音調控制器之認識及製作 @ 老音響資料庫/蘇桑部落格

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　　上期介紹的『歐洲式設計之全保護功率擴大器60W~80W』之試作實驗資料係由文林電子所提供(為WL-60-1套件)。本期則介紹其所配合之音調控制器為保有原來推薦之組合,仍以文林電子所提供之資料為主。

　　本期介紹偏重原理,而實際之製作則下期介紹:

　　對音調之喜好依個人有所不同,尤其年輕人往往喜歡沉重之大提琴或清澈之「恰恰」,特別的強調高低音。音調控制在Hi-Fi組合中是不可或缺的一節,如今在市售品或業餘愛好者所裝組的電路中分成兩種主要之類型:一為CR衰減型,一為回授型(NFB型)。而後者係以控制負回授之大小來增強或衰減高音、低音之方式,在同樣之靈敏度下導致之失真小、S/N接較優,故絕大多數之電晶體擴聲機都採用此式。

　　今將兩種電路分析於下:

NFB式音調控制電路

　　圖(一)為Philips所採用之NFB型音調控制圖。

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　　圖(二)所示為負回授之原理圖。圖中「A」設為一放大率極高,輸入阻抗R_in足夠大,輸出阻抗很低之放大器,圖(a)中R_NF為回授電阻,R_in為串聯於輸入之總電阻,此電路之總放大率(從Input到Output)約為R_NF/R_in。如果R_NF很大R_in很小則總放大率很大;反之若R_NF很小R_in很大則本電路不但沒有放大,而且形成很大的衰減。如果把R_in+R_NF之部份改成可變電位器,則可用來調節放大率,如圖(b)。如Rin+RNF之部份除可變電位器之外再加入電容或電感零件,則可用為控制某一段頻率範圍內之「可變增益(放大率)放大器」。

　　將圖一之電路就圖二之方法以分析高低音之提升或衰減。

高音控制

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　　圖(三)中只繪高音控制部份。這部份於擴音機之面板上就是"Treble"之部份。電晶體Q為一音調控制放大器,且由集極回授回來之信號與原加於基極信號反相,故可形成負回授。因C1=C2=.0022uf容量很小,只適於高頻通過,對低頻則容抗極大形同開路。今舉數例算出其電容抗: 當頻率是100Hz時,電容抗Xc=720KΩ,1KHz時Xc=72KΩ,10KHz時Xc=7.2KΩ,20KHz時Xc=3.6KΩ。以下之說明以20KHz為例,Xc=3.6KΩ,又因電容抗之向量與電阻之向量呈垂直,且比起100KΩ之VR很小,故其是否存在於電路上影響極微,為說明方便起見,假設Xc=0則高頻信號之等效電路如圖(四)。

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與圖(二)比較可看出當移動100KVR之可動點時,放大倍數可有甚大之變化: 當可動點移至"Input"一邊時,回授電阻大而輸入電阻小,放大倍數很大──高音提升甚多;當可動點移至Output一邊時,回授電阻小而輸入電阻大,衰減很大──高音衰減。以上係於20KHz時將.0022之電容抗予以忽略所得之結果。一般NFB型之音調控制20KHz之控制範圍約自+-12dB~+-20dB(合+-3.97倍~+-10倍)之間,頻率漸低時,.0022uf所呈現之阻抗愈大,對電路之影響實不能忽視,故可控制放大率之範圍漸減,及至1KHz時已幾乎無控制作用了。

低音控制

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　　圖(五)所示為低音控制方面,在機殼之面板註有"Bass"者。圖中於100KΩ之VR兩端並聯以一只.039uf使之對於高頻呈低阻抗,對低頻呈高阻抗。今以兩個極端之例子為之,當高頻20KHz時,容抗Xc=204Ω;低頻20Hz時Xc=204KΩ;20KHz時Xc=204Ω對於100KΩ之可變電位器而言,可當作高頻短路考慮之,則此時輸入電阻等於回授電阻,放大率為「1」。對於低頻而言20Hz為例Xc=204KΩ比起串聯電阻4.7K可謂很大,亦比100KΩVR大。今為易於瞭解起見,假設.039uf對低頻為開路,因之移動100KΩVR之可動點時對低頻之放大倍數有大幅度之改變。一般NFB電路之控制範圍在20Hz時約有±12~±22dB(合±3.97倍±12.6倍)之間,當頻率漸增時,.039uf之電容器阻抗漸減,可控制之範圍愈小,及至1KHz時已無控制效果(放大率為1)。

