二十一世紀的三重(Three-Winding)超線性放大器
左增軍 / 2025-09-25
本文《三重超線性放大器》（Three-Winding Ultra-Linear Amplifier簡稱TWUL），是對目前市面上流行的、上世紀初固定下來的《超線性放大器》（UL Amp）的改進。為什么要對流行了近一個世紀的超線性電路做改進？就是因為時間已經過去近一個世紀，當初的設計目的已經很大成分不符合如今的要求了（春風不度離人枕，自有桃李傍新枝）。而且，我在沒事兒（確實沒事兒）閑逛的時候，看到很多懂或完全不懂電子電路的人們的帖子，說什么從超線性切換到三極管或五極管（標準放大）狀態后，感覺聽感提升幾個檔次~至于您是否喜歡或是討厭超線性放大的聲音，這里不做辯論，畢竟超線性放大有其一定的用戶~很多品牌膽機都有超線性工作模式。加上有不少朋友從我這里拿超線性輸出變壓器更換成品膽機以后，反饋回來的信息，給我增加了改進經典的超線性放大器的念頭。有人說電子管放大器在上世紀早已經成熟、完善，哪有什么改進空間。硬指標嘛什么失真小于小數點后幾個零，頻寬達到多少。但兩臺膽機放在一起現場來聽，聽感上的確有一點區別，且區別與指標好的關系不大。大家都知道我本人對表象并不在意，關注的是內核，所以我需要從本質上說起。
超線性(Ultra-Linear簡稱UL)放大器，也稱作分布式負載（Distributed Load）放大，是到目前應用很普遍的一種單端、推挽放大電路的結構形式。不過說實話，我做三極管類比如2A3/300B/6C33C之類較多，四、五極管較少。我們都知道，三極管模式效率低，輸出功率小，標準接法放大效率高，輸出功率明顯大，只是失真較大。大家都說超線性放大是用三極管的低失真擁有五極管的高效率，是發燒友常用的一種電路形式。
所謂超線性，其本身也并非線性，也是通過負反饋來獲得比較滿意的指標。因此仍然是彎曲的。“超”線性嘛，就是超出了線性^_^。功率管的簾柵極直接接在（或通過一兩百歐姆的電阻）輸出變壓器初級繞組上，取得反饋的同時，也獲得了直流電壓。當然也有使用獨立簾柵繞組的電路，比如下圖，以及著名的麥景圖（McIntosh）電路~說了幾次要對麥景圖電路寫一篇專輯，多種原因未能完成發布，表示抱歉。
本級產生的失真本級來“解決”，這是自古正確的做法，通過環路反饋減小失真，本質上是讓不失真的前級放大級，來放大失真的信號，更容易產生互調失真。這里舉個例子：比如說生活中的洗碗，如果說吃飯后有2個碗盛主食（米飯或粥品），2個盤子盛炒菜之類。讓我來收拾洗碗，我的做法是，單獨把盛主食的碗清洗一下~這個比較簡單容易清洗干凈。對于有油污、盛炒菜的盤子，可以放在炒菜鍋里一起刷洗（假如油污較大的也需要單獨分開刷洗），用洗潔精、多沖洗幾遍即可。我愛人則不然，要我把全部碗筷都放進炒菜鍋里，然后一起刷洗~記得以前曾經說過這個例子。我的思維很簡單，認為干凈易清晰的碗扔進油污的鍋里，會變得難以清洗。不知道您是如何做的呢？可能現實生活中很多人會像我愛人一樣的做法。對于多級放大，我的宗旨是，充分做好每一級的性能和輸入、輸出電壓擺幅余量，包括各級變壓器（假如用的話），然后再級聯統調，如有必要可用少量、適當的反饋改善阻尼及其他性能。很多人知道，很多年前我的電路設計經常有輸出級的陰極反饋，其本質就是這個道理。大家知道為什么荷葉出于水而沾水嗎？“出淤泥而不染”是表現在每一個本質的細節上，而非徒有虛名。部分圖片來源于網絡，如有侵權請聯系我刪除。
Ultra-Linear Amplifier一詞，溯本求源，普遍認為來源于1952年 David Hafler（哈夫勒）和 Herbert Keroes （凱羅斯）在美國的專利申請（專利號2710312）。也就是Acrosound 系列膽機和變壓器的創始人，并寫了《超線性電路的理論和制作》（Theory and Operation of the Ultra-Linear Circuit）小冊子，讓今天的我們得以知曉其設計原理和概念。哈夫勒（Hafler）和凱羅斯（Keroes）在當時提出的概念包括超線性和分布式負載（Distributed Load）。
