一部絕高設計水準的前置擴大機 @ 老音響資料庫/蘇桑部落格

　　在整個音頻信號放大系統中,Phono前置放大器可以說扮演著最重要的角色。它必須把只有幾毫伏特的Phono唱頭信號放大到二、三伏,以便足夠推動後級功率放大器。另外它必須把頻率從20Hz至20KHz,而其間信號強度相差40dB得非等化響應加以修正。同時它要能夠適應Phono唱頭的輸出阻抗變化特性,而其阻抗的變化在整個音頻範圍內將達到60比1的變化率。尤其重要的是它要保持最小量的電子雜音,及良好的高頻瞬時過荷特性,因為信號在進入前置放大器以前,是先經過RIAA等化錄音的處理,然後以定速度反應特性刻錄。到最後磁性播放唱頭以速度響應(time derivative response)的特性播放出來。由於以上三個程序的組合使拾取出來的信號,在20Hz時的電平會比20Hz時電壓大一百倍。而同時唱片的ticks和pops雜音也同樣的受到播放唱頭的拾取,因此當和高頻互相調制時如果剛好同相,則其振幅將大大的超過正常的信號電平。也因此希望瞬時互調失真及迴轉率(slew-rate)失真能盡量減小時,則前置放大的高頻過荷特性將變得很重要。

　　作者本身對RIAA前置放大器的設計構想可以從這篇文章裡看到。它利用分離式的機箱,使電源變壓器和前置放大器隔離,因此從電源變壓器所感應的磁露及哼聲將減至最小的程度。這部前置放大器的SMPT互調失真在1V rms時是0.004%,而當以10mV為輸入參考電平,在1KHz時其A-weighted的雜音訊號比是84dB,而且如果在線路的輸入級使用低雜音的金屬皮膜電阻時,它的雜音訊號比將達到更好的數值。在前置等化放大器之後為一輸出線路,它具有10dB的增益以使後級功率放大器能有滿功率輸出的能力,同時它還具有一Butterworth-aligned高通濾波電路,它的作用是用來阻止次音頻(subsonic)及低於15Hz得超低音成份。而這些不必要的超低音頻常常來自如唱片的凸翹,唱片孔偏心,唱盤的嗚聲及顫抖,喇叭箱的聲回饋等因素,尤其開口式(Ventebox)喇叭箱用高順應性喇叭單體時。如果遇到次音頻信號則很容易造成振幅過載失真。而當把這些不必要的信號濾除時,喇叭的特性將有顯著的改善。同時它還可使喇叭避免受到意外的損害,例如唱頭不小心掉到唱片上或者FM調諧器在選台時,急速轉動選台鈕等等都會造成強烈的瞬間信號,而使喇叭本體受到損害。

　　另外本機設有一中間聲道放大電路可供選擇,以便能用以推動前中聲道功率放大器及喇叭。這種三聲道系統在很早就由Paul W Klipsch所提倡過,認為是最接近真正聲音的重現。這個線路是簡單而隨時可加到前置放大器上的。

　線路說明　

　　圖一為磁唱頭均衡等化線路及高通濾波放大線路。磁唱頭等化部份是由Q1至Q6的電晶體所組成的。Q1及Q2形成一差動放大輸入級,這種差動放大形式是在一九七二年時由Meyer提出,拿來運用在前置放大器的輸入級的,而最近Holman又在刊物上再度的提出。Q1及Q2的偏壓電流是由R6所供給,每邊的靜電流為50uA。雖然電流量極其微小但整個前置放大器的雜音訊號比就是受輸入級的雜音所決定,而輸入級雜音的大小就是來自兩個電晶體靜電流的大小,穩定和平衡的保持。藉著測微計的幫助,圖一的元件及數值都是已經經過選擇的,以保證Q1及Q2能具有穩定而平衡的靜電流。信號從輸入差動放大級後就再進入由Q3及Q4所組成的第二組差動放大,形成二次電壓增益級,其中最重要的是它能夠把從輸入級的R6電阻電組所產生的熱雜音(thermal noise)對消掉,使得任何共通型(Common-mode)雜音消在Q3及Q4的差動放大中。從Q3和Q4輸出的信號再接至由Q5及Q6組成的推挽式A類輸出級,在輸出級中負責供給等化回授網路及後級輸出所需的電流增益。因為Q5和Q6是屬於真正A類放大動作的,因此不會像互補對稱輸出級那樣的複雜。

　　負回授網路是由C2到C4的電容及R7到R9的電阻所組成的。其電阻及電容的數值是已經經過選定,在20Hz時,放大器的開路增益能夠達到80dB以上,而在閉路增益時,則限制在60dB,此表示在閉路增益時,20Hz能有20dB以上的負回授,使得信號的失真減少到最小。另外C2 100uF的電解電容也是經過計算的,使得在負3dB時的低頻截止點在1Hz。另外,如果電路不經過10dB增益的輸出放大級時,最好把C3換成5uF的數值,以使一些不必要的次音頻信號排斥掉。而做如此改變時,負3dB的低頻截止點將上升至8Hz。