　　圖(六)所示為圖(一)音調控制電路之特性。

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電路介紹

　　此式電路因有大量之負回授,故輸出阻抗低至數百歐姆(1KHz時)。同時欲使有較大的控制範圍,本NFB電路之輸入阻抗應於600Ω以下較佳,而一般收音調諧器,陶瓷式唱頭等信號源,輸出阻抗均大於此值,故需再加一級「射極輸出式電路」以期降低阻抗。如(圖七)為一完整之NFB式之音調控制電路。

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Q2之偏壓供給係以180K與33K之分壓接至基極,如此可得到正確之工作點: 使基極之直流電位約略大於½V,電源供給之電壓在一較大之範圍內變化仍能維持正確之工作點,例如說可自15V~25V內變化。

　　對於音調控制或前置放大器之電壓不能取之過低,以免減少了動態之範圍,徒增失真,例如說以圖(七)之20V為例,扣除Q2飽和時對地之電壓約為3V(已包括發射極電阻之損失在內)後使得Q2輸出信號電壓之最大擺動範圍少於17V,除以2√2以後得有效值6V,但實際上最大之低頻輸出已包括很大之失真在內,尚且不能達到6V,況1K~20KHz最多只能有2~3V之輸出。當然這以合於一般最起碼之動態範圍,如再將電壓降低,則瞬間之信號將使造成飽和失真。

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圖八所示為一般同好常常使用之電路,且有很多同好仿造,有些套件供給商亦採用此一電路,不幸的是將圖中之齊納二極體(Zener Diode)以CS9012或CS9013等類晶體管之B~E間為之,我們知道該類晶體B~E間之破壞電壓(齊納電壓)只有6~10V間,也就是該音調控制器之供給電壓為6~10V,因之其輸出管集極信號電壓之最大擺動範圍亦不可超過4~8V,其最大可能輸出之有效值電壓約自1.5~2V(已包括很大的失真信號在內),且失真極大,不能適應一般動態範圍之最低要求,不能不知。

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　　圖(九)(a)及(b)所示為本級(音質控制)與音量控制(聲音大小之調節,在面板上註有Volume者)及功率放大級之連接方式,圖(a)中表示由收音調諧器(Tuner)或陶瓷式唱頭等高輸出信號音源之輸入,先經音量控制後再接至音質控制,功率放大;圖(b)則直接加至音調控制後再接到音量控制功率放大,兩者各有利弊。其關鍵在於殘留雜音及失真兩方面,這裡所稱之失真係因晶體電路供給電壓小時,欲使有較大輸出時不能線性放大所導致之失真。而殘留雜音則指當音量控制器關到最小時尚有的輸出雜音,這可從喇叭聽出來。

　　當音量關至最小時雜音之來源,音調控制級及功率放大級均有可能,然而因功率放大級有很深度之負回輸,且輸入、輸出信號較大,故導致雜音的機會很少,當您將功率放大級之輸入部份予以短路(接地)此時可由喇叭聽得到的「功率放大級」之雜音極小,要耳朵靠近喇叭才聽得到。而音調控制級音高、低音均放到最大時負回授量減少,雜音提高很多,其中高頻不規則雜音多來自零件本身所產生,例如說晶體或電阻器......等,上述之高、低頻雜音對於業餘愛好者因缺少儀器,尤其難以處理,即使是採用與原裝機器一樣的電路,一樣的零件,亦不能得到相同的效果。略說殘留產生之一、二例,以圖(七)來說,Q1,Q2偏壓供己都是採用電阻分壓,故電源供給若有紋波,則必然直接加至基極經放大而形成低頻雜音,又雜散磁場之隔離亦可減少由外界而來之感應雜音,接地點之處理亦應注意,至於高頻雜音則由Q2之電路而引起,Q2宜採用低雜音管,集極電阻3.9K,亦宜採用低雜音者。

　　如圖(九)(a)之接法,當音量控制之電位器關至零輸出時,將Treble、Bass都開到最大,則此時高、低頻之殘留雜音最大──多來自音調控制器,但此式接法可減少動態範圍極大的信號之失真。一般功率放大級之靈敏度約自100mV~1V之間即可有滿額輸出,而如圖(七)之音質控制器當輸出為1V時失真程度仍很小。一般高級品(廠製品)因對殘留雜音合理的防止,故都採用此式接法。

　　圖(九)(b)中當音量控制關至零輸出時,事實上等於將功率放大級之輸入接地,殘留雜音只剩下由功率放大級所產生,幾乎聽不到,為其優點,一般業餘者及中、下級產品採用此式較多。今以一般唱頭為準,動態範圍約為正常水準之五倍,今如以圖(八)之電路為例,當輸出為1.5Vrms時失真已極大,欲能有五倍(15dB)之動態範圍,則正常輸出只能在300mV以下,又因Q2、Q3為有增益之輸出,其放大率為7倍,故當音調控制器之放大率為1時,Q1之輸入只能於43mV以下。一般之陶瓷唱頭輸出,調諧器之輸出都在200mV以上,故音量控制只能裝於音質控制之前先將300mV之信號衰減至42mV以下,使失真儘可能降低,若如圖(九)(b)之接法則直接將300mV直接加至音質控制,放大7倍後輸出為2.1V,則正常之輸出信號已有極嚴重之失真,根本談不上動態範圍了。如此之故,高級廠製品之音質控制電源(包括前置放大級之電源)最低要20V以上,更高有至70V、80V者。

