粗線！粗線！
初學者裝音響,碰到哼聲時,通常露出兩招,第一招是加大電容量,一千、二千、甚至五千、一萬。幸好現在的電解電容動不動都算千的,像以前買個40+40μF已心痛得不得了的時代,哪敢想像有5.000μF的電容可用呀!第二招是用粗線,一把不夠兩把,由這裡橫一條粗線不夠,在那裡再豎一把粗線,恨不得使用大電纜。有效當然會有效一點,像XX油治感冒一樣,至少把發燒壓一壓,感冒卻仍然是感冒。
關於電容的問題,前面我們已說過,主要是位置問題,當加則加,一針可以見效。至於用線的問題,於此就要討論。為當你要走進這個迷宮的時候,萬請你把「電源」與「訊號」一定要分開,兩者若攪渾了,則永遠只得進去不能出來。
直到現在為止,我們所一直討論哼聲,都是假設直接來自電源迴路的,所以我們且把訊號拋開,想都不必去想它。
下面這個圖,是假想的圖,我們假想同一電源,供給一大串的放大單元使用,一級傳過一級的。如果沒有訊號輸入,所有放大器都可看作是電源的靜負載,與電阻負載並無兩樣,所以我們可以把圖改成如B圖一樣。
所有電流是依據一般擴大機系統的最大可能予以假設的。而地迴路電阻則超越可能值甚多(一條長三十公分的線,電阻總計有3歐姆,簡直不得了)。現在,我們據以求出每一地迴路電阻的壓降分別為0.01V 0.02V及0.03V,總和壓降則為0.06V。此0.06V所顯示的意義是什麼?
①如果我們以A點為零,那麼在B點上的電壓是+0.06V加上0.06/50的電源紋波量。
②如果我們以B點為零位點,那麼A點上的電壓將是-0.06V加上0.06/50的紋波。
這兩種意義可能不可能造成使人困擾的哼聲呢?依據前面的論述(哼聲的大小依輸入輸出設定之零位的電位差而定,一端在零,一端在½Vcc時,則哼聲為紋波之½,反之亦然),兩者壓差僅0.06V而已,假如電源紋波率為1%的話,那麼本機之總哼聲不過0.06/50×1%=12μV,12μV的哼聲在效率為90dB/1W的喇叭,是-17dB的音量,貼著喇叭恐怕都是聽不到呢?
但哼聲怎麼來的?
既然地迴路有如此大的電阻,還不會引起哼聲,那麼哼聲由何而來呢?如果你想獲得哼聲,方法絕對簡單而有效,就是在A與B兩點間搭上一條粗線,哼聲立即大作。
此又何故,只因為造成「環路」效應也。同樣的情形,假如你把這個擴大機的線路,裝入機箱的時候,在A點對機箱落地,在B點也對機箱落地,那麼便無異於怕哼聲太小,不像機器,故意加一點哼聲一樣。
相位是更嚴重的問題
以上我們的舉例是僅就電源迴路的考慮,這種假設,是以輸出與輸入為同相為先決條件的。於此,不妨再回憶一下前面所舉的OTL或OCL電路的例子,它主要敘述的就是輸入與輸出若為同相,那麼當它們所處的基準電位(為零或為½Vcc)為一樣時,因電源迴路而因起的哼聲,將會互相對消。而這種道理同樣適合於多級同相輸入輸出為交連的情況,一如上述。
然而,你必然會想到,線路設計很難有可能出現如此理想的情況。
既然討論相位的問題,我們不得不又回到基本的放大器單元,做更單純的瞭解:
下圖是一常見的單晶體放大電路,電晶體的偏流由Rb1而來,而Rb1的電流則由Rb2及Ib所分流,再者分流的比例為多少,並不重要。重要的是基極的電壓接近於電位點上的0.6V,如果所加之Vcc為30V,則基極上所感受到的紋波率為電源紋波的0.6/30。這是在輸入為開路的情況。假如輸入被短路(對零位點)或者訊源內阻低於R2很多(十分之一以下),更可視基極之紋波極接近或等於零(位點)。
依據典型的電晶體特性是:當基流不變時,集流也不變,換句話說,當輸入(交流)被短路時,基極交流成分為零(位點),而集流則完全被固定於某一階層(例如1mA),然而由於這種固定,是屬於電流性的固定,而其電壓則取決於Rc,因為Ic=IRc,Rc為一定值,則Rc之壓降亦為定值,所以來自+Vcc紋波將全數出現在輸出端。是故類似這樣的電路,我們不必嚐試任何技巧性的解決,除非完全隔絕來自+Vcc紋波,但那並不是我們所要討論的事情(電源既無紋波,根本就不必談了)。
為了改善單元放大器對哼聲的抑制能力,通常均做如下的安排:
以上電路之所以能夠對電源紋波產生抑制能力,其動作情況如下:
①對Q1而言,因有訊源甚低內阻接地,故不管其偏壓形式為何,集極均有紋波出現,此紋波乃係電流性的紋波。
