長久以來,人們一直在放大器之效率與音色之間徘徊而騎牆不下。B類有B類之優點,省電、產銷價格低、維護易,但是會產生交越失真。道行淺的倒還能安然聞之泰然聽之,道行深的發燒者就不行了,他們甚至可以指出放大器在什麼地方把聲音摻了味素加了水了,追根究底是因為放大器之輸出及偏壓淺,晶體周旋在訊號變換時會產生青黃不接的交越失真──這不能怪B類,哪一部B類放大器沒有交越失真呢?如果交越失真是一項很嚴重的致命傷(嚴重到使音樂支離破碎,不忍卒聽的程度?!),那麼A類放大器在這一方面便顯得出它卓越的優點了。然而A類放大器到底不是三頭六臂,甚至是同一線路,既可以是B類,也可以是A類,差別只在輸出級的偏壓深淺──只要將此偏壓調深到相當程度,即可使放大器從B類走到A類,這樣可使發生在B類的的交越失真或其他令人不悅的失真(不管是生理或心理的)消失殆盡,而臻至善之境──真的如此嗎?當然不!
把偏壓調深,就是使晶體工作電流加大,P=I×V是最基本的電功率公式,在電壓不變之情況下,加大電流即是加大消耗功率。如果消耗功率增大只意味著電費增加,而不併發其他麻煩倒也罷了。一個月一張原版唱片的價格,可以把一部純A類100W×2(靜態消耗不低於500W)的Amp養得腦滿腸肥。而事實上,麻煩事遠大於此,不全是金錢能解決的──一旦將B類Amp改成A類,整部放大器的架構將會像一只吹氣的汽球突然變得極其龐大(所以像Mark Levinson那一部20W單聲道的A類Amp居然比200W×2之G.A.S Ampzilla 還大並不足奇),耗費大量金錢不說,最令人擔心還是系統的熱耗處理──發熱原本不是物質之自然狀態,晶體尤其怕熱,發燒久了難免要出毛病──A類特色好則好矣,但作者聆聽時,總不會忘記繃緊著神經(可能我天生是個神經線特別發達的人)去注意Amp會不會突然中到崩殂或者透體通涼,斷了一根保險絲便如臨大敵,這種滋味比起我放心的使用笙隆SD-200整年不關也心安理得要難過得太多──作者自養不豐,但是如果A類沒有熱的難題而僅僅要付出較多的電費,作者願意向發燒友前輩看齊,長年使用A類,並也自信養得起一部100W×2的Amp,也照樣讓它夜夜笙歌,終年不輟。
我在浮壓A類的試作報告中,以提過A類工作之特性要求是:永不截止,就是不管輸入信號大小正負,晶體管永遠在導通的情況下工作。只要可以讓晶體在與本身工作極性相反之另一半週信號中也不截止,便已符合A類要求,不一定非要像傳統式的作法,在靜態中時讓它發出嚇人的熱量不可。如果能有一部放大器,以稍多於一般B類之消耗功率,而在全訊號強度內具有如同A類之工作特性,這無疑是產製者與使用者心目中之上選──秉持這種理念所生產出來的,就是近兩年來上市的新型A類放大器,它的名稱隨不同廠家而異。
我在「浮」文內亦曾提過,要降低熱消耗,就是降低V×I之值,在不脫離A類本色之情形下,不論降低V或I,或者V與I同時降低(但似乎尚未有這樣的產品),都可以使VI值下降而減少熱消耗。以降低供電壓來作為減少熱消耗的手段的只有Technics之SE-A1與AGI廠(至今未見產品上市)。SE-A1則因曲高和寡,兼之定價過昂而遭封殺,命運不如YAMAHA之B1遠甚。SE-A1之主要理論便是浮壓理論,作者在「浮」文內已有詳細介紹,在此不擬再重覆。至於此靜態時供應低偏壓低偏流,而靠加入一組特殊設計之可變偏壓網路,便於輸出晶體能隨定訊號變化而改變偏壓之設計理念的廠商,較著名的有JVC與PIONEER,而ONKYO、YAMAHA也許也屬於這一種Technics的M2則又是另一種迥然不同的設計。
前已言及,傳統之A、AB、B類放大器其主要差別在輸出級之靜態電流──即供給之偏壓值不相同,驅動級以前之設計,由於消耗原本不大,不論是AB或A類Amp,此處之要求大抵相同。三種Amp之偏壓雖然深淺不同,但其為恆壓──不論輸出擺幅為何,所供給之偏壓為恆定──則完全相同。因為是恆定,所以輸出級之上下側晶體之偏壓總和在任何情形下都不會改變──靜態時無輸出電流,上下兩側所分到之偏壓相等,流過上下晶體之靜態電流也相同,訊號來臨時,必有一側導流較多以便對外輸出電流,因而削減了一側,所以兩側出現的偏壓值便不相同了(但其總和不變)。在極端情形下,即輸出甚大時,導通的一側佔用或超越了全段偏壓,使另一側晶體因而截止或處於反偏的情況。
