好幾年前Hi-Fi音響工程師和廠商製造者,都集中於A類、AB類、B類的電路設計,同時在設計電路時,都要考慮各種放大方式的效率問題,例如今年1977年Marantz最大功率輸出的一型接收擴大機,每聲道輸出250瓦,如此大功率的輸出,如仍按照傳統的設計,則功率的消耗必定相當驚人。於是現在許多音響工程師開始轉移他們的原始設計方式,另覓一條較有效的方法,來達成減輕成本的預算,提高工作的效率,由電源直接有效地轉換成有用的聲頻功率,除去不久以前的G類設計之外,最近已完成一種最新而有效的音頻放大方式出現,按照已有的放大方式來排列,它應列於H類,它的放大效率比G類更高,而以下本文即要介紹它是如何工作的。
不久以前,本刊曾討論最先由Hitachi所發展出來的G類放大類型,其特點即運用兩對輸出功率晶體來工作,當低訊號電平時,用低功率輸出級來推動工作,而當訊號電壓升高時,需要高功率輸出及推動,則訊號自動地轉移到高功率輸出晶體來放大,當然此對功率晶體也在較高的電源電壓下工作,而整個工作轉換特性為當訊號電平值超過低電源電壓時,即自動轉換,如此一來,每對功率晶體均能長期有效地工作在較高效率上。現在由Soundcraftsmen總工程師兼發明人Paul E. Rolfes。所設計出來的H類放大方式,已發表出詳細的資料,最近並在芝加哥CES大展中提供參展的產品。而它與G類之間有何不同?這正是大家所感到興趣的地方。
H類如何工作
H類放大線路到底與其他類的放大有何不同?由附圖一中你們可看出H類的特徵概況,它是一種可變比率的電路設計,此話如何說起,首先可以注意H類在圖一左邊電源供給方面所做的處置,在電路上它共用了兩對正電源及兩對負電源供給(電源變壓器的次級線圈已將各點電源的極性處理妥當),輸出電源電壓值也都按照一定的比例來設計,低電源電壓正好為高電源電壓的三分之二,在低功率輸出時,本電路就像傳統的AB類擴大機一般工作,然而當訊號電平接近於低電源電壓的限定值時,不同的工作方式即有顯著的改變。為了便了解,藉用圖二來說明,圖二顯示由二條水平線代表供應輸出級的B+及B-,1KHz的正弦波訊號經放大後,其輸出正工作於此,因此H類的放大可以說,在大部分的週期時間內,低電壓供應在ON狀態的時候較高電壓為多。
另外,我們還要認識H類放大電路的某些特性,相信當你看了圖一線路後,便會有許多問題源源而來,在基本上,我們除了首先要認清電源電壓控制電路,它工作時的快速動作外,我們還要了解H類在設計時,是如何使高頻瞬態音樂訊號在高電壓供應未變換之前,避免發生剪波現象,此外,再實際上H類又如何在需要時而立即使供應電壓上升,同時避免任何錯誤的ON/OFF動作發生,這也是重要的一點,綜合以上幾點,即可想像發明者當初在設計電路之先,避已經預先考慮到這幾種可能發生的問題,我們現在參考一下圖三,注意到輸出的正弦波訊號峰值仍舊低於供應電壓的最高限,同時邏輯控制電路也已偵測出必須提供較高的電壓以供較大的功率輸出,而且其供應電壓仍有繼續上升的可能,所以凡正弦波電平真正達於低電源供應電壓值時,控制電路就開始導通供應高電源電壓,由此可見圖四上限波形的增加率(正電壓供給)必須大於正弦波音頻訊號的上升增加率,而此時已經可算是進入供應電壓的上限範圍了。但如正弦波繼續追隨高電源電壓不斷地上升,直到最後趨於上限位置而必然產生「剪波」,不過這已經到於極限,而是無法避免的情況了。
限定之電壓範圍內,如果輸出訊號電平繼續增加而達於供應電壓的電平時,則不難想像將有剪波的情況發生,然而事實不然,我們再參考圖三看看,H類放大能做怎樣的應變呢?注意當輸出訊號電壓達於供電電壓值時,圖一中的邏輯控制電路即開始動作,即使得B+和B-電壓值也隨同訊號電平增加而增加,令增加的功率輸出不產生剪波現象,但類似這種情形,如輸出電平是不斷地增加,不產生剪波也只能到控制系統所能供應的最高電壓值為止,由圖四波形所示,供應電壓已達到最高上限位置,如果擴大機的驅動仍舊加強超過最高限定電壓值時,到最後則難免要發生剪波狀況,此種情形可在圖五中看到。
H類擴大機消耗功率的大小,完全與加在輸出功率晶體上的電壓成正比例,而照一般擴大機是再低電壓供應狀況下工作時為多,因此其輸出級的功率消耗也都很小,而高功率的消耗多半發生在非常的狀態。雖然圖四和圖五所表示的,高電壓供應已達"turned on"的最高值,但像這種情況也大都是在輸出正弦波到達峰值時才會發生,而且時間也很短暫。