　　上述之音質控制電路(如圖一及圖七)當頻率響應評值時之放大率略小於1,也就是說當輸入信號為500mV時輸出略小於500mV如果再加上音量控制、平衡控制,則加入500mV,輸出則在250mV以下,則功率放大級之靈敏度必須能在250mV以下有滿額之輸出,否則音量控制開滿亦不能有最大之輸出。因之如圖(七)之電路只能用於靈敏度高或小功率機來使用,如圖(十)所示為採用高靈敏度之後級功率放大器之組合情形。後級係採用文林電子出品之OCL 30Wx2之套件。

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　　如果欲以圖(七)之電路使用於靈敏度較差,需高於250mV以上才能使之後級滿額輸出時,必須加一級「中間放大器」才可,此級可採用文林電子WL-Pre-1修改回授電路而成。

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　　圖(十一)之Q1、Q2組成Tr+FET,放大率等於6倍,平衡控制置於中間放大器之前,音量控制置於中間放大器之後,當然音量控制亦可置於音質控制之後,其後級為第一期所發表之60W全保護功率擴大機,中間放大電路及音質控制器之電源如圖(b)中之B1、B2所示,這部份電源供給電路可與後級共用同一電源或變壓器之另一繞組供應之(較佳)。

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　　圖(十二)所示為山水5000A型所採用之音質控制電路。

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圖(十三)所示為Marantz Model-25所採用之音質控制電路,兩者都為時下頂尖之產品。

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　　圖(十二)中Q1+Q2所組成之中間放大器可等效愚圖(十一)之Q1+Q2部份,其放大率為4.9倍,輸入阻抗320KΩ,輸出阻抗很低,Q3則為音質控制用之放大管,Balance、Volume置於中間放大器之前方。

　　圖(十三)之NPN+PNP組成放大率為11倍之中間放大器,音質控制放大管則改用NPN+PNP組成,有深度之負回授,失真特低,輸出阻抗小。兩式之電源供給電壓都為25V。

　　圖(十四)所示為全FET之音質控制電路,為一近理想之電路結構。

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　　其中Q1、Q2係中間放大器,Q1擔任電壓放大,Q2則為降低輸出阻抗之用,R2、R5、C1、R1構成回輸電路,當輸入阻抗極低時,放大率為10倍,當輸入阻抗極高時放大率為5倍,Q1之I_DSS為180ua,其信號源阻約為50K~100K之間,一句2SK44當源阻於20K~500K之間雜音指數低於0.5dB,遠非一般之低雜音電晶體所能比擬,Q2則採用2N3565,因Q2為射極輸出式,故其輸出阻抗甚低。另一可貴之處是從Q1之輸入至Q2之輸出皆為直接交連。Q3、Q4則為音調控制放大電路,輸出阻抗很低。Treble、Bass之回授網路則與圖(一)相同。本電路適合高級大功率或低靈敏度後級之用。

　　前述之音調控制器所採用之可變電位器都採用B型,皆為100KΩ,音量控制器都採用A型。

CR衰減型

　　至於CR衰減型較少採用。圖(十五)所示為一TPA-2501之全圖,本省電料行出售之套件很多沿用這一電路。

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　　圖中"Treble"部份,如圖(十六)所示之電路。C5為0.0022uf之小容量對低頻之容抗甚大,幾近開路;對高頻而言阻抗甚小。VR之可動點向上移至靠近C5之一邊時高頻輸出最強,倘VR之可動點移至C9一邊時則高頻之迴路變為先經100KΩ衰減後再被C9 0.022uf所傍路,高頻幾乎全無輸出。其中C5=C9。

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　　如圖(十七)所示為低音控制部份,其中R8、R10電阻器使"Bass"之可變電位器可動點改變時(以為低音調節)不致影響"Treble"。C8為0.1uf係將高頻短路,使本電路只能輸出低頻。當可動點移近C8時,低頻輸出強;當可動點移向R9時低頻弱,C7之0.1uf為通過中頻(1KHz之聲頻)使高、低音控制時不影響1KHz之輸出。

　　CR音質控制,因係純粹之衰減作用,不同於NFB型,使輸出信號有近20dB之衰減,故雜音較大,其特性曲線如圖(十八)所示。

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