以圖一為例(取自本刊59期81頁),在無輸出時,中點電壓為0,各點電壓如圖中無括弧者之註記值,輸出為正時,各點電壓即如括弧內之值,我們可見到,Q2之射極電位竟比基極低了0.4V,亦即Q2之B-E接和面受到0.4V之反偏,晶體當然早已截止。如何才能令Q2不截止呢?我們知道一般晶體之VBE大約0.6V,故當輸出為正30伏時,Q2之B極只要是29.4V,即可使Q2保持在靜態時微導的情況。圖一中之Q2B=30.4V,較不截止之要求值高1V(不正是被Q1之射極電阻在導電時分掉了嗎?),只要把偏壓加深1V或者更深,Q2之基極電位即能下降到使Q2不截止之程度。
使Q2能在輸出正半週時保持靜態時之原狀況(即使微導亦可),俾負半週到臨時Q2能馬上投入工作,而毋需一如傳統B類,Q2必須從反偏到零偏壓截止到正常偏壓導通的這一段延遲。傳統A類之工作特色很好,但是代價太大了。如果新的構想可以得到同樣效果,為何不採用呢?
最早將新型A類之構想付之商品化生產的,可能是美國Threshold公司。Threshold是近年來才崛起之一家頗負盛名之廠商,產品之等級比擬於Mark Levinson。它會使用什麼樣的網路呢?作者幾年前在香港電聲界第6期中找到如圖二之線路,Q1 Q2 R1 R2 R3構成傳統的固定偏壓網路,讀者毋須驚訝於何以與習見之網路不同,使用如圖二網路的產品並非沒有,也不是這個網路比一般傳統的單晶體網路好,然者為了達雙向可變偏壓之目的,使用互補晶體對構成網路是有必要的。
除了這五個零件外,在Q1 Q2之B極到輸出點間又串接了Vx Vy D1 D2,作為可變偏壓之附加零件。這個網路簡單到叫人吃驚的地步,但是原文對此網路之動作原理之說明語焉不詳,對Vx Vy之構成也無交待,殊為可惜。事實上,要了解這個網路之動作原理卻也不難,我們先去掉Vx Vy這兩個所謂的恆壓源(作者懷疑Vx Vy可能只是障眼法,Vx即是D1,Vy即是D2,因為D1 D2在順向導通時便有恆壓作用)。不管用不用D1 D2,只要切除輸出點與D1 D2中點之連線,這網路便只有固定偏壓之作用。回復到圖二情況,無訊時,Q1 Q2之B極電位應為±0.6V,調整R2使Q3~Q6導通,則總偏壓約為2.4V(±1.2V),即VAX=VYB=0.6V,VXY=1.2V。訊號來臨時,正半週的情況使圖二中之各點電位整個上揚,輸出電流從政電源經Q4、RE1流入負載,而在RE1上造成可觀之壓降,使得Q3基極到輸出點間之電壓較靜態時之1.2V為大。假設VRE1=0.6V,Q3 Q4之⊿VBE=0V(實際上晶體之VBE會隨導通電流之變化而有0~0.2V左右的變化幅度),則此時VAo=1.8V,如果是固定偏壓的話,各點電壓應如圖二中單括弧內數字之值,VoB將只剩0.6V而使Q5 Q6截止。連接起0點與Z點後,由於D1作用,將使X點之電位只能比0點高0.6V左右,即被迫從預計之11.2V下降到10.6V,使Vxo保持與靜態時相同之值。X點下降了Y點、B點也都下降了,使Voy、VoB之值都保持靜態時之值。以上分析是最間單情況,綜合來說,由於D1 D2之作用,可以使得訊號正半週輸出時,Q3 Q4 RE1間所增加之電壓降完全反映到R1上,不及於其他,使得X點以下電為下降到令Q5 Q6不截止程度,負半週的電壓變化則反映到R3上,使Y點以上之電位上升到使Q3 Q4仍導通之程度。
從以上之敘述,可以了解,即使Vx=Vx=0,本網路仍然可以動作,所以作者才懷疑Vx Vy之存在,因為D1 D2本身已具有兩種功能,順向時有恆壓作用,可限制相關點之電位變動,逆向時則具有保護,防止電流倒灌──不過,這只是作者之想法而已。
與Threshold持相同理念──使用一組可變偏壓網路──在日本廠家至少有JVC與PIONEER,ONKYO與YAMAHA的內容作者至今未見過,不敢妄測。Threshold之網路果真這樣簡單的話,作者以為,直接在PC板上動手改裝應是一件輕而易舉之事。
