自從音響技術第8期(已經7年了,好快!)刊出了Marshall Leach LOW TIM擴大機的自製文章後,就對這低TIM的線路著迷。不知為什麼,只覺得「她」很漂亮、很簡潔,從頭到尾、從上到下,非常對稱,一目了然。沒多久,整個LOW TIM都燒到腦中的ROM區裡去了,ROM?洗不掉的。一直到四年前,才排出線路板,也寫了一篇裝機報告。二年前Marshall Leach先生發表了250W的雙快槍後級線路(音響技術57、58期),從那時候就想把雙快槍裡面的好東西網LOW TIM塞。但想歸想,真正做起來還真累人,畫線路這種紙上作業是很快,而且可以讓人過乾癮,心裡可以夢遊串疊的低失真功力,可以想像超級伺服的±0.001V中點偏壓;但是要真正畫起PCB時,那真是頭大。這個線路比以前的LOW TIM線路大概複雜一倍,東西南北要連起來,小信號、大電流、地迴路都要考慮。然後又是一天捕魚,三天曬網。怎麼講呢?PCB前後花了40個工作小時,一天只能抽一小時來做,這樣子畫一天,停個兩天,等到畫好,四個月過去了。畫好以後,又是十次測試(一次不夠),十次改值,一直到最近才定型。定型後才開始找工廠洗PC板,整個過程可以說一拖再拖,不過還好,總算是「生」出來了。
為音響技術讀者服務
在說明線路前先要有個說明(導前補償??),解釋電路時不能把每一位讀者都當成新手,也無法把每一位讀者都當成老手(不然等一下裝的振盪又冒煙);較妥當的方式是以對正常的音響技術讀者的態度來說明。什麼叫正常呢?我想了想應該講「默契」或者說一些「共識」,比如一些專用語像Vp-p、RMS、S/N、SR等等,多少都知道一些,如此溝通才會得心應手。所以說明線路就以LOW TIM以後的開始,為什麼?因為LOW TIM線路在音響技術前後講了不下二十次,SF-106就是最明顯的一個。
如果讀者沒有印象,也應該可以從舊書中找到才對,假如真的找不到,那讀者也要認了,有可能某些讀者是真正新手,那就歡迎你加入音響自裝迷的行列,只要有開始,慢慢的就會越懂越多。事實上一個學習的階段跟過程都充滿了樂趣,端看個人的造化而已。另外也有可能讀者是屬於打游擊戰的,平常好像都不甘願買雜誌,除非認為值得他保存的才買,不然都是借書店的方便來吸收知識和技術。還好絕大部分的讀者都是把音響技術當作和糧食一樣的必需品,不然的話音響技術一定要賠老本。到時候就不是文化事業,而變成為國為民的事業了(犧牲也!)。
為什麼要講這麼多和線路說明無關的事情呢?因為上面的事情和現象關係到我寫製作報告的態度。世間並不全都是正性取向的人,也不全都是負性取向的人,但是有一點可以肯定的是:社會國家的進步與繁榮絕對都是正性取向那一群人的功勞。道理很簡單,我已經說過,如果音響技術的讀者都只看不買......,可見功勞都在那些買書的人,而不全是看書的人。
而個人認為自己的報告就是為那一群正性取向的音響技術讀者所寫的,也因此不敢馬虎,儘量交待清楚。為什麼?當顧客在書店翻書時,你不能把每個顧客看成「準」雅賊,你也不能把每位顧客都看成只看不買的人,因為這是對真正顧客的一種尊重,也是一種禮貌。同樣的,我的製作報告也是對各位正性取向讀者的尊重,同時也是個人對音響技術同好的一種回饋。
線路說明
整個線路結構如圖二,而圖一就是Marshall Leach的LOW TIM線路。圖二的電路比圖一多出來的有四個地方,就是一個差動級串疊電路、一個強放級串疊電路、一個超級伺服中點回授線路、一個輸出級保護電路。
整個線路從輸入到輸出都完全交連,不使用電容,用以保護輸入信號的完全再生,在最低及最高頻都不會有相位移失真;上下PNP、NPN全互補對稱線路看起來簡潔、清爽、漂亮(個人觀點)。