②當一電流性的紋波,被送進Q2之基極之後,即與Q2集極原本應產生的哼聲(當Q2基極交流為零時)互相對消。
是故其輸出可藉兩個Rc值技巧性的安排,達成最大的抗電源紋波哼聲的能力。
放大器的串接
所有的擴大機系統,由唱頭到喇叭,必然都由許多放大「級」所組成,之所以需要很多級主要有兩個理由:
①一級放大器不能獲得足夠的增益,所以需要很多級,逐級將訊號放大。
②在級與級間可以插入必要的控制系統或網路,則每一放大級一方面有緩衝的功能,另一方面可補償控制器或網路的介入損失。
以下,我們且看當放大級互相串接時,可能產生的哼聲問題。首先看單晶體放大器串接的情況:
設有兩個單晶體放大器互為串接,在聲頻放大器(尤其是Hi-Fi放大器)裡,為了得到極寬的頻率響應,通常需使前一級的輸出阻抗低於次一級的十分之一以下,換句話說,要使它們儘可能地成為「電壓性」的交連。
在前一節裡,我們曾說明,典型的單晶體放大電路本身並無抗哼聲的能力,是以,對A1而言,輸出是含有大量(接近於電源紋波量)哼聲的。對A2而言,情形亦然。
現在我們把A1的輸出交連到A2的輸入,一種極為可怕的現象就又發生了:由於A1的輸入對A2是電壓性的交連,所以由A1輸出的哼聲將全數送給A2,並經A2放大後,以數十百倍之哼聲量出現在A2的輸出端,此時,雖然A2本身也產生了與A1約為等值的哼聲,其相位與來自A1而出現於A2者相位正好相反,其量則僅為來自A1的數十百分之一(來自A1的哼聲已被放大),所以哼聲會嚴重到你根本無法相信的程度。
然而,這個電路雖有如是嚴重的缺陷,而在實際的運用上,卻不能完全避而不用,這時我們怎麼辦呢?唯一的辦法,就是設法降低供給A1的電源的紋波率──做一次平滑濾波(如圖)。
此時由C×R所組成的T型平滑濾波,必須使得供給到A1的電源紋波低於供給到A2的電源紋波的A2放大倍數分之一以下,舉例而言,A2的放大倍數若為十倍的話,那麼供給到A1的電源紋波的十分之一。當然,此時你必須特別注意,這種設定,乃是以系統匹配角度來看的,也就是說,這樣處理之後,可以得到本系統應有的最大哼聲抑制率,而不是只這樣做就沒有哼聲了。
何處「接地」？
談到此處,我們必須鍥而不捨地更深入地探討有關落地點不同,可能引起的哼聲問題,當然,此處所謂的落地,乃指零件各點應於何處匯入「共地迴路」而言,而且也僅限於對產生哼聲的影響。
由前圖,我們可以在圖中找出五個必須且有效(相對於基極偏壓之分壓電阻僅為源阻之十分之一以上,故視之為無效)的落地點,在前面的討論中,我們一直是以「落地了,就等於零」為假設的可是實際上除非我們把這五個應落地的點,通通集中在一點上焊起來(一點落地?)否則,點與點間必然存在著配線或銅箔的微量電阻。換句話說它們並不是真正被接在同一點上的。現在,我們就想分辨一下究竟接在一點,和不接在一點會有些什麼不同的反應。而分辨的方法是刻意把介入電阻加大到容易觀察或運算的程度,這樣才能明顯地顯示出其差異。
先看全部接在一點的情況如何?由於每一零件必須佔用相當的佈線面積,真正把每一零件的接腳都焊在同一點上是不可能的,可能的情況是把每一需要落地的零件接腳,都以引線或線路板的銅箔引出然後會急於一點,這樣一來,每一零件到共地點間,均可能介入微量電阻,設這些電阻全部都大到1歐姆,改繪成如下圖的形式,此時各個電阻對電路的影響是:
R1:成為RL的串聯電阻,只是加大負載阻抗而已,對哼聲不影響。
R2:成為A2的射極電阻,可能使A2造成電流回授降低增益,而與哼聲無關。
R3:一方面成為A1的射極電阻,作用與R2同。另一方面成為A2源阻的一部分,但仍與哼聲無關。
R4:成為訊源內阻的串聯電阻,只是加大了訊源阻抗而已,對哼聲亦不影響。
R5:根據電路原理來看,只有在接近電容器兩端的紋波最低,所以R5的存在,可能使C的效能受到影響,因此,R5應力求其小,而且最好沒有。實際的作法是把R1 R2 R3 R4都引到C的負端去,把此處當做零,則一切便合於我們前節的推論了。
筆者可以這麼說:在我看過的所有的有關接地理論的文章,都是像上面這樣說的(教人把接地點通通引到電容器端點上去),論學問,確實有點學問;可是若要論經驗,可就是沒有經驗了,在實際的佈線作業中,怎麼可能用一大把引線或銅箔把地點引到電容器端點上去呢?