要把所知道之各廠家(JVC、PIONEER、Technics)之偏壓網路一一提出來說明,將要浪費很多篇幅,並且也失之無趣,讀者可自行研究59期,有關新A類的那篇論述,文中對此三家之偏壓網路都有一番基本上之介紹,雖然不是極詳盡,然則一旦你明白Threshold之理論,設法把他們套入一個傳統線路中尋求解釋,對一個略有基礎者卻也不難。因之,作者只打算就最感興趣之JVC網路提出介紹。
作者對JVC super A之興趣,並非因為它用的零件最多(上下共11只電晶體,比傳統的足足多了10只),而是它設計之合理與精確,特別是如果我們能將它做成獨立單元,對傳統的固定式偏壓網路進行改裝,其容易之程度尤甚於Threshold。
如圖三,是JVC super A網路,除了Q1以外,Q2~Q11呈對稱性設計,我們來看看這個網路所以能工作之原理。我們將圖三分虛線劃分成三部分。A部分用來感應輸出級之電壓變化,並將此電壓變成電流,B部份將接收部分之電流變化,交連到C部分產生相同之電壓變化。針對動態輸出之情況,我們從A部分看起,由Q6之射極起經Q6至Q10之基極止,相當於三個VBE值,或者是三個二極體,剛好對應輸出級Q12 Q14 Q16的三級VBE;同理Q7 Q9 Q11則對應Q13 Q15 Q17。由於Q10 Q11之B極在連接後是連到輸出點Ⓒ的,所以Q12 Q14 Q16及RE1在正半週輸出時,由於導流增加而致從Q12基極Ⓐ到輸出端Ⓒ間之總電壓降的變化⊿V將完全反映到從Q6 R5 Q8 Q10這一串聯電路上,輸出越大,RE1上之壓降越大,R5上之壓降也越多(粗略地說,VRE1≑VR5)──R5之阻值將影響流過它上面之電流,這個電流約為⊿V/R5,是由Ⓐ點(Ⓐ點上端通常是第二電壓放大級之集極或恆流源)供給,由Q6流下來。Q6與Q8都是等效二極體之接法,原本可用二極體代替,但由於二極體之順向特性並不完全與晶體之VBE相同,以晶體接成二極體來做為Q12~Q16之補償將較二極體為優。況且Q6與Q4構成電流鏡,Q6使用二極體的話,將有可能因特性上之差異,而使流過Q6之電流IQ6不全然等於IQ4,是則失去了電流鏡匹配之功能。當Q4取得與A網路內相同之電流變化後,即將此電流送入C網路之R1。靜態時,R1應以有部分電流流通而有部分壓降,來自Q4之IQ4流入R1後,會使Q2之VBC加大,也就是加大了Q2之VCE,相當於加深了偏壓。R1該用多少值呢,從前面我們提過的Threshold理論中可以得知,只要Q2之VCE能完全反映Q12~Q16及RE1上之電壓變化,亦即輸出晶體有若干電壓變動值,偏壓網路也跟著增加相同之變動值,則Q2以下之各點電位將被迫下降到使Q13 Q15 Q17仍保持靜態時導通之情況,因此R1上之電壓變化V⊿R1英等於⊿V,由於R1上之電流變化值為IQ4,而IQ4=IQ6,且IQ6=⊿V/R5,∴⊿VR1=IQ4×R1=IQ6×R1=⊿V=IQ6×R5,亦即R1=R5。只要R1取的與R5同阻值,則由A網路感應到電壓變化⊿V,將完全由C網路產生之補償電壓彌補過來,而使Q13 Q15 Q17不致因偏壓網路之電位上升而告截止,上側如此,下側亦然(未說明部分,請參閱本刊59期該文,或試著自行分析)。
一定有人會認為,Q4~Q7這四組晶體射極為何沒有電阻。不管見過沒見過原廠線路,正常使用的情況下,Q4~Q7之射極的確應加上四支同值電阻。加上電阻後,變成與我們習見的相同,如圖四。事實上,加不加,Q4 Q6間都會有電流交連,但Q4 Q6兩者間之VBE差異,將會影響到交連的精確度,我們希望IQ4=IQ6,自然希望Q4 Q6之特性完全相同,這樣即使沒有射極電阻,也會有令人相當程度滿意之效果;而實際上,我們不得不承認,即使同型晶體,任二只晶體之VBE特性也難能完全相同,與其花費時間去緣木求魚,莫如以外在條件來提高精確度。如果Q4 Q6之VBE特性有±0.01V之誤差,當Rx=0時,這0.01V可能使IQ4與IQ6產生相當可觀之差異,加上Rx後,流過Rx上之電流將在Rx產生壓降,這個壓降之值與Q4 Q6之⊿VBE相比較,將把⊿VBE比了下去,即是使⊿VBE在兩晶體間之差異減少──雖然晶體間之差異或者不如作者所誇大的一般,但適切地加上Rx,顯然是有只好不壞的效果的。不過加了Rx後,IQ6將降為⊿V/R+Rx,所以R1也應提高到R5+Rx之值才能完全補償⊿V。