輸入級由Q1至Q6組成,Q1、Q2 NPN及Q4、Q5 PNP組成典型的互補差動放大。放大時,差動的射極電阻R6、R7、R8、R9組成差動放大的本級回授,這4個射極電阻對差動級的穩定很有關係,電阻越小放大率越大,但總回授的相位會提前,如此則容易振盪。電阻是越大越穩定。因此只能在穩定與放大率中取一妥協。
輸入級加上Q3、Q6的結果就變成所謂的串疊放大線路,串疊放大簡單的講,就是兩個晶體合併成一個理想的電晶體在用;從晶體掃描可以看出個大概,如照片一上為單晶體掃描曲線,每一條Ic電流會因VCE越大,Ic電流就越大。而理想電晶體的Ic電流在任何VCE電壓應該都一樣的。
照片二就是照片一的晶體加上串疊晶體,5V串疊偏壓的掃描情形。從照片二可以看出Ic的曲線變得很平。但同時振幅也少了5V(注意示波器的5V/div及掃描的起始位置)。如此的線路安排將可使失真降低十倍以上,另外也由於C、B極的電壓保持固定,因此C、B極的接面電容(Junction Capacitance)所需的充電最少,因而消除內部延遲電容的影響,使得頻帶寬度增加。
在圖二線路上,Q1 Q3、Q4 Q6、Q7 Q8與Q9 Q10就是接成串疊方式,負責整個放大器的電壓增益。R16、R29及R17、R30負責強放級Q7、Q10的本級回授,因此本線路的開環路增益達到60dB約1.000倍左右。
Q14、Q16、Q18及Q15、Q17、Q19各組成NPN、PNP全互補三級直接交連射極輸出,如此三級電流增益,將使前面的電壓增益不因負載問題而產生失真。R21、R22為輸出射極電阻,除了穩定靜態電流外,更在輸出短路時擔任了保護的功能。整個保護是由Q12、Q13、R23-26、D12-15組成。R21或R22電流加大時,江始Q12或Q13導通而使偏壓變小,因而使輸出電流降到零,而達到保護的目的。R23、R25及R24、R26的比例是配合輸出電壓來監視輸出電流,也就是說輸出電流大小的保護動作是配合輸出電壓的。D12~15是保護動作,對於感抗和容抗性的負載也能正確動作,同時也有增加導通速度的功能。
Q11、R27、R28、D11和C10負責靜態電流偏壓,D11為三個順向偏壓二極體,接在散熱片的地方,如此就有熱補償作用,使得靜態電流保持一定,不會因功率晶體越熱,靜電流也越大,而使功率晶體產生危險。
加入超級伺服迴路
最後就是超級伺服電路了,超級伺服的意思是說任何正負性的直流偏移都能立刻被糾正。IC1為雙OP放大器R31及C5、C4組成第一級米勒積分器,再經過第二級相位反轉器變成正向送到放大器的反向零電位。由於R31、C5的積分時間導數很長,因此對於AC信號不會干擾。另外VR1及R36、R38組成偏壓歸零線路。差動晶體Q1 Q2、Q4 Q5多少會有一些偏差電壓,由於VR1的調整將可使上面所講的零電位真正歸零。做到這種程度時,所有能干擾直流偏壓的只有溫度漂移的偏壓了。通常都是把差動晶體黏起來,或用DUAL電晶體,使差動熱平衡;而伺服的厲害就是這種差動晶體熱漂移照樣Servo。
那剛剛所講的溫度漂移又是哪裡呢?原來是IC1,所幸IC的溫度漂移都不高,以IC1來講約10uV/oC,也就是說溫度升高10oC的話,中點會漂移0.1mV,這種直流對喇叭來講,相信是有看沒有到。因此有了這超級伺服線路後,輸出端就永保零電位。
D2、D3各對地±0.7V供給VR1調中點電壓用。D1、D4為15V Zener二極體,供給IC1的正負15V電源及Q3、Q6的串疊偏壓。D7、D8及D9、D10供給Q8及Q9的串疊偏壓,裡面比較特殊的是D7、D10用LED。據我所知,沒有人用過LED在擴大機的PC板上,LED在PC板上亮亮的,很好看,好像有生命一樣。是不是噱頭?不是!用LED還是有根據的。在這裡LED的順向偏壓是兩伏特加上二極體就是2.7V了,不是可以用2.7V的Zener嗎?不錯,但是當我知道Zener的雜音是LED的四倍時,我寧願用LED!