其實早在1936年，英國人Alan.D.Blumlein（艾倫·道爾·布魯姆林）就已經發明了超線性放大的電路概念，并于1937年申請英國專利496,883（注意專利有效期至1953年，雖然布魯姆林本人在1941失事于一場空難），Blumlien 的專利規定，最佳反饋抽頭比為屏極交流電壓的 25% 至 50% 之間，但是他在專利中沒有使用“超線性” 或“分布式負載”這兩個術語。注：布魯姆林（Blumlein）是一位偉大的發明家，短暫一生發表了很多專利，其中包括他發明了立體聲系統（1931 年，英國專利394,325）還有長尾倒相電路（1936 年），以及太多有影響的電路結構等。
后來(1951)Acro USA 的 D. Hafler 和 HI Keroes后來進行了詳細的研究，證明了對于6L6系列（包括5881、807和KT66）和6V6系列，簾柵極的最佳反饋電壓比。比如6L6、807 和 KT66采用43% 匝數或18.5%負載阻抗，6V6 系列更喜歡 22.5% 匝數或5%負載阻抗。這一比例后來得到了包括GEC/MOV、 GE USA 和 RCA的認可。有些網友認為，43%抽頭，是因為超線性變壓器采用7段繞組結構的一段連接處，正好是43%位置，或許是出自TubeCAD的觀點。
也許是商業行為的緣故，著名的Williamson（英國 MO Valve 公司）和 PJ Walker（Quad Audio）于 1952 年9月在《Wireless World》雜志上撰文，稱 Hafler 和 Keroes 的發明為“分布式負載（Distributed Load）”操作，并駁斥了 Acrosound 專利中的權利要求，稱五極管操作和陰極反饋設計（如 Quad II 放大器）都更勝一籌。有一些經典名機就是摒棄超線性而用標準五極管工作模式，比如我之前的文章介紹DENOC 6GB8 100W膽機。。
有趣的是，原威廉姆森三極管連接式放大器后來被哈夫勒（Hafler）和凱羅斯（Keroes）修改為超線性設計。并于1952年6月出版的《Audio Engineering》（音頻工程）雜志上發表了題為《Ultra-linear operation of the Williamson Amplifier》（威廉姆森放大器的超線性操作）的論文，其中提供了詳細的說明。盡管威廉姆森本人并不認同這一設計理念，但似乎超線性的威廉姆森電路依然很流行。
David Hafler 于 1954 年離開 Acrosound（這是他們的聯合專利以 Acro Products Company 的名義實際授予的前一年），并于 1955 年與 Ed Laurent 一起成立了世界聞名的Dynaco公司。到1955年，Acro Products 擁有的超線性設計專利已授權給包括Dynaco、Eico、Fisher、Harmon-Kardon、Marantz 和 Scott等專業音響制造商，還包括 Altec-Lansing、Ampex 和 Fairchild等。Acrosound設計的6146（FU-46）電子管100W電路無疑是一代經典：
到1956年11月，MO Valve Co/GEC推出 KT88 時，并沒有超線性抽頭的應用，僅僅提供三極管和五極管應用數據。再翻閱RCA電子管手冊1959-1964 年，針對 6973、7027 和 7868 型管子，描述為“每個管子的柵極 #2 連接到輸出變壓器板繞組上的抽頭，以便為每個輸出管的柵極 #2 提供 43/50% 的板信號電壓。德律風根 (Telefunken) 和飛利浦 (Philips)（Mullard UK 的母公司）似乎都沒有在其電子管手冊或數據表中提及超線性或分布式負載概念。直到1972年，美國通用電氣公司（GE USA）在其6550A產品規格書中使用了“超線性”一詞。
為滿足超線性電路應用的需要，部分電子管品牌做了針對性開發，比如GEC的KT88，主要加強了第二柵的耐壓。
