記得筆者在音技第30期上發表第一篇關於MC唱頭放大器的文章時,就已意識到MC唱頭將成為Hi-Fi愛好者心目中唱頭的主流,時至今日這個趨勢已很明顯。MC唱頭的特性之所以勝過MM式唱頭,是其構造使然,而這樣的構造卻使它在硬體設計上較MM型麻煩多──那就是必須把撿拾到的電壓先予提昇才能進行RIAA放大,聲押的方法不外適用無源的變壓器或用有源電路予以放大。採用昇壓變壓器,在原理上它只是做阻抗匹配的工作而已,因此昇壓器初次級的阻抗大小就很費斟酌,尤其在初級圈這邊的阻抗,由於MC唱頭的廠牌型式繁多,阻抗各有不同,因而變壓器對唱頭的適用範圍就變得很小,可以說目前上市的昇壓器幾乎都指定適用於某些廠牌或某些機型而已,況且變壓器本身在低、高頻段的物理特性之限制,漸漸的不被音響愛好者所接受,只有走向有源放大器一途了。目前市售的前置放大器中幾乎都有MC放大級,不管其性能如何,音響製造廠商已經把它認定是一部完整前置放大器的一部份了。筆者在三年前即不斷的搜集MC放大器之線路,參考各式各樣的設計實例,光是這麼一個低雜音的10倍放大器,竟也有用到三數十個電晶體,而且都是「超低雜音配對電晶體」(換句話說價錢不貲!)。總之,在眾多的線路之中筆者的感想是:簡單的性能不佳,性能佳的不簡單,縱然此其中優良設計的實例不少,但都失之過繁,不適合業餘者裝製,業餘者的原則是:用最簡潔的線路架構,做成最高品質的效果(這同時也意味著裝製完成後的調整工作極簡單,及所費不會太高)。筆者在去年得到了5534這個超低雜音Op Amp.的資料之後,隨即也在其應用中找到了一個符合業餘製作原則的MC放大電路,並早在59期的「電路精粹」中推介給讀者,其線路中所用的IC都是很特殊的,所以遲遲不敢製作。但最近我們受到許多讀者的要求,希望能推介一個適合一般人製作的高品質MC唱頭放大器,筆者心想,5534這個IC經本刊在64期詳細介紹之後,想必很多讀者對它的性能已深具信心(很多讀者也已領受了5534的益處),在這個時候把該線路實用化應該是「此其時也!」,所以想盡辦法從國外引進這些IC零件,把原型機做出來,並且計劃在九月下旬即可供應套件,十月份進而供應成品,以增廣服務層面。
電路概述
電路見於圖一,基本上它是一個Op Amp.前一級差動輸入的型式,這種方式可藉著加入的差動級來改善Op Amp.本身的特性,諸如:提升輸入阻抗(用FET差動)、減少漂移、降低雜音等等。本電路的輸入差動級主在消減雜音,但對平衡整個電路和提高輸入阻抗也都有相當的功能,因為A1是一對近乎理想的電晶體。
A1在線路圖中所見,與一般NPN型雙電晶體無異,實則不然,這個電晶體對是以IC製造技術製成的,實際上它每邊的NPN電晶體都是由近百個單電晶體組成(類似日本的RET電晶體),引用精密的IC技術使得這兩個電晶體幾乎完全一樣,底下我們來摘錄一段原廠資料手冊對這個元件的描述:LM394是以接合面隔離法(Junction Isolated,半導體製造技術用詞之一)製程的超配對(Ultra Wellmatched)單晶片電晶體對,與普通的雙電晶體相較,在匹配的程度上有極大幅度的改進。這兩個電晶體的電氣特性譬如:漂移、雜音、Ic與VBE的指數關係都非常接近理想電晶體的要求,內部的射極和基極電阻都比現有的任何IC式或分立式的電晶體對還低得多,在使用的工作電壓不大於40V時特性表所列之參數值保證不變,以確保其各種用途下的優越動作性能。為了保證長時間動的穩定性起見,在每個電晶體的BE間都加上了嵌位二極體,以防因過大的反向偏流所造成的性能低落現象,這也是通常雙電晶體最易發生匹配不良的起因。因嵌位二極體本身所寄生出的隔離接合面亦將IC晶片的底層(Substrate)嵌位在最負的射極電位上,已達到兩晶體間的完全隔離效應。在絕大多數的應用實例中,通常作為平衡的微調是完全不需要的,既可增加電路的可靠性(因為多一個元件也多一個故障機會),也降低成本。即使在配對與否並非很重要的電路中,其超低雜音和很高的hFE也非常吸引設計工程師的注意和讚賞。它的幾項主要特性列於下:
