工频电磁波对电子管的干扰

电磁干扰（EMI）是玩电子管绕不开的话题，特别是一些电磁环境恶劣的位置，对电子管的干扰是不可忽视的。

前段时间完成1AE4电子管混合放大耳放之后，发现有持续的嗡声，在四周安静的时候能够清晰的听到噪音，这种噪音还是很影响听感，于是，准备找到这种噪音的来源。由于是第一次使用gyrator方案制作耳放线路，因此，最初的思路全部放在了线路的设计上，当时分析了几个噪音的来源，把注意力放在了主电源、灯丝驱动、接地方案、gyrator线路设计等这几个地方。

整个线路只保留主电源，灯丝驱动，放大部分，去掉了输出牛这些暂时用不到的部分。

我先后测试了主电源，灯丝驱动这几个部分，发现了一些设计的bug，主电源输出时是没有任何波纹的，用毫伏表测试，噪音波纹大概在100uVrms的程度，但是经过线路传输到放大器板子之后，由于电子管的板子没有设置退耦电容，因此，这个位置产生了一些感应噪音，大约20mVpp的样子。另外灯丝板子也发现了同样的问题，放大器板子的接地方案本身没有问题，在放大器板子上分别接上主电源和灯丝电源的退耦电容，这些小噪音都消失了，示波器显示这些位置的波纹都非常的小了。

然后我用示波器检测了电子管屏极和阴极之间的波纹，发现有高达64mVpp的工频波纹，这让我非常惊讶，这个噪音波纹其实是非常高了。我把思路放在了gyrator的走线上。毫无疑问，干扰来自于空间的工频电磁波（50HZ），因为整流之后，如果有噪音波纹，应该是100HZ的波纹，我猜测是空间的波纹产生的感应电动势影响到了mos的栅极，而栅极上过长的布线会形成更高的感应电动势，于是，我再次设计了放大器的pcb板，增加了主电源和灯丝的退耦电容，优化了线路的单点接地，背面大面积的覆铜做电磁屏蔽。gyrator全部采用贴片件，布局集中在3*2厘米的范围内，并增加了一个屏蔽罩，极大的减小了gyrator布线的尺寸，并尽可能靠近电子管的屏极（小于1cm），做了这些优化措施之后，这一版有了明显的提升，电子管屏阴之间的噪音降低到了24-26mVpp的样子。但这个并没有达到我最理想的程度。

线路上的优化基本做到了极致，外界的电磁环境是我无法改变的事实，因此只能想办法从电磁屏蔽上进一步减小噪音。电子管本身就是一个天线，我猜想是电子管本身的感应形成了余下的噪音，我给放大器板子做了一个铁表面，并且找了一个壁厚5mm的铁管子，刚好可以把电子管包裹在内。准备好一切之后，我再次测量了屏阴之间的噪音，这些屏蔽措施有一些作用，噪音降低到了22-24mVpp，降低并不多，因为减少的干扰主要是高频电磁波，可以看到示波器上波形的毛刺减少了，但是50HZ的工频干扰依然存在。。。

上面示波器的图形可以明显的看到加铁管屏蔽之后的波形变化，毛刺明显的减少，也就是说，屏蔽生效了，但是对低频干扰依然无能为力。这促使我思考干扰的来源和形成的原因。于是我准备做一个另外的实验。我先把电子管卸下来，然后换了一个20k的电阻上去代替电子管，用示波器查看电阻两端的波纹，上电之后，发现电阻两端没有明显的噪音，波纹在5mVpp以内。能观察到明显的EMI干扰，这属于正常范畴，也说明了噪音肯定和电子管有关。但无法肯定是gyrator和电子管共同作用产生了噪音还是电子管单独产生的噪音，于是我又将gyrator的mos取下，切断了gyrator的线路，并接了一个33k的电阻作为负载电阻代替gyrator，再次上电测量，这次发现电子管屏阴之间的波纹高达32mVpp。

这下就确定了波纹的来源，可以确认是电子管感应空间电磁波形成了噪音。而且还确定了gyrator对噪音本身的抑制作用。gyrator属于串叠推挽结构，推挽可以明显的减少偶次谐波。示波器做傅里叶变换分析波纹来源也证明了这点，谐波分量最高的是50hz，其次是150hz和250hz。100hz和200hz的分量基本看不到。

于是我开始思考低频电磁波是如何影响电子管的，毫无疑问，电子管内部主要受电磁波影响的是电子和离子，而且起作用的应该是低频磁场，低频磁场穿透力非常强，我之前的屏蔽措施对其毫无作用。当电子或离子受到电磁波影响之后，会被磁场扭转方向，从而导致电子的运动路径（灯丝和空间）发生变化，从而导致到达屏极的电子的时间分布发生变化，最终形成了有节律的波纹，其中电子应该是形成噪音最大的来源，还有一个来源是被磁场影响的阳离子撞击栅极形成的栅流，经过栅地电阻之后，产生微小的压降，再被电子管放大形成的噪音。

我将栅地电阻从100k降低到10k，因为现在DAC的大部分输出阻抗都低于600欧姆，10K可以保证足够的阻抗，换了栅地电阻之后再次测量显示，噪音波纹降低了2mVpp，大概在20mVpp上下浮动。剩下的，就是我无法解决的电子造成的噪音了。

其实到此为止，对电子管受低频磁场影响的定性分析已经完成，剩下的噪音只能通过改变设计来想办法消除，比如用两根电子管做差分放大，把两根电子管上的噪音变成共模干扰，再通过差分线路来消除，或则通过推挽放大线路，用输出变压器来消除共模信号。