然而限于第二柵的結構特性，其耐壓應該遠低于屏極（觀察下電極距離）：
在實際的超線性電路中，第二柵極電壓肯定是高于陽極電壓的，這將導致B+供電電壓不能很高、第二柵極電壓經常超過手冊允許電壓值，這很容易產生自激現象。有人說，電子管參數有1-2項指標超過沒有問題，這可能是國人為自己的行為找的最好的借口。
還有，目前談及超線性抽頭，對于常見型號普遍定義為43%。主要根據是部分文章、部分測試結果確認在40-50%抽頭時，輸出功率最大、失真最小~這是那個時候最為關注的硬性指標。關注聽感特性的比重較小，因為大多都沒有提及聽感問題，簡單的認為指標好就理所當然的聽感好，當時的威廉姆森（Williamson）放大器以0.1%的失真而聞名。
沒錯，指標好、深度負反饋帶來的穩定、牢固、“性能好”造就了一批經典名機，比如麥景圖275、QUAD II等，不知您是否實際聽過、對比過原機的聲音表現？有機會的話可以認真聽聽、感受一下。我之所以這樣說，是因為我維修過太多太多“名機”變壓器和膽機自然也就有機會聽和對比。我們不能否認這些名機帶給今天的我們的“享受”，不得不佩服在上世紀那個年代，能有如此經典的膽機留給如今的我們參考。
有句話很有道理：從見山是山，到見山不是山，然后再到見山還是山，這就是走向成熟。
現在，我來說說本文主題《二十一世紀三重超線性（Three Winding Ultra-Linear簡稱TWUL）設計》。我研究了David Hafler 和 Herbert Keroes 的專利和Acrosound 手冊，以及后來Hafler成立Dynaco公司后的專利，還有麥景圖的申請及購買的全部專利。再多說一句，幾乎大部分美國、英國音頻變壓器、電子管放大器的專利技術，我差不多都查看過了，下面列表只是少部分目錄和相關圖片：
電路設計部分專利：
下面是專利內容包含的圖片：
這是一些相關圖片，太多了，不能全部貼出來，有需要的朋友可以聯系我。
超線性電路因為普遍使用43%的抽頭，也就是有將近一半的反饋，致命的問題是，配套超線性輸出牛初級電感不能有較大電感（單端牛略好一點，推挽牛嚴格一些），也就是初級圈數不能很多，否則因為反饋量較大造成自激且不容易消除。初級電感不能大，證明開環情況下電路低頻和動態不夠，因為負反饋，低頻指標不是問題，但實際播放音樂的動態則變差，比如說擊鼓聲變硬而深度和彈性變弱。如何理解呢？變壓器初級電感小，也就相當于功率管的負載變小，負載變小相對來說對低頻的放大量變小，相對低頻的表現變差。就目前大部分超線性應用的輸出牛來講，只要超線性應用沒有出現自激，基本上初級電感都較小（開環狀態測試看看）。有人可能說我低頻測試很好就得了，干嘛要那么大電感？看下圖，這是Mullard經典的5-20放大器頻響測試圖，無反饋時參考loop gain曲線，-3dB衰減時大約55Hz~4.5kHz，按照當時的變壓器制作技術也算差不多了。當施加-30dB的反饋后，-3dB衰減時，達到了2Hz~50kHz，且低頻3Hz時有凸起。看到這些數據您聯想到了什么？我們要求好的變壓器、好的電路干嘛？只要足夠的反饋，神馬都是浮云？原來的手機照相只是美顏，現在的軟件修飾可謂徹底改變。屏幕上的你還是你嗎？這種特效網紅喜歡，但有的人麻煩。。。
這里順便說一下，像Mullard 5-20放大器這樣有-30dB甚至更多反饋量（包括超線性和環路反饋）的經典膽機有很多，其所以成為經典，主要得益于其產品的穩定（穩定性得益于負反饋）以及認真負責、精致扎實的做工（看看那些經典在內部細節上的做工，雖然外表平平）。論聲音表現方面，首先我不夠資格，不敢冒天下之大不韙，對其表現指點。本來聲音就是人性化的，每個人的愛好、經歷不同，感受也不同，甚至相差很多。以我個人的聽感，我還是喜歡那些自然表現的聲音，不趾高氣昂，不矯揉造作，自然、松弛的感受。“天意無佗只自然，自然之外更無天”。不知道各位居家會不會這樣：每天緊閉門窗，室溫依靠空調。尤其是近期北方的多雨天氣，可能有一些人家會是這樣。