請你再看圖五,深色的部分便是JVC真正的Super A網路。除了ONKYO、YAMAHA至今仍諱莫如深以外,作者能接觸到新A類偏壓網路多已揭曉,惟獨JVC之super A還令作者一直在猜測中(事實上,要分析它們的動作原理卻是不難),不管分析多麼正確,都只是一廂情願式的紙上作業,難以令人信服,以致作者遲遲沒有動手。四月上旬,舍弟在台北買到一本過期好久的電聲界23期,內有super A的真正網路,對照之下,作者忍不住大喜過望──一切正如預料。
請你對照圖三與圖五,你馬上見得到他們的主要差異所在,是圖三中之Q8用PNP而圖五用NPN,由於Q8等效於一支二極體,這二種接法可說並無差異,比較上,作者却寧用PNP,這一來上下側的晶體型類變得涇渭有別,上側全部是PNP,下側清一色的NPN,減少用錯的顧慮。在圖三圖四中,預測R1=R5+Rx,在圖五中,則1K≑910+56,R1略大於R5+Rx,換句話說,這樣預定要加深的偏壓較實際⊿V的又略大了一些些,這當然有可能是考慮了Q4與Q6之誤差(或者包含了Q8 Q10)而作的修正設計也不一定。至於為什麼R5與Rx阻值之分配懸殊,讀者不妨試著想想。
由於Super A設計得極為合理,與傳統固定式偏壓網路比較,只多了一個接點,就是輸出點,只要找得到PC板上偏壓網路之位置與輸出點,幾分鐘內便可改裝完畢。JVC將Super A製成一只獨立模體單獨出售(如果在本省出售,恐怕高達1500元以上,不算便宜)──憑著Super A掙得的評價,這樣的改裝是值得的。Super A如同其他新A類設計的優點一樣,耗電不多,裝上Super A後,對電源負荷之影響,幾乎為0。
不過使用Super A網路,也並非是漫無限制,JVC建議使用Super A時,輸出級應為如圖六之全對稱的三級達靈頓設計。全對稱問題容易,國內廠商出售之套件,輸出級大部分是全對稱設計,三級達靈頓設計也很容易解決,如果你的放大器只有兩級達靈頓,則只要將圖三中之Q8 Q9短路──即去掉了一級VBE──即可。8 Q9原本用於補償,少於一級達靈頓,去掉Q8 Q9是理所當然的。
最重要的一點,因為整個Super A網路之電流取自第二電壓級,故靜態時,第二電壓級必須有不低於8mA之靜態電流,低於這個數字,可能影響效果,改裝時應注意到這一點。
完成了Super A網路後,可將之固定在機箱內適當之空白處,除去原放大器PC板上之偏壓網路,再從Super A PC板上各相關點引線到原放大器上。Super A對外有六個接點,三個點與放大器連接,另三點為熱耦合晶體Q1使用,只要將原鎖在散熱片上之熱耦晶體用市當長度之花色線接到本PC板上即可。
這個網路原理是自己分析的,可是內容卻是抄的,原來的Super A有多少效果,我們自製的也應該有多少效果,所以作者不必贅言替JVC吹噓,國外對Super A之評價,多少是可信賴的。
如同上次一樣,作者再一次採用網板印刷,每四單元(兩部Amp用)放在一片10×13cm之PC板上。這一次的印製,使用較大版面和較細目之網板,刮印是一次完成,所以沒有前次因雙向刮印所產生之缺點。同時抗氧化膜也改用刮刀塗敷,效果較好。
除了Super A之PC板外,作者進一步打算將W. Marshall Leach設計之超低TIM(就是樂音堂銷售之機種)也加入Super A網路,重印完整的PC板,每聲道一片,預計五月初才能完成定稿,PC板的大小與前述的大略相同(或略大一些)。這兩種PC板,作者仍願提供服務,你若需要,不鑽孔的(不提供鑽孔板,因為作者忙不來,並且用鑽床趕工出來的鑽孔不如你手鑽的好看)Super A每片50元,Low TIM每片90元,不論數量,請你另附加14元掛號郵資,寄316551帳號黃世昌收,期間仍以不超過月底為限。
轉載音響技術第78期JUNE. 1982 做一片Super A偏壓電路/黃 氏
留言列表