另外比較醒目的是R42、R43用了兩個電感,本來是RC網路,改成LC網路,如此輸出功率可以較大,由於L電感的壓抗比R電阻小太多,而高頻濾波效果又好,因此就用電感了。以上如果還有沒說明到的,大概就要自己想了。
裝配說明
個人認為喜歡看音響技術雜誌的讀者大部分都是喜歡自己裝的人,而裡面又可以分成標準型和懶惰型的,標準型的比較慎重,文章、線路、零件、PC板的銅箔都會注意。而懶惰型的通常只要看到零件表、線路圖,以及最重要的PC板後(當然如果有零件位置圖的話更高興),就動手裝起來,至於作者所寫的說明甚至裝配事項都不去看,一下子全部插滿、焊好,然後等到開始發燙或冒煙時才會去看。因為裝機的對象如此多種不同個性,所以這個擴大機套件推出時就分成三種包裝:第一種就是標準裝好的套件成品,第二種就是完全套件、從螺絲、散熱油到PC板、散熱片都有,大約一百種零件,可以裝得很過癮,也可能裝得很累。第三種非常簡單,就是PC板一片。第三種是配合不願意買完全套件的人,通常他們不是要求零件要用更好的。有了三種不同的套件應該可以滿足不同層面的自己裝迷才對。
裝配說明以第二種完全套件為主。完全套件每聲道共有6樣:PC板、散熱片、及四包零件包,表一至表四就是四包零件的清單,每包打開後要和零件表對一下。開始以裝PC板上的零件為主,先從最矮的零件開始比較好裝。
主PC板是鍍金雙面貫孔,每個孔徑都正確,不會有零件插不下去的問題。上下都有防焊膜,上面有背紋即零件位置圖。個人對這片PC板很自豪,整個PC板只有一點錯誤,就是R31印成R32,算是小缺點。
一開始先插最低的1N4148共6支,另外有2支是D8及D9先不要插。1N4148玻璃上的黑線(或紅線)即是零件位置圖上箭頭前的橫線;再來就是D1、D4兩個15V Zener,要漂亮的話,腳要梁PC板上的腳距再折好,Mark向上比較好看。焊接時可以先把硬板或厚書壓在PC板上再反過來焊,這樣每個零件才會整齊貼近PC板,這樣子會比用底部折腳的方法更漂亮。
8個二極體焊好後再插所有的¼W電阻,給你的電阻都已經用機器折腳剪腳好了,腳長只有10mm,全部插好來焊也不會困難。電阻的阻值全部用96系列碼,最前的三色是有效數字,第4色是10的指數,參考表一你可以看到阻值後面都有寫出色碼顏色,比較好找。例如R38為2.43KΩ,則顏色為紅黃橙棕棕,最後一條比較遠,表示誤差加減百分之一以內。使用精密金屬膜電阻的目的主要不是誤差的大小,而是金屬膜電阻的穩定特性及低雜音特性。給你的電阻裡有的第5條顏色不是棕色而是綠色,則表示誤差是0.5%。另外有幾支電阻可能沒折腳,那是120W、80W、50W不同的電壓而有不同的阻值,因為量少不能叫工廠折,只好你自己折。
再來插½W電阻5支及D14、D15的1N4933高速二極體,及IC1全部要折腳,1N4933的Mark向上比較好看。文章推出的同時應該會有放大的正面PC板照片,如果有的話就請看著插,更不會出錯。再來插R14、R15的1W電阻及C15、C18小電容。焊好後再來插所有0.1uF的電容,有兩種顏色,其中C23要注意,如果最後必須做好頻率測試的話,就先不要插,不然測試時還要再拿起來。因為不拿起來會使R41電阻發熱(當測到高頻時)。
再來插所有小黃豆晶體13粒,每個晶體位置圖都有方向不要插錯。Q7、Q8、Q9、Q10、Q14、Q15都是用顏色來表示,不要看錯。所有上了顏色的晶體都是經過測試,以保證整個線路維持在一定的水準以上。如果是自己買零件的人可以參考表四的晶體同級品,一樣可以裝的出來。
Q16、Q17為TO-5型加散熱片的晶體,靠近射極腳邊有個突出的地方要和PC板配合好,這樣C、B、E的接腳才對。最後除了要測高頻,C1、C23不插外,其它PC板上的零件都可以焊上,6個電解電容要注意極性。D7、D8兩個LED的方向要注意,外型和位置圖的外型一樣就對了(有一邊較平)。但焊LED時動作要快,因為LED怕熱不能焊太久,留在最後焊比較安全。D8、D9本來是畫LED用,但必須用1N4148。D8、D9的位置可以看到方型銅箔的,就是二極體畫橫線的方向,然後用立式的插入法。R41折好直接焊,R40就不是了,R40要先放在L1輸出電感內再折腳,連L1共4支腳一起插下去才容易。