那天在樓梯遇到樓上鄰居，說找人修空調，因為整天開著空調，空調溫度都調到20度了，感覺還是不涼快，有些熱，空調吹出來的風都是霧狀，平均每天耗電22度，還是熱的感覺。我有些納悶，這是怎么回事？您知道這是為什么嗎？我沒有去問樓上鄰居是否處理好了，自己上網搜了一下為什么，首先肯定他家的空調沒有問題，因為有一定的耗電量。制冷效果不好，感覺不涼快的關鍵是，室內空氣濕度大（空調風成霧狀）。應對方法是，空調改除濕模式，最好在晴天兒開窗通風。還記得前幾年隔壁樓上起火，消防車來了兩輛，雖然沒有太大損失，但是樓上樓下的損失還是要賠償的。究其原因就是整天開著空調，主人說空調基本沒關過(不差錢兒！)，因為插座部分接線老化引起著火。這真是因為貧窮限制了我的思維，我開空調只是短時應對，平時注意開窗通風。不好意思扯了這么多現實，我想說：采用深度負反饋得到好指標的膽機，就像整天開空調調整室溫的情況一樣，人為的得到看似好的狀況，拒絕自然，我認為是不正確的。
春有百花秋有月，夏有涼風冬有雪。
平常之心是常道，道法自然身心悅。
老話說，小滿勝萬全。有些看上去完美的，可能暗藏玄機。
蚊蠅逐光亮處飛，頻頻闖到門窗灰，
美好生活都向往，可惜常被眼見累。
我改進的三重超線性（Three-Winding Ultra-Linear）電路見下圖，超線性輸出變壓器（Three-Winding Transformer）由一組屏極繞組、一組第二柵繞組、一組陰極繞組構成。除了變壓器制作上復雜一些，其他都從兼顧指標和聽感上考慮。大家可以看到，推挽電路的結構近似經典的麥景圖275，只是優化了反饋量和屏極比重。中醫認為：相同的配方，搭配不同的劑量，治病效果大有不同。
《三重超線性》電路所用的超線性輸出變壓器，由主繞組也就是屏極回路繞組，和輔助繞組組成。主繞組P1/P2端接輸出管的屏極，G1/G2端接簾柵極，k1/K2端接輸出管的陰極，B1接高壓端B+，B2根據需要接二柵合適的電壓（當然您也可以按照之前習慣與B1接在一起，簡單方便），您就直接按照標記對應接線即可。這樣簾柵繞組獨立于屏極繞組后，首先其供電電壓不受陽極電壓牽連和波動，可以按照手冊規定的電壓值，從簾柵極特性看，B2也可以使用穩壓供電，另外反饋網絡不受屏極電流影響。加之這樣處理更符合“分布式負載（Distributed Load）”設計理念。第三繞組是陰極繞組，用作陰極反饋用，也可以做獨立的環路反饋或者耳機輸出用。
大家看到，推挽輸出的陰極繞組與其他兩個繞組不同，是獨立分開的，一方面用于陰極反饋時，可分別監測上下兩臂電子管的電流。也可以靈活方便的用作他用。另外各繞組為了畫圖方便、簡單，并未按照相位要求畫圖，不整那么神秘、高大上，直接、簡單、明了這也是我的風格。
《三重超線性》輸出變壓器，兩個輔助繞組所占的比例：簾柵組、陰極組，我的設計理念是，使用較小的總反饋量，獲得較為滿意的輸出特性。簾柵極繞組的比例在8-15%左右，假如電子管工作在A類放大，此比值要小一些。如果工作在AB類或者電子管的失真較大，可以適當大一點。陰極反饋繞組基本等于次級8歐姆，這樣陰極只有較小的-2dB左右的反饋，也不擠占輸出變壓器較多空間，讓出更多比重用于主繞組和輸出次級端，以獲得更好的表現。
《三重超線性》輸出變壓器，因為不靠反饋來改善指標，所以自身指標需要過硬，失真、頻寬甚至插入損失等需要很高。當然，不能以這些指標評判輸出牛，關鍵離不開音響的目的是為“聽”眾服務的，而不是儀器。看過tubelab網站的一篇文章說：
Many output transformers (especially the Chinese ones found on Ebay) are specified at 1000 Hz. This is pretty useless for approximating performance with music.
他還說：
If I had only one ruler to measure OPT performance it would be weight.
