中我們可以看到，在柵極電壓輸入以及電流輸出的對照中，真空管是非常線性的，但真空管的運作方式因為必需要加熱燈絲，所以熱噪音都會比電晶體大一點，所以SNR(噪訊比)通常都只有-90db左右。當到實際聽感時，真空管放大的聲音大多比較耐聽，沒有生冷感，細節多又富有情感，不過在實際應用上，但真實應用中真空管的確不適合在超大功率上，最理想的應用範圍是在0.1W∼30W之間。

但真空管的運作，必需要使用高壓電，對於大型功率管而言，動不動就要200V，常見的束射管都要到600∼800V，而單支就有大功率的管子動不動就是上1000∼2000V。為了供應它電源就要花掉很多材料，電路設計稍有不慎就會爆炸，大功率的情況下使用也未必會有好處。而單級放大倍率通常都不高，就像KT-88這種大型管也不過gm=40mA/V，要得到真正大功率得三至四級放大，反而容易出現失真。

真空管放大器屏壓基本都在數百V（伏特），一定不能直接把訊號推送到喇叭，這樣會燒掉您昂貴的音箱。所以一定都要經過輸出變壓器降壓來進行阻抗匹配，因此，真空管是高電壓低電流的工作方式，電晶體則是低電壓高電流的運作方式。輸出變壓器本身也是被動元件，所以還會再造成一些失真，若要不失真，那麼這樣的造價成本就相當驚人了。