由實驗室到生產線:接近完美的100瓦功率放大器架構 @ 老音響資料庫/蘇桑部落格

　　儘管仿製 ESS 功率擴大機的熱潮未消,而本刊亦繼續供應機箱及必要的晶體。但我們仍迫不急待地要推介你這個幾近於完美的電路──就整個結構而言。

　　正如以前各期我對 ESS 功率放大電路的析述,它確實有許多值得推介的優點,例如簡單易裝,雖然輸出功率最高可達三百多瓦,但即使是初學的讀者,只要按部就班,仍然可以把它裝得很好;另外;它也很安全,在裝好之後,只要按一定的程序作簡單的校調工作,在爾後的長期使用中,便不虞有突然不響的情況出現,這一切恐要歸功於在簡易的架構之中,加入了十二枚的二極體,使得任何的失常都會被這一元一枚的半向導電體檢知而對消。由此,我們似可吸收一個經驗──我們對二極體的認識時不應該止於檢波和整流。而放大器的責任,也不完全是電晶體和真空管的。

完全線路走出實驗室

　　雖然 ESS 放大器的失真確實夠低,音色夠清澈有力,但站再一個線路設計者(尤其是實驗室工作者)的立場,總是不斷地要求線路的合理與完美。ESS 後級的缺失,乃產生與生產於裝配顧慮之上,它沒有採用雙差動,亦未使用全對稱。事實上在這以前早就有雙差動和全對稱的接近完美線路被設計出來了,Daniel Meyer 繼萬能老虎之後的超低 TIM 便是其例。只是這種接近「完全電路」的設計(吉達商行的李經華先生稱其為臨時終點站),在相當長的一段時間內(以現代電子技術發展的速度而言,應該算很長了),幾乎被停滯於實驗室之中,而在四年前在零件極為困難的情形下,力億公司即將萬能老虎製成套件上市,其精神與勇氣,誠可感也。

　　然而,時代畢竟是進步的,這三、四年來固態化主動元件生產技術的高度進展,成本更為降低,無形中迫使這些「完全線路」走出實驗室而湧向生產線。像 SAE、GAS、LUX 和日本在近年來極為傑出的 Accuphase 等等廠牌,均紛紛採用「完全線路」以顯示他們在技術上的超前與領先。

　　誠然,不管要抄襲、修改或真正設計一種理論上屬於理想的線路並不困難。困難的是憑什麼條件來裝配它、生產它。這中間的關係正如同 OTL 和 OCL 一般,OCL 確實是較 OTL 更為「完全」,但並不是說任何一個人裝的 OCL 都會較其他的 OTL 好,其原因無他,零件的獲得、選擇和對線路的認識而已。

　　因此,今天我們在討論這個接近「完全電路」的設計之前,切盼大家不要因為聽說它「完美無缺」便躍躍欲試。畢竟它需要比一般電路更多的條件──正所謂美妾難養──方克剩任。

改用 Plastic 晶體輸出

　　話說正當我對 ESS 功率放大器有關問題的答覆感到厭倦的時候,加上了一部分讀者責怪我推介這麼奢侈的線路(24 個 MJ410 就要三千多元),另一部份讀者更埋怨何以不弄一些更尖端的線路時,我早就想到了用 ESS 線路來改進它,使它變為雙差動,全對稱輸出,同時把輸出功率降低到一百瓦左右,以適應一般的需要。

　　改進的第一個構想,就是把 24 個 MJ410 通通換成塑膠包裝(類如 TIP29 之類)的中功率晶體,如此一來,至少可以獲得三個好處:(1)製作成本大大的降低,因為現今耐壓在 120 伏左右的塑膠包裝中功率晶體,每個售價大致不會超過 25 元,而 24 個則只要 600 元便可以獲得 100 瓦以上的功率,如用 MJ410 做一百瓦,至少也要12個 1800 元;(2)雖然我們也可以不用 MJ410 而改用 2N3055 或 MJ802 等高功率中等耐壓晶體,卻無法獲得並聯輸出降低 TIM 等等好處,如改用中功率晶體仍採用多對並聯的方式,則可維持並聯輸出的好處,何況改用中功率晶體之後,由於迴轉率之升高更有利於 TID 之降低;(3)可能把全部晶體均規劃到線路基板上來,減少配線的麻煩(使用 TO-3 金屬殼晶體時,幾乎不可能)。

　　以上設想,我已全部試過,驅動部分仍然完全使用 ESS 的驅動單元,圖個方便,而輸出晶體則改用快捷所出的 2N6121,選其耐壓在 100 伏以上者,共並聯了每聲道 6 對,並把所有的射極電阻改為 1 歐姆,短路保護各電阻值也重新設定。試驗結果,覺得非常理想,正想重劃線路板時,不意笙隆公司的曹先生,送來了該公司正在著手籌劃的 8200計畫全部線路,一看其功率放大部分,竟然和我意中理想的架構不謀而合,且有多處降低 TIM 的措施是我始料未及的。此時,我真是一則以感到興奮(就像遇到知音一樣),一則以感到洩氣(自己夢想了半天,結果別人比你做得更好),所幸曹先生乃是中國人,也是好友,否則這個線路如出自 Audio 月刊或名機線路上(雖然類似的架構很多,但使用 Plastic 晶體並聯輸出的,則未見過),那真的會氣炸了。