信號輸入端及D11各焊一個2P的鍍金端子,信號端子從上插,D11的端子從下插。大型圓端子共有15支,P1、P2、P3用了3支,剩下兩組上6支下6支。上面的6支就是SP+、SP-的那一組。先把每一支插在6P排線的插頭裡,插整齊,再插入PC板來焊。另外反方向的一組(插功率晶體的)也是一樣,如果一支一支焊的話,會不整齊,到時候排線頭就不好插了。R42、R43為兩個圓圈圈的電感,腳距比PC板上的小,所以要斜插好再焊,不要橫插(和R42、R43的位置垂直),如照片上斜斜的,比較好看。以上所講的就是PC板上所有焊接。
功率晶體不易接錯
主PC板焊好後,就只剩下功率晶體了。功率晶體是TO-3的外型,還沒鎖功率晶體前可以看到電晶體底部各印了B、E兩字,就是B腳和E腳。鎖上去以後就看不到了,因此要記清楚。以6P端子線頭來講,離其它5支較遠的那支為開始算的話,則是NPN電晶體的C、B、E,然後PNP電晶體的E、B、C腳。兩個功率晶體的C腳要先用螺絲鎖起來,然後把電線的線頭塑膠皮脫掉一些,約7mm,就是和本來已經脫好一樣的長度。本來的7mm已經上錫,可以用尖嘴鉗彎成圓圈型,再用螺絲鎖上,由於上錫所以線頭不怕散掉。
散熱片上除了所功率晶體外,還有一個D11,就是熱補償晶體。給你的D11已經焊好,就是用中功率晶體的B、E腳接一個雙順向二極體,兩頭再用線引出。D11必須鎖在功率晶體的螺絲上。本來已經鎖螺絲了,先放上中功率圓形雲母片,再放D11,有Mark的那一面向上,再放一個圓墊片,再用螺母鎖上,如此整個散熱片就完成了。完成後就把6P的功率晶體線頭差到PC板的底部,反方向一定插不進去,所以不必怕。至於D11的線頭就要注意了,兩條線內一定很明顯的一條亮一條暗,給你的可能是紅、黑組或白、黑組。較暗的線是向P3方向的,較亮的線是靠近P2的。這個地方如果插錯,等下試靜電流時會變的很大。插好後再用4組銅管、螺絲把PC板固定在散熱片上,如此整個就完成。
測試時,電源有兩條G都要接電源地(最邊的G用單線),為了保險起見,接正負電源時,在正負電源兩端串接上1W/10Ω的限流電阻(零件包有附)再接上擴大機。這時1W/10Ω兩端的電壓約0.3V左右,過一陣子會慢慢上升到大約0.5V左右,這時靜電流差不多就平衡了。因為給的是精密電阻,因此靜電流不會偏太多,從0.4V到0.7V都正常,再大的話就要檢查一下了。開機的同時可以看到D7、D10的LED都亮著,如果有不亮的、或亮的不平均都不太對,也要檢查。
以上正常後就只要調半固定電阻就好了,調電阻時必須利用三用電表或數字電表,兩端接在SP+及SP-。用數位固定電表應該可以調到正負0.001V以下,當然由於半固定電阻不是10圈的,要慢慢的調才能達到0.001V以下。
頻率響應極寬廣
本機50W時,變壓器的AC電壓要27V左右,因為有串疊電壓存在,27V的AC電壓才能使滿輸出達到8Ω/20V RMS。用儀器測試時,有兩種情形:一種是C1、C23不加上專測高頻的,一種是全加上測標準頻率的。所謂高頻就是測擴大機最高的頻率響應,如果讀者有正弦波信號產生器的話,大概也測不到這擴大機的負3dB衰減點。如果你量到負3dB的頻率,我敢講那是你信號產生器本身衰減的。是不是這樣也很容易知道,如果用雙線示波器的話,你將看到兩個信號同時衰減,輸出信號對輸入信號來講,放大比例幾乎沒變,可見頻率根本沒有衰減。當然以上是以標準型的信號產生器來講的,也就是說1MHz以下的儀器,如果是5MHz的儀器就可以看到衰減了,實際上本擴大機的頻率響應是2Hz到2MHz,只是2Hz和2MHz這種頻率一般的信號產生器都產生不出來,因此不容易測。
當然有人會懷疑既然2Hz和2MHz不容易測,那麼是怎麼知道的?很簡單,用看的,看示波器也。前面講過用雙線示波器來對比,找2Hz到2MHz頻率都不衰減的是有點困難,但找哪一種振盪的出來但衰減3dB、6dB、9dB的比較容易,然後看波形的P-P電壓來換算負3dB的頻率響應。實際上也沒辦法量,2Hz時指針「跳舞」跳的很厲害,2MHz時你也不敢相信這個衰減是AC毫伏表的或是輸出信號的,所以用看的最準,示波器隨便都是DC到10MHz,0.707的-3dB比例很容易量出來。