其實Soundcraftsmen也曾注意到高壓電源電壓本身具有上升特性必須要大過於音頻電路的上升特性,因此H類放大的邏輯控制電路,在設計時其上升時間則設在50Volts-per-us,如不考慮訊號波形時,邏輯控制電路就必須在預先的上升時間內導通高電壓電源,或者說:其響應上升時間必須超過放大線路。反過來,如果電壓上升響應時間緩餘音頻輸出訊號時,那就會產生失真訊號。現舉一例來說,如用H類擴大機來播放某一段熱門搖滾樂曲,如圖六所示即為其複雜的波形,當輸出訊號電平達到低電源電壓時,邏輯控制系統即立時動作,並供應較高的電源電壓,因此其波形並無失真現象。
圖七到圖十二的參考照片,表示音頻擴大機輸出功率晶體上的電流對電壓特性圖,每一張圖片也顯示出晶體管的熱損耗情況,圖七及圖八皆為具有250瓦輸出的擴大機,工作在1/3額定輸出功率情況下(依據FTC測試規則),圖七為不使用邏輯控制系統下,當作一般傳統的AB類擴大機使用時所攝下的照片,圖八為擴大機使用邏輯控制系統採用同一的功率輸出電平時所攝得的照片,從圖七中不難發現傳統擴大機功率晶體的熱損耗顯著的大於H類擴大機,圖九為使用雙重曝光法,使圖七和圖八並同顯示在一張照片上,從二條曲線之間的面積,我們可以直接推算採用邏輯控制系統後,輸出晶體管所節省的功率損耗。
如果以同樣的擴大機,在沒有邏輯控制系統情況下,改以250瓦的額定功率輸出為測試標準,則其電流對電壓特性如圖十所示,反過來,如運用H類放大方式,同樣採取250瓦額定輸出為準,其電流對電壓改變後的特性曲線則如圖十一所示,圖中顯示採用邏輯控制系統增加電壓後,即將效率有效地提高,同樣的,它的功率消耗要比圖十所示為小。仍然採用雙重曝光法可將兩條曲線在圖十二顯示出來,兩條曲線間的面積即表示H類輸出裝置所節省的功率損耗。由前述所知,H類放大方式的主要優點,即在效率上有顯著的改進,基本的放大線路裡本身沒有開關或改變訊號路徑的作用,所有的增加功率容量的控制是基於電源供應的裝置,而且都在基本放大電路的回授網路之外,所以對擴大機電路的失真、穩定度及響應時間都不影響。
新功率擴大機的出現
H類放大線路首先由Soundcraftsmen公司發表,並且利用其優點製成產品,圖一即其新產品Model MA5002功率擴大機所採用的線路,8歐姆負載時額定輸出為250瓦特,立體聲驅動時,20~20.000Hz總諧波失真低於0.1%,目前它的售價低於$700,其外觀如圖十三所示。
除此,Model MA5002其他的特性,尚有兩顆LED指示器置於輸入電平控制旋鈕的近旁,指示器只要當高電源電壓開始導通時,即馬上被點亮,作為可視的偵察之用。
為了確保Soundcrafsmen所生產的Model MA5002 H類擴大機不受任何瞬態特性的影響而遭受品質的降級,圖十四及圖十五即代表H類擴大機的Positive/Negative Slew Rate,兩者的垂直刻劃數字以5 Volts-per-division為準,當水平掃描率為0.5us-per-division時,將10Khz方波輸入每聲道250瓦輸出,8歐姆負載的H類擴大機,測得輸出如圖十四、圖十五的上昇(或下落)斜率線。總之,以上林林總總談了不少,現在我們可以摘錄G類放大與H類放大設計的主要相同或不同之點,它們是：
(1)G類放大必須使用兩組功率晶體,每組功率晶體必須採用不同的電源供給。當訊號電平超過供應於低功率放大用的那一組電壓時,低功率晶體組則成Cut off狀況,而高功率晶體組(使用高電壓供給)則開始導通動作。G類放大必須具備兩種輸出裝置,這是它的特徵,然而Soundcraftsmen所發展的H類擴大機,僅需使用一種輸出裝置,同時大部分的操作時間都在較低的電壓供給下,所以它不但減少了內部消耗,同時也更有意義地增加工作效率。
(2)H類與G類擴大機的相同之點,是同樣的追求在整個工作範圍內降低功率的損耗,提高效率。
做了以上的分析,我們會很清楚的了解,目前固態化的音響器材,它們的設計重點,不再是追求最低的可能失真,或降低瞬時失真或拓寬更闊的頻寬響應能力,此外,設計者似乎也轉移了注意力,致力於工作效率的提高,製作成本的降低,以提供消費者最有效的使用價值,因此假設音響設計如仍繼續不斷依目前這種速度革新,那我們實在很難猜測以後的音響器材,到底會發展到什麼地步！(取材自Radio Electronics Oct. 77)
轉載音響技術第25期JAN. 1978 快報!H類擴大機出現了!/取材自Radio Electronics Oct. 77/丁琳
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