●VBE匹配在±50μV以內
●Off-set電壓漂移量0.1μV/℃
●電流增益(hFE)匹配在2%以內
●共態排斥率大於120dB
●超低雜音特性
●具有優越的指數特性
●可直接替換現有的各種電晶體對
●輸入換算雜音1.8nV √Hz(100Hz~10KHz)
除了LM394之外,電路中尚採用了兩個特殊的元件以保持LM394能正確的動作,一個是恆壓源IC LM329,相當於一只Zener二極體,但內部是IC電路構成的穩壓器,其Zener電壓是6.9V,它與一般恆壓裝置不同的地方是其溫度漂移甚小,其內阻亦低只有0.6Ω,且不隨工作電流而變,另外一個重要的因素是低雜音(一般Zener二極體工作在P-N接面的崩潰區,其電流雜音很大),這是本電路之所以使用該元件之原因,它的主要特性如下:
●工作電流範圍0.6mA~15mA
●動態內阻0.6Ω(上項電流範圍內)
●溫度係數50ppm/℃(標準值)
●寬頻帶內雜音電平7μV
●內部定電壓誤差5%
●長時間動作穩定性0.002%
另一個元件是恆流源IC LM334,這個元件被用得最多的是當作溫度檢知裝置(Thermal Sensor),在本電路中利用一只電阻將它偏置在一定的電流下工作,供給LM394的差動級一個恆流源。它的特性也相當不錯:
●工作電壓範圍1~40V
●電流穩定率0.02%/V
●可利用外加電阻使工作在1μA~10mA的恆流
●內部恆流值誤差±3%
●低雜音特性
線路詳析
本電路之要求,除了對音頻段內的頻率能平坦的放大某個倍數之外,最重要的是雜音特性了,因此零件值的設定可以說是以此為出發點逐一設定出來的。5534的雜音特性,根據手冊所載,在訊源阻抗為1KΩ左右時為最佳,而LM394中每個Tr的Ic在3mA左右時最佳,如欲A1的集極靜態電壓為電源之半(以便正負半週皆能獲得最大擺幅)則A1這級的電源電壓該是2×(1K×3mA)=6V,但是恆壓源IC中,最容易找而且性能夠水準的就是LM329的6.9V了,因此A1的集極電阻為1K時,實際的Ic需要6.9/2/1K≑3.45mA。LM334的電流設定法在25℃時是I=67.7mV/R4,現在I=2Ic=6.9mA,則R4=9.8Ω≑10Ω。為了保證低雜音的特性,這些電阻都必須採用金屬皮膜型。
全電路的增益決定於R2 R3的比值,由於R3的大小應該與MC唱頭的直流阻抗相近,所以用到3.32Ω之低,R2 R3之比不但決定了電路增益,其兩者之和還決定了A2的負載,為了避免A2輸出太多電流而造成失真,R2值選為332Ω,換句話說全電路增益高達40dB之巨,還好輸入差動級仍有足夠的動態空間來應付,但後接的RIAA電路之Gain就必須小些,最好是30dB左右為佳。本電路在接用高輸出型MC唱頭時,應把R3增大至相應於唱頭線圈阻抗之值(高輸出即意味著圈數多),R2不必再調整,Gain自然會小些。後接的RIAA電路要是使用66期裡的5534被動型RIAA放大器,調整成30dB的Gain(於1KHz時)也是非常容易的事。R1的大小應與唱頭的推薦阻抗相當。