頻率雖然高到2MHz,但最大信號輸出卻無法到2MHz。為什麼?原因是因為迴轉率SR的關係。假如1MHz、20V RMS輸出的話,SR是多少呢?SR=2πfVp,Vp是峯值電壓,20V RMS時是28V,因此2xπx28V=176V/uS(因為uS和MHz對消)。此表示擴大機的迴轉率要有176V/uS才可能輸出1MHz、20V RMS的電壓,本擴大機裝好後的SR應該是100V/uS,也算非常的高了,換算頻率是560KHz,也就是說最大只能輸出20V RMS到500KHz左右。請注意我一再的用20V RMS而不用50W RMS,並不是WRMS的用法不妥當不用,而是真的不能寫50W,因為實在是真的無法輸出50W的500KHz!為什麼?很簡單,功率晶體會燒掉!如果加8Ω負載的話,眼睛要睜亮一點,看緊電流表,300KHz以上就很危險了。
要燒晶體方法簡單
本擴大機迴轉率最大可以達到250V/uS,很簡單,只要把C8、C9旁路電容拿掉就好了。當然這是以完全零件包測試過的零件為主,如果自己買電晶體裝很可能C8、C9不能拿掉外,還必須加大。一般大到50pF時再怎麼破的晶體也應該不會振盪才對。不過這時候,SR及頻率多已經打了好幾折了。
250V/uS是很吸引人的數據,不過並不實用,上面不是說過1MHz、20V RMS的SR才176V/uS嗎?你就不接負載加到1MHz看看,不要30秒你的功率晶體就燒掉了!250V/uS還可以到2.5MHz呢!如果沒有燒掉也不必高興,那是因為你的破信號產生器本身輸出在高頻就慢慢降,剛好降離了高頻的危險功率區,不是滿輸出就不會燒了。而這種衰減正是低TIM理論所需要的,250uS雖然好,但500KHz、100V/uS的安全限度卻是比較恰當的。再來500KHz,很好看,但50W來講時,200KHz是比較恰當的。因此C1、C23加上去後就變成2Hz到200KHz了。
本擴大機的地迴路是照接地理論的,輸入端的地和輸出端的地分開,所以板子上才會看到兩個G。最邊邊的G和P1點是一樣的,給你的線裡有一條單線就是插這輸入端的地用的。其它5條1排的色線就是正負電源、喇叭輸出和地。最理想的SP-應該接電源的零電位,但這樣整個SP-點就會在PC板上消失了。如此有人就比較不會接線了,因此SP-在G旁邊,效果並沒有影響而且又比較好配線。另外P2、P3是讓要求更高的人用的,P2、P3供給小信號電源,可以避免後級放大電流的干擾,同時加大效率(P2用電少沒有壓降,加穩壓更好),這樣改時R42、R43要拿掉。
功夫不夠請勿動手
以上林林總總,算是講完了,不過裝的好不好還要看各位的能耐。整個加強型LOW TIM線路,實際上只是個標準,或者說典型,並沒有「絕對這個樣子」最好。好可以更好,更好還可以再更好,問題是這樣子的話永遠就在實驗桌上忙得團團轉,而沒有推出的一天了。這線路只是個人在某一階段的成果和表現,就像唐凌先生講的Monitor程式寫的差不多就可以了,再來是要利用Monitor程式來加強功能,不是一直在改Monitor。同樣的加強型LOW TIM很多地方可以讓你再加強,例如上面講的強放級部分用穩壓就是一例,但這種有個性的加強只能讓那些有個性的人自己來。線路越強越好,不過會裝的人會越少,因此在這線路上算是一種折衷。
回頭看自己寫的東西,並不是很通順。譬如有的地方叫人家插零件,後面才說如果要怎樣的話可以不插;而很可能急性子的朋友早就插好焊好了,看到我寫不用插時已經太慢了;如果真的如此,請見諒。至於有興趣裝的朋友請參考樂音堂的廣告,尤其那些只想買PC板的朋友,可能看了價錢後,興趣減半也說不定。不過這片PC板樂音堂已經申請線路板外型註冊登記,實際上在這以前,文聲、瑞豐早就註冊好幾樣去了。個人覺得註冊登記是好的制度,這樣子才可以鼓勵好東西發表出來,而不會都放在實驗上少數人欣賞。當然讀者們最希望的是那種「為國為民」的廠家,問題是有這種能力的廠家畢竟很少,除了音技和笙隆外,我不知道還有誰。個人只覺得自己經營音響的態度是問心無愧,也因此當激起讀者的興趣,而價錢又讓你沒興趣的話,也請見諒。
轉載音響技術第93期SEP. 1983 加強型50W超低TIM放大器/呂慶祥
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