　　RIAA的均衡等化時間常數是授R8 R9 C3和C4所控制的。通常前置放大器的開路增益大小和頻帶的寬廣也會影響到RIAA的均衡作用。因此元件的數值並不能只用計算的方法來求得,而都必須再經過實驗才能得到最適當的數值。通常較實際的方法是假設網路是在具有無限開路增益及無限頻帶寬度還有零輸出阻抗的理想情形下來計算,求出數值,然後再加以實驗,修正數值,使達到最適宜的條件。而本電路是藉助由Audio Research所推薦的反RIAA等化器的幫助,使得數值得修正更為容易。其過程是先用General Radio的粉紅色噪音產生器產生信號再經過反RIAA等化器後進入前置放大器,其輸出再由Hewlett-Packard的real time spectrum analyzer所鑑聽。這時等化網路的元件就可以很容易的修正,而得到最平直的等化特性。另外用各種方波信號輸入反RIAA等化器在進入這前置等化器時,由儀器鑑聽其輸出的方波則可得知前置放大器的高頻瞬時響應的特性。經過測試的結果,這前置放大器在正常輸入時,是絕對的具有足夠的高頻過荷的特性。在前置放大的輸出級能夠輸出峯對峯40V的信號強度(即14V,rms),頻率則可達到120KHz。同時它具有上下對稱的過荷特性。即在高頻信號削平邊際是同時切割的,此表示它的輸入過何能力已經是這固定電源電壓限制條件的最大表現了。

　　Q7及Q8組成高通濾波放大輸出級。其輸入信號的大小受R17的可變電位器所控制。整個電路的增益是由R25及R26所決定。在輸入端設有一有源式濾波的線路,使得20Hz以上的頻率線性而不授影響,而以下的頻率是以每倍頻12dB衰減的。此時它的負3dB轉換點是在14Hz。其濾波特性是由C6 C7 R18 R19所控制,其數值最好不要改變。另外C9的通導補償電容及R21 R22 C8形成的低通濾波互相結合而用以抑制任何瞬時互調失真和轉動率(slew rate)失真。圖一中S1為Function選鈕,用以選擇Fm tuner,Aux,Phono等不同的信號源。而S2為錄音鑑聽開關,用以選擇來源(source)或者鑑聽(monitor)。R17為20KΩ雙連可變電阻器,用以調整音量的大小。E及F還有6等三點是接到可選擇的旋鈕上以提供中聲道正負電源及信號源的。

　　圖二為整個電源供給線路圖,其,線路是分成兩部份因此電源變壓器的磁漏及哼聲將不可能被前置放大器所感應,唯一的可能是輸入信號線或輸出信號線形成了地線迴路而拾取到哼聲。圖中R31到R34的電阻是作為穩壓二極體(Zener Diode)的降壓及保護用的。R31和R33的阻值是390歐姆,其A,B點正負電源剛好供給前置放大器。R33和R34的阻值是270歐姆,期CD點正負電源剛好供給高通濾波輸出級,如果連中聲道線路也要供給時,則R32和R34的電阻要換成200歐姆。

　　圖三為可選擇的中聲道線路。其增益將是負6dB,即輸出電平只有輸入的一半。但如此才能使兩聲道同時輸入時保持0dB的增益。而這時中聲道的特性就是matrix quadraphonic系統的中前聲道,如果左右聲道輸入時相位相差180度,則將成為中後聲道。另外中聲道可加裝一個20K歐姆的可變電阻以控制輸入信號的大小。如果中聲道後級功率放大器及喇叭和左右聲道一樣時,或者中聲道後級功率放大器自己有輸入電平控制時,則可不必裝電位器。

　製作細節　

　　整部前置放大器共排成三塊三吋見方的印刷板,一塊是前置等化線路板,一塊是高通濾波輸出線路板,另一塊是中聲道線路板。圖四為這三塊印刷線路板的底視原寸圖,因為是原寸所以製作時可直接翻製。