由於LM394和5534都是高增益寬頻帶的放大元件,使用在音頻電路中時,過寬的頻帶並沒有實際的好處,因此在電路中對於極高頻率干擾訊號的抑制是有必要的,輸入端的FB可以對外來設頻干擾大量衰減,另有C1 C2 接於A2的兩輸入端,使5534的高頻響應降低些,但不影響放大音樂訊號時所需之頻寬。至於C3 C4的使用,可視所供應的±15V電源性能而定,若使用本刊65期上所介紹的電源,則C3 C4值即照圖上所示,如果電源是採用三端穩壓IC者,最好在C3 C4在併聯0.1μPP值塑料電容,以防止高頻時的高阻抗現象,如果電源電路處理不當,很可能會使本放大器之低雜音特性大打折扣。輸出端上面的電阻R8做為緩衝用,以免輸出端意外短路而燒毀A2。C5 R9的加入是為免輸出端存在的直流交連至下級電路,筆者倒是認為利用Off-set調整電路把輸出端電壓調至零伏,而免用C5 R9,因為C5之容量不宜太小,而大容量的電容器又不容易找到好品質之故。調整Off-set電壓之時,應使電路之輸入端接上與欲使用唱頭之直流阻抗值相當的電阻值,如此在接入真正唱頭時才不會在出現漂移。
製作
PC板的圖樣及零件配位分示於圖二、三,PC板仍和上回的RIAA電路一樣採雙面設計,一面為低阻抗地迴路,服務部供應的PC板將是雙面鍍金的,使得在低電平時有更少的雜音。C5 R9在PC板上仍留有空位,如果覺得調整Off-set電壓太麻煩,可在C5上並聯一只1~5μ無極性電容(PP質或MP質),以補償鉭質電容在高頻段的不足。
本電路直接與66期5534 RIAA放大器相接時應注意:
(1)RIAA中的Rin,Cx都可以不接。
(2)R4的值為649Ω時,RIAA級之增益就大約是30dB。
(3)如果本電路之輸出不經交連電容,則後接的RIAA級之Off-set應重新再測定,以確保沒有直接從RIAA輸出。
電源部分若與RIAA共用(65期的電源電路),為確保電源板能供應出足夠的電流,未穩直流應比穩壓輸出高6V以上。稍稍降低R1之值(指電源板上)亦可使電流增加些。
完成之測試與試聽
完成後PC板之實體如照片所示,測試和試聽時是與RIAA同裝於SF-2002小機箱中,本電路之輸出直接與RIAA相接,不經任何切換開關,因為RIAA輸入線是用插座進去,當換用MM唱頭時只需更換輸入插頭,也不是什麼麻煩事。
實測的最大容許輸入為100mV(圖四為Clipping前的輸出波幅),這個數值相信任何MC唱頭都能配用,甚至高輸出型的也絕無問題。方波響應情形分別以20Hz、1KHz、10KHz為訊源,輸出波形示於圖五,注意其波幅已大大超過所需的大小(通常方波波幅愈大,上升時間會愈長)。
輸出的雜音大小比示波器垂直軸最高靈敏度檔本身的雜音還小,因此無法用示波器度量,用實際聆聽測試,嘶聲幾乎聽不出來(除非耳朵貼在喇叭之前)。失真率和S/N比的測試結果不準備發表出來,只留作本刊之參考,因為這兩個數字給人的印象非常空洞而不切實際(長久以來音響商的數字遊戲所種下的禍根),倒不如留著給讀者自己去聆聽和評斷,相信絕不亞於萬元級的市售MC Head放大器。
結語
在以5534為主放大元件的整個高品質前置放大器之設計和製作過程中,筆者發現它的確稱得上是一流的Op Amp.,尤其在低電瓶、寬頻帶的放大工作更能發揮它的專長,其強大的電流輸出能力配合之下設計成的穩壓電路,真正是所謂低內阻、高速度的穩壓源,即使是模件化(Moduler)的穩壓元件也難以之匹敵,而這些絕佳的特性卻僅以簡單的電路即可構成,業餘者可以毫不費力的把它設計成各種應用電路,好的元件要懂得運用才能把它的優點盡情的發揮出來。
本次製作所用的IC,服務部將在9月下旬供應(5534目前仍繼續供應)供應的方式銅錢,級全套包括:鍍金PC板、電路內所有IC、PC板上之Molex插頭、插座及磁珠,售價大約是NT$1.500元,如果代購全部RC零件則再加100元(100μ的鉭質電容相當貴),請注意本刊十月號之服務部專欄。
5534推動的後級原擬設計A類30W,但一般反應的意見不佳,計劃改為75W左右的AB類放大器,使用RET為功率元件,將在十月號與各位見面,敬請期待!
轉載音響技術第69期SEP. 1981 低雜音MC唱頭放大器製作/莊 仲
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