這些說法雖然有些片面，的確也反應一些現象。好的輸出變壓器不能僅看公布的一些指標，最好是自己實際對比試聽。現在的環境，條件很適合我們，“七天無理由”完全可以知道什么樣的變壓器適合自己。
這里的關鍵是多繞組的輸出變壓器，麥景圖MC275推出年代大約是1961年，其輸出變壓器是多線并繞，雖然是全世界公認的經典膽機，發燒友夢寐以求。但只是輸出牛容易損壞。我本人維修重繞過很多對不同時期的麥景圖輸出牛，就是簡單多線并繞。
這里給大家普及一下變壓器多線并繞的安全性：繞組使用的漆包線，無論國標還是國際標，漆包線標準有溫度和耐壓等級。就簡單說下這里涉及到的耐壓等級：
不同絕緣介質其耐壓強度、耐高溫強度也不同，分別用不同的型號表示。無論是什么型號的漆包線，型號后面有個-1、-2，通常代表幾層漆包線。也就是說，銅線拔絲出來，經過“浸”絕緣漆的遍數，一遍就是1層漆，型號后面-1，2遍就是2層漆，型號后面-2。目前常用的都是-2的型號。上圖是QZ高強度漆包線標準，耐壓從300V-2500V。下面是耐壓要求較高的3層絕緣漆包線：
這是日本古河3漆層漆包線
這是德國Elektrisola公布的IEC標準，常用規格漆包線3層絕緣耐壓4-5000V左右。
下面是英國的漆包線規格
可以看到，3層絕緣的漆包線的確耐壓提高一些，漆皮厚度相應增加，也就是總的漆包線直徑加大。注意：上述耐壓值，我只能說是檢測值或者是理想情況下的絕緣強度，對于繞制工藝中出現的擠壓、摩擦、彎折等“傷害”，漆包線的耐壓值明顯下降，這個在制作中需要引起重視。上面我們看到漆包線因為絕緣介質不同，其耐壓等級也不同。有些材料特性耐壓高，但分布電容大，高頻損耗大，認真來講并不適合做輸出變壓器，比如說輸出變壓器需要用QA型而不要用QZ型。相對而言，漆包線直徑越細耐壓越低，這一點需要特別注意。市面上的部分推動牛，采用很小的EI-58到EI-66鐵芯，很細的常規漆包線雙線并繞1：1的圈數一根線做初級，一根線做次級，我只能說有人敢做有人敢用，燒管子只有自己承擔，尤其是用于電壓高的電路，比如300B推845的推動牛，部分出現紅屏等問題的用戶找到我更換。多線并繞變壓器我也推薦，但用料、做法有別。對了這邊順便說一下，我二十年前直到如今的部分膽機，大部分燈絲連線都是用合適直徑的漆包線絞合連接，這樣可以獲得更好的低噪音效果。大家都知道我本身就是做變壓器，任何規格、型號的漆包線手邊都有，這很方便實用。
這里省略幾張圖，避免不必要的麻煩。。。
我本人多年來為麥景圖275維修輸出變壓器，起初并不像現在這樣方便，市面上并沒有這種高耐壓、高頻特性好的漆包線出售，只是我跟漆包線廠多年的關系，可以加價安排做3層甚至4層絕緣層，但是應該是其他條件不過關，厚漆層線繞制時容易崩裂，3漆層漆包線比較好用。即便如此，繞制時也需要謹慎小心，加上細心應對繞制的每一步。到目前為止，并沒有經我手維修的275輸出牛擊穿返修現象。
根據多年積累的變壓器繞制經驗，目前材料和技術，對于B+電壓在800VDC的膽機電路，完全可以放心使用多線并繞技術。大家知道我做事比較謹慎，沒有確定把握的事情不會亂說。假如是大于800V供電的高壓電路，對應的輸出變壓器需要特殊處理（不要看上面那些耐壓可以達到5000V以上，完全可以用于任何電壓的功率管），比如813、FU-80等功率管，以便更好、更穩定的運行。
不知不覺好像寫的有些多了，先到這里，休息休息。
為方便大家理解和感受這種《三重超線性》（Three-Winding Ultra-Linear Amplifier）效果，我期待有您的參與。一個人的能力是有限的，大家的力量是無窮的。我制作了5對20W《三重超線性》單端、5對60W《三重超線性》推挽輸出牛，如果您有興趣，可聯系我，我本人負責來回快遞、包裝費用，您只需要用我提供的雙頭連接的鱷魚夾，接到您手頭的膽機上試聽即可。如果您能撰寫文章把自己的真實感受寫出來，我另外付給您300元費用~這里不涉及商業行為，只是從實際角度出發，驗證一下這種低反饋量的三重超線性電路的效果。