優點在何處

　　現在,廢話少說,快讓我們來看看笙隆公司的這個 100 瓦超低 TIM 線路究竟有些什麼特點,使得它接近「完全電路」的理想境界:

　　第一:採用全對稱的 Plastic 晶體四對作並聯輸出,它所能獲得的好處已如前述,於此不贅。

　　第二:其末級驅動器的架構(即 Q8 Q9)和一般的接法不一致,射極電路根本就是浮空的,使這一級的工作變成純粹的電流放大器以代替一般的增阻電路。

　　第三:本著降低 TIM 之原則,加入了未經傍路的 R16 R14 做為電流回授,雖然這樣一來,會降低電源利用率,但畢竟是有好處的,另外差動放大器的第二只晶體的集極,並不直接接於 Vcc 上,而是與後隨電壓放大器的射極並接在一起,如此一來對於減少 TIM 亦屬有利。

　　第四:增加中點電壓精密調整電路。在一般的類似電路中,中點電壓總是靠回授自動控制的,這樣一來就不免因為零件的稍許誤差而至中點產生微量的偏移(0.2 伏以內的偏差是很正常的),本電路採用中點電壓精密調整電路之後,可大大減少零件誤差的困擾。

　　第五:輸出過載保護電路改成 SCR 接法,使保護動作更為迅速,而不影響高頻方波波形。

架構概述

　　現在,讓我們更進一步來了解一下全部電路的動作情況:

　　全部電路乍看之下,似乎顯得相當複雜,事實上,我們若把短路保護電路除去,就很容易一目瞭然了。

　　輸出部分是由四對中功率 NPN-PNP 晶體並接而成,和一般電路無異,但擔任電流驅動的 Q8 Q9 接法上就和一般有異了。因為它們的射極並不接到輸出點上,這樣一來,使得它純粹地只擔任了電流驅動的工作。由 R17 的 120 歐姆看來,Q8 和 Q9 似乎只要用小功率晶體就可以了,進一步求證一下,四對功率晶體,再 100 瓦輸出時的峯值電流約為 5 安培,設使功率晶體的最低 Hfe 是 15 的話,Q8 Q9 也只需要 300 毫安電流就可以驅動了。而在無信號的時候,Q8 Q9 的電流約較 1.2伏/R17 = 10 毫安稍大一點。

　　再者由於 Q8 Q9 均為射極輸出,因此輸入阻抗極高,免除了一般使用增阻電路或恆流源的困擾,而可讓電壓放大級來直接推動。

　　電壓放大工作由 Q5 Q7 來擔任,中間施以恆壓熱回輸式之偏壓電路,R10 之加入,為提高其輸入阻抗,在此處,有兩個異於常情之接法,一是 R14 及 R16 之加入,除加有 .1uF 防止脈衝和射頻干擾之外,並無傍路電容,如此一來,由於輸入到此點的相位正好相反,所以會介入了 R10/R16 的電流回授,對降低 TIM 極為有利,但相反地,也降低了本電路的電壓利用率。在設計本機電源電路時,應照平常的計算值略微提高(在笙隆的 8200 中,電壓用到 ±55 伏)。

　　差動輸入級,是本機設計上最精采的部分,整個架構簡潔而明快。輸入訊號在進入 Q1 Q2 之後,立即實施分相,但仍維持著大部分 A 類放大的優點。交直流回授由 Q2 Q4 之射極加入,而 Q2 Q4 的射極卻逕和 Q2 Q4 之射極並聯,亦是一妙也。

　　在輸入電路方面,一般都以 47K~100K 歐姆的電阻接地,已使得 Q1 獲得必要的偏壓,這樣一來,難免使得因零件上的些許誤差而導致輸出點電壓的少許偏移,並用此偏移的回授,而穩定中點。而本電路則更進一步使用了精密的偏壓調整線路。其電壓是經由正負電源分壓而來,並不取之於地。±Vcc 在各串 10K 歐姆電阻之後,再串以 500 歐姆為微調,此 500 歐姆可調電阻之端電壓應為 2.6 伏左右,但因兩端皆有偏壓二極體到地,是故兩端對地之電壓約為 ±0.6 ~0.7 伏,而足以供偏壓精調之用。

　　除了以上電路設計妙處之外,其中過荷保護電路亦可圈可點。誠如曹先生在上文中所說,通常的保護電路,在業餘的製作者或實驗室中,都是不主張使用的,因為保護電路之設計均以電阻負載為設計基準,可是喇叭為一抗性負載,如介入容抗時,電流將提前於電壓,使得保護電路提前動作,而產生可觀的失真。因此我在設定 ESS 的保護電路阻值時,只顧慮功率晶體的毀損電流,而並未將之設定於割切產生的臨界點上。

　　本機的保護電路,則正負半週各使用一對 NPN-PNP 晶體,接成 SCR 型式,使其動作變呈真正的 ON-OFF 狀態,俾使於在聆聽時,明確地察覺過載,而需將音量降低。