圖五為三塊印刷線路板的頂視圖,它的零件說明及位置可以說都已經表示得很清楚了。

讀者裝置時將不會有太大的困難。對於電晶體,其插腳最好不要超過印刷線路板四分之一吋以上,以免在焊接時導致大量的熱傳輸而損害到電晶體。另外,對於電晶體的接腳,電解電容的極性,二極體的極性等,都必須預先檢查校對,否則全機裝好後開關一開,將會發生一些您預料之外的事情。當所有的元件焊接好了後,接著就是焊接印刷板的輸入輸出信號線及正負電源導線。其信號線必須是隔離線,使微小的信號不致於受到干擾而產生雜音。正負電源導線則用22號電線即可。整個配線及街地必須如圖一及圖三所示,以免構成地線迴路。由圖中顯示,真正接機殼的是2,3,4,5,7及R17六個地方,也就是調頻輸入;輔助輸入,錄音輸出,錄音鑑聽輸入等四個梅花接座地端,另外後級輸出的梅花接座地端還有R17可變電位器的地端等,其接機殼的方法是以一接線墊片用螺絲,螺絲帽及彈簧墊片把它鎖緊在靠近底板梅花型輸入接座的地方。然後用導線從這公共地點連接致各接地點。從圖中我們可以看到接到2、3、4、5梅花型輸出座的隔離線的地線是和輸出座的地端相接的,而在隔離線的另一端卻是空置的。另外R17可變電位器中點所接的隔離線的地線也是接地端,然後在高通濾波輸出印刷板那邊把隔離線的地線空置,不必接印刷板的地點。圖中7的輸出點的地端直接接至公共地點而不要和信號線的地線相接。至於其他的地線則都直接接到印刷板的地點,如R1的接地點接磁唱頭隔離線的地線,R25的接地點接輸出隔離線而在另外一端空置,R27的接地點接後級輸出線及中聲道輸出線的地線。另外機箱必須自行鑽孔以供選擇開關、音量開官、錄音鑑聽開關、正負電源輸入插座、梅花型輸入插座、印刷線路板固定用孔等。線路板的固定是先把¾吋長4~40規格的螺絲用4號螺絲帽固定在底板上,然後再上一個螺絲帽作為放置印刷板的墊子,最後再上一個螺絲帽把印刷板固定在中間。前置等化印刷板的位置最好靠近Phono輸入端,使信號線保持最短。同時它的地線只能接到印刷板,不能接機殼。和接隔離線時,最好先焊信號線再焊地線,如果先焊地線,再焊信號線時,常會使信號線的絕緣橡膠融解而導致短路。

如圖六所有的信號線及電源線都用夾線塑膠條綁起來,避免散置在印刷線路板的周圍。另外必須取¼吋乘½吋見方而厚度有¹⁄₁₆吋的鋁板當作散熱片,用少量的黏劑把它黏在Q8和Q10電晶體的平面地方。當沒有散熱片時Q8和Q10本體能有180mW的散熱能力,加上散熱片則可有310mW的散熱能力。無論如何,這種裝置是值得的,它能增加前置放大器的可靠性,尤其在靠近發熱的機器旁操作時。

　　圖二電源供給線路圖中的元件並不是都放置在電源供給機箱的。後半部的元件已經排到前置等化線路板及高通濾波輸出線路板上了。其連接是利用兩個立體耳機插頭及6呎長的三軸電線來完成的,立體耳機插頭有三段接點剛好配合正負電源及地點。在電源供給機箱及前置放大機箱各有一個立體耳機插座,以作為正負電源的連接之用。在前置放大機箱中的立體耳機插座的地端必須接一條線至公共地點,然後在接三條電源線至每片印刷板上。

　檢查及開機過程　

　　在電源開關未打開之前必須先把元件及配線檢查一下,看看二極體及電解電容的極性是否相反了?電晶體的接腳是否有接錯?公共地點的接觸是否良好(尤其底盤表面有經漆處理過時),焊接點是否有虛焊?是否有短路等等。當所有的配線檢查無誤後,再來就是打開電源開關。但在打開開關前必須先把前置放大機箱那端的正負電源插頭拔起來,使正負電源不要進入前置放大級。當打開AC電源開關後就開始用三用表量取C11至C14等四個濾波電容的電壓,這時因沒有負載所以它們的電壓應該在42V左右。當電壓正常後,再量取要接在前置放大正負電源插座的耳機插頭的電壓,看正負及地點的位置是否正確。當檢查好了後,把AC電源關掉,再把正負電源的插頭插入前置放大器的耳機型電源插座中。在插入的瞬間可能會有少許的火花,那是因為插頭碰到插座而瞬間短路使濾波電容放電的結果。當正負電源線接好了後就可再打開AC電源開關,如果此時R29及R30會發熱而冒煙,則表示插頭沒完全插入或有短路現象。假如一切正常則C15到C18的電壓應該是24V,而C12及C14的電壓應該是31V到32V左右。假如不是,則R29和R30的阻值必須作適當的修正,如電壓過大則加大阻值,電壓過小則減少阻值。接下來就是量取C5和R13及C10和R25還有C21和R42等三個接點對地的電壓。其電壓必須小於一伏特,如果不是時,則表示線路板上的元件有錯誤。

　　當把其他的音響組件連接到這前置放大器的輸入端及輸出端時,必須把每個AC電源關掉,以免造成意外的損失。另外唱盤有一條接地線必須接到前置放大的公共點,用螺絲帽鎖緊。當要開機時,必須前置放大器先開,再開後級功率放大器,這樣開機的瞬間才不會有哼聲產生。另外一個要注意的地方是不要在後級功率放大器開機的情況下把信號信號輸入線插入或者拔起來,因為如此將會使喇叭受到瞬間的大信號所衝擊。Happy listening !