由是乎一干受過如此「一點接地」師承教誨的人,便想通了另一變通的方法,就是把A1 A2該落地的地方,先匯集一起,然後在個別匯集到電容器上去,如此一來,就個別的A1或A2而言,自然是合理的,但是問題卻可能發生在A1與A2的交界面上。因為如就A2而言,A2之地既為a,則其輸入亦應以a為地,可是在這個佈線法中,A2之輸入卻以b為地(因A1之輸出以b為地,且輸出阻抗遠低於A2之輸入阻抗),此時對A點而言(因輸出是對a點)產生自b的哼聲(對a)將全數灌入A2的輸入端。哼聲既出,於是你可能拿出技術人的法寶來了,在a與b間,連上一條粗線,不錯,哼聲果然小了一點了,再將C2加大一倍,哼聲又小了一些了......
筆者曾好多次與朋友們談到有關哼聲的問題,筆者總是認為,要把一台擴大機弄到哼聲極低的程度,事實上並不難,其方法不外乎這裡加一條線,那裏又剪掉一個點,再不然就把電容量加大(容量加大有時哼聲會更大),或者像某些裝SF-101的人一樣,邪門到把PC板切開......終究哼聲沒了。但是難的事情就難在你如何在下筆畫圖時,就肯定這樣的線路走法沒有哼聲。而只有擁有這樣的本事,才算是真本事──尤其是在那些複雜的系統中,你根本無法預先做配線實驗的時候為然。
且看一個比較可靠的方法
在上圖中,分a、b點落地的方法,在A1及A2的靜態電流(到目前為止我們仍討論靜態哼聲的問題)都一樣的。問題尚不致發生(但條件為R1=R2),但一般的情況是愈是後級的靜態電流愈大,如此一來,R1壓降(包括直流及紋波)會較R2為大,因而造成a、b間電位的差異。
為了解決這樣的問題,首先我們得肯定當只有A2存在時(訊源以a為零),a點的紋波並無產生哼聲的可能(已詳如前述)。在此情形下,如果我們把b點直接連向a點,設若由b到a之間無阻值存在,當然沒有問題,可是事實上,由b到a,不可能沒有阻值,因此,我們只不過把R2移到b、a之間罷了,而此時,我們所需考慮的問題,卻只單純地落在R2上。
此時,在此比較兩者的差異,當可發現:
①採用分別落地(一點接地)時,必須同時考慮每一個放大級的靜態電流,然後安排適當的地迴路各別阻值,而不是每一個都在愈低阻值時為愈佳。而且這種情況在每一放大級的靜態電流相差很大以及有三個以上放大級串接時,情形將更明顯。
②採用連續落地時,每一增加的前級,只要對其次級負責,問題便單純到級間地迴路的阻值上,而且它是愈小愈好。這種情形,與每一Hi-Fi放大級的電流大小無關,若以一般Hi-Fi放大器的設計慣例而言,愈到前級電流愈小,相對的,哼聲也愈小,處理上非常方便。
最忌迴路錯亂
假如每一擴大機,都是在線路板上一級連一級的,問題自然就如前述一般簡單。然而在大多數的情況之下,級與級間是需要做系統配接工作的。舉一個最簡單的例子──接一只VR做音量控制器,此時,VR必有一端要接到零位點上。它究竟該以a點為零?還是以b點為零?
先看以a點為零時:當VR轉至最下端,A2的輸入形同對a短路,而A2乃是以a為零的,所以無(哼聲)輸入;反之當VR轉到最高位置,A2將全數承受來自A1的訊號電壓,自然包括因R2所引起的哼聲在內。
再看以b為零時:當VR轉至最下方時,A2將直接承受來自b點的哼聲;反之轉到最上方時,同樣承受來自A1的哼聲(此時當然必須考慮A1本身抗哼聲的能力)。
由上可知,正確的接法,應該接到a點才是,因為只有這樣哼聲才能與音量同時受到衰減。但你又怎樣把VR接到a點呢?用單線?用隔離線?
對了,有很多哼聲困擾都是因為隔離線使用不當而引起的,一般最常見的使用隔離線的習慣是,字A2以隔離線引出,接到電位器上,再在電位器上併接隔離線引至A1。這種接法的最大誤解,乃是認為電源迴路經由R2而訊號迴路則經隔離線的外皮,此無異於大貓走大洞,小貓走小洞的想法一般。尤其糟糕的事情是,當你已採用各放大器分別落地(一點接地)的方式之後,事情原已很糟,現在再以隔離線將A1 A2一搭,問題就更嚴重到逼使你這裡併一條線,那裏又剪去一點。
在某些時候,你可能真正需要在開關或電位器接點上,將兩段隔離線的外皮接在一起,那是當兩串接的放大器並無共電源迴路的時候。在這個時候如果你不以隔離線的外皮為訊號迴路而另接一條線時,情況未必比直接以隔離線引過去更佳(即使差別不大)。
(下期續完)
轉載音響技術第53期MAY. 1980 接地˙感應˙隔離與交流聲的補述 (二)/非君子
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