第一次看到音響技術是在高中時期,由於我喜歡音樂,因此常想擁有一套高傳真的音響系統,故而對於音技的內容特別感到興趣。那時正熱門的是仿ESS前級(SF-101),本也想動手一試,但由於不久家中就買了「愛美神」,再加上大學聯考的壓力,終於作罷。
聯考過後,進了電機系,大二學了電路學、電子學及電磁學,重又燃起實現當時心願的慾望,因而第一部「音響」於此時誕生:SF101接上耳機,訊源是一片調諧器,全部裝在一片鋁板上。
如此簡陋的「它」倒也陪了我近一年,但隨著年歲漸長,音技讀多了,高等電子學也修過了,對於當初那生澀的焊工及粗陋的配線頓覺非常慚愧,但一想若拆了它後再焊在一片新的板子上,漂亮固然是漂亮,可是那又何必呢?再加上為了試試自己的功力如何,因此決定利用SF-101上所有的元件及音技中獲得的知識重新設計一部前級。
先看SF101上的元件,最多的便是MPS 9633及10uF的電解電容,其次有二對2N3569、2N4355及MPS9632、MPS9682和一個2N6556。因此初步構想是以NPN晶體做恆流源及電流鏡線路,而用2N3569及2N4355做Push-Pull輸出,並將10uF的電解電容反向串接,做成一個5uF的交連用電容(參考音技55期),以減少交連電容所產生的失真。
一個理想的放大器應該有很高的輸入阻抗,對於電源變動的穩定性也要很好才是,故而我決定用FET做差動輸入,並且加上恆流源,並於第二級差動放大加上電流鏡線路,另外在FET的源極及第二差動之射極加上衰減電阻(degenerator resistor),大部分的人由音技上都知道此電阻可使TIM失真降低,但是此電阻也可以使差動放大的線性工作區增大(參見Gray & Meyer著的Integrated circuits 162頁)故此電阻加上實在「好處多多」。另外在FET差動之洩極上串一對MPS 9633,一方面增進高頻特性,一方面穩定FET的偏壓。
討論至此,全機的輪廓已概略可見,當把線路圖繪出後,忍不住做個鬼臉,媽咪呀!這個線路真面熟,翻翻音技,起碼可找出五、六個相似的線路(包括Pro-217),不過回過頭再安慰自己,嘿!我的和別人還是有些不一樣,而且便宜多了,因為零件大多現成的嘛,好了,閒話少說,算一算電路中的元件,我必須還要買一對FET及一對PNP電晶體,由於2SK146實在太昂貴,所以決定從一般的FET中挑出便宜而且特性好的,列入考慮的有2SK30A、2SK106 2SK117及2SK150。翻翻FET的資料手冊,發現2SK117的雜音及線性都不錯,而2SK150雖然為孿生FET,但一對要45塊大洋,比2SK117貴了近一倍,況且曾經用晶體特性掃描儀測過,發現其配對情形並不很理想,因此決定選用2SK117;至於PNP電晶體,本來打算用2N5087,但想起佑昇的BC556B,查查它的資料:fT 160MHz、Pc 500mW、hfe從200-450;而MPS 9633的資料則為:fT 150MHz、Pc 350mW、ht大於100而平均220,看起來兩個島是蠻相配的,故決定用BC556B。
當線路及元件都已決定後,接下來便是設定各元件之工作點了。回頭再看2SK117,由其NF-ID特性表,當VDS=10V,而Rg=1KΩ,Ta=25℃時,若ID>1mA,則f=12Hz時NF可達0.7dB,而f=1KHz時,NF更可達0.3dB,故決定ID設為1mA左右,而VDS=10V。
我們先看初級差動之恆流源部分,其線路如圖二。
設R2=R3,使Io=I',而由KVL定理知:24V=I'(R1+R2)+VBE,設VBE=0.6V,則當Io=I'≈2mA時,R3+R2=(24-0.6)/(2x10-3)=11.7KΩ,取R1=10KΩ,R2=1.6KΩ,再重新計算I',得I'=2.017mA,於是Io≈2.017mA,則ID=Io/2=1.008mA,和我們所希望的差不多。接下去再看差動部分,如圖三。
取R4=R6=3.3KΩ,於是VR4=3.328(V),而10V的Zener diode則具有固定FET偏壓的功能,至於R5,其主要是使Zener diode工作在足夠的電流下,使其維持在恆定的電壓區域,一般取3~5mA,故我用3.3KΩ,使I diode=4.24mA。
接下來要看的便是第二級差動部分,其線路如圖四,我們預計讓每一個晶體工作在3mA左右,而R10=R11=33Ω,故VR10=33x3x10-3=0.099(V)≑0.1V,若再取VBE=0.6V,則R9=3.328-0.7/(6x103)=438Ω,我們取R9=470Ω,再代入而算得IR9=(3.328-0.7)/470=5.6mA於是IQ=5.6/2=2.8mA。再取R15=R16=1KΩ,使VR15+VBE=3.4(V)而VR14+3.4=24.9(V)➾VR14=21.5,再得R14=21.5/2.8=7.67KΩ,我們取R14=7.5Ω,而電壓源則用4.7K及2.2K,以使輸出級有足夠的偏壓,至於為什麼不取220或22K,則是為使IR3≈Icx10/hfe由此可算出,Vs=(4.7K+2.2K)/2.2Kx0.6(V)=1.88(V)。
再接下來便是輸出級了,我想讓它工作在6~8mA充足的偏流下,於是1.88-1.20=0.68(V),0.68/(8x10-3)=85,所以我們取Re=47Ω,使0.68/94=7.23mA。算一算我們的2N3569是否受得了,Pc=IV=24x7.23x10-3=173mW,故而2N3569可以用,只是為了安全,再加上散熱片。
RIAA EQ的線路,幾乎和十倍完全一樣,只是負回授部分有所不同,由於此線路很穩定,故EQ回售可參考91期隨意變換數值,以使它發出適合自己的音色。要注意的是,RIAA EQ要在第二級差動PNP晶體的BC極間並上一枚22P的陶質電容,否則可能會有輕微的高頻振盪,而十倍放大則不需要此電容便能穩定的工作。
另外在輸入端還接上一組高頻濾波器,以濾除不必要的高頻,而輸出端還串有一枚470Ω電阻,以避免輸出短路而燒毀元件。
至此,整個電路已告完成,接著洗板子、焊接等工作自不待話下,值得一提的是,我是先將元件排列在萬用板上,在萬用板上做上元件的記號,然後再將萬用板貼在PC板上,而後再鑽孔,貼膠帶,如此,完成後可以得到一整齊美觀的電路板,尤其這種方法在自己製作雙面PC板時,更是方便。
當線路板裝好後,十倍放大接上訊號產生器,用示波器觀察輸出,當看到那完美的方波出現在示波器中時,心中的喜悅實在無法用筆墨去形容,當輸入端的高頻濾波不接時,到200KHz時仍保持著方波,只是略有一點的delay,而且把波形放大後才看得到,更重要的是沒有一絲的振盪,不像SF-101,若不接22P電容,方波的前緣會有突出的尖端。接著用三角波測試,也很完美的出現了一個三角波,更用TONE BURST波測試,還是很完美的輸出,故此,它的頻率響應範圍及失真大小,應該是很令人滿意的。
再來,我更用三角波測其最大不切削之輸出,發現可達36Vp-p,(因為我的是11倍放大),此符合我當初電源用到±24V而提高動態範圍的設計。
記得曾看過一篇文章提到晶體機和真空管機其差異之一便是真空管機的動態範圍較晶體機大,所以音樂性較好,故若希望提高晶體機的音樂性,便需提高晶體機的動態範圍,為此,電源電壓便要提高,而Slew rate也要提高,這一點,就是IC化的前級所無法做到的,因為一般的IC皆工作在±15V,基本上便受到了限制,不像晶體機可由自己設計而提高動態範圍。
穩壓電源由於設計當初就顧慮到方便性,所以採用±24V,如此一來可以使用三端子穩壓IC,但是為了充分利用我們由SF-101上拆下來的零件,我再買了一個2N6553,及2個10V的Zener diode做了一個和音技70期第70頁相同的穩壓,只是稍微變更一些電阻,以產生±24V。
裝入機箱,接上SF-106N後級,接著便是試聽,由於我沒有很好的喇叭,所以不敢對音質妄下評論,但是還是忍不住要說,比起我原來的主機,它的音域擴展了許多,高音變得細緻而順耳,低音也更充沛而有動感,使得每一個聽過的人都讚不絕口。
但是它也有缺點,那就是將選擇開關轉到PHONO時,將音量轉到3點鐘方向後,會聽到有沙沙聲,此時距喇叭半公尺。十倍空接時,就必須把耳朵貼在高音喇叭上,才勉強可聽到一些沙沙聲,好在除了Hiss外,沒有任何的交流聲出現。我想嘶聲產生的原因是由於MPS9633是拆下來的,特性變差,且又工作在1mA左右,一般小訊號電晶體若工作在較大電流時,其訊號雜音比是會變差的。所以,若希望訊號雜音比好些,可降低初級工作電流,且使用高品質的零件,依據我的設計方法,造一部A類的前級,一定會讓您滿意的。
[補註]:
(1)本機零件配對要求不嚴格,因為我曾經精密配對裝過一片,也粗略裝了一片,結果示波器上看不出差異,只是精密配對的其三角波切削時是上下同時切削,而未配對則略有差別。
(2)PC板之製作我是使用1.8mm的膠帶直接將各孔連接起來,如此省去了不少工夫,而且正面看起來仍然一樣美觀。
(3)那一對PNP差動放大電晶體曾換用2N5087,結果發現輸入端短路時,在輸出端有1mV Vp-p的高頻波形,由於振幅實在太小,不知是否為高頻振盪,但換用BC556則無此現象。
(4)在做切削點實驗時,突然發現上下切削點變得不一樣,一量電壓,竟然是+23.8V、-14.6V,可是當波形小於切削點時無論方波或三角波皆很正常的工作,我想,它對於電源的要求不嚴格亦為其優點之一吧!
(5)輸入交連電容要並上0.1uF的塑料電容,否則由於電解電容的高頻特性不佳致使高音變得模糊。
(6)附上示波器所測得之照片記錄,其中下方為輸入波形,上方為輸出波形。
轉載音響技術第95期NOV. 1983 我殺了SF-101/黃嗣平
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