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  脈寬調變擴大機,或稱為D類擴大機,是所有高效率擴大機之王。B類擴大機在最大額定輸出時可以擁有70%的效率,但在一般程度的音樂欣賞時,平均效率卻只有20%左右。圖一表示B類擴大機的效率圖,由此可知當一部100W的擴大機當輸出10W時,電源必須供應50W的電力,也就是有40W的熱量被電晶體消耗掉,這多沒效率啊!而G類和H類的發展,也的確提高不少效率,但是這些若和D類比起來,恐怕是小巫見大巫,一部設計良好的D類擴大機,其效率可高達90%以上。

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  有關脈寬調變(Pulse-Width Modulation簡稱PWM)擴大機的理論,早在1960年就在音響文獻中提出,但一直未受到重視,直到1977年日本SONY公司推出第一部PWM擴大機,使用獨特的開關式電源(switching power supply),使得重量和體積在同功率擴大機的以下,效率更在80%以上。圖二就是SONY的PWM擴大機的結構方塊圖,使用縱型FET(VFET)的原因是舊日的電晶體開關速度不夠快的關係,並且電晶體的儲存時間(Storage time)太長,在工作於高頻時會大量發熱而導致效率降低。

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  圖三就是PWM擴大機的原理圖,首先由方波產生器振盪出載波頻率,再經積分器分成三角波,然後與音樂訊號混合,再經高增益飽和放大器放大。在這裡,電晶體的工作方式與傳統不同,不是飽和,就是截止,電晶體的作用像一高速開關一樣。而電晶體在飽和時,VCE值很低,所以只消耗很小的功率,電晶體在截止時,電流幾乎為零,也只消耗很小的功率。經過飽和放大器後,輸出就是PWM訊號了,再經過低通濾波器解調,就得到原來的放大訊號,接上喇叭就可以聽到放大了的聲音。但由於濾波器的限制,使得還原後的音樂訊號仍含有高頻成分,本來這些高頻是聽不到的,但若和音樂形成差拍而落在音頻範圍內,則仍能被人耳聽到。

  基於這個理由,載波的頻率必需要在40KHz以上,如果要再進一步考慮失真度,那麼載波頻率至少要20KHz的10倍以上,像SONY的PWM擴大機,載波頻率高達500KHz,與其說它是一台音頻擴大機,倒不如說是AM廣播台。事實上,一方波包含的泛音往往在10倍以上,500KHz的10倍就是5MHz,莫怪乎普通功率晶體無法勝任(當然RET是毫無問題),而PWM擴大機的技術瓶頸,也就在於如何提高載波頻率以降低失真度,又得限制高頻輻射。

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  另一種產生PWM的方法是將三角波和音樂訊號同時輸入比較器中,如圖四所示,而比較器的輸出,就是PWM了。五年前交大王建勳同學一篇有關Hi-Fi脈寬調變擴大機的碩士論文,就是用這個方法。原文採用石英振盪器,產生載波的頻率高達570KHz,電路相當複雜,而我這次試製,則是一個很簡單的線路,絕大多數的音響技術讀者,都可以動手仿製,以了解D類擴大機的原理及性能。

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  試製的線路如圖五所示,原理大致如下:IC1為一方波振盪器,頻率由R1 R2及C2決定,公式如下:

f=1.44/[(R1+2R2)C2]。

  但由555產生的方波,其上下寬度並不一樣,下半波寬度為:T1=0.693(R1+R2)C2;上半波之寬度為:T2=0.693R2C2。

  

  由此可知除非R1=0,否則T1不會等於T2,但受到555本身設計的限制,R1不能為零。因此我們將IC1的輸出經過C3 C4微分,微分後的波形如圖六(b)所示,此脈衝波輸入IC2的第2隻腳。IC2是一頻率調變的單穩多諧振盪器,每當第2隻腳有負向脈衝進來時,就會觸發IC2在第3腳輸出一方波,方波的寬度由R5 C4決定,因此調整R5就可使方波上下的寬度相同,此時第5腳若有訊號進來,IC2輸出的方波寬度就受到調制,而成為PWM輸出了。但第5腳的輸入電壓必須高於Vcc,IC2才能受頻率調制,所以R7 R8 R9把第5腳的電壓固定在3.3V,只要輸入訊號的峯值電壓(VP)不高於1.3V,IC2都能正常工作,因此一般的前置放大輸出都是以驅動IC2。

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  Q1為一驅動晶體,用來驅動Q2 Q3作on或off,C7為加速電容,用來加速放掉Q1的儲存電荷;回授路徑經由C13 R8交連至IC2的第5腳,C12為隔離電容,將輸出端的直流與喇叭隔離。在輸出與喇叭之間,串一LC組成的低通濾波器,用來濾除載波信號,此為三階濾波器。由於載波頻率約在45KHz,因此濾波器的交越頻率選在20KHz,以期對載波能有20dB的衰減率,濾波器的公式為:L1=3R/4πf=95uH,L2=R/4πf=31uH,C14=2/3πRf=1.3uf。

  IC3為附加的電路,為麥克風的前置放大電路,使得這部小機器能變成迷你喊話器之用。

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  圖七為PCB的圖案,您可以用乾式影印機將之印於透明膠片上或描圖紙上,再以感光PCB輕易仿製。

  製作上大致沒什麼困難,PCB洗好後,零件買齊就往上插,最主要Q1 Q2 Q3儘量找fr高的電晶體,我在試製時Q1用2SC1384,Q2用2SD760,Q3用2SB720;Q2 Q3的發熱很少,用小型的U型散熱片就足夠了。另外D2 D3可以省略,品質不好的1N4002速度往往不夠。

  在接喇叭之前,先用三用電表測量Q2 Q3的射極電壓,調整R5使這點電壓為電源之半,或是用示波器觀察IC2的輸出,調整R5至上下半波對稱為止。

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  調整好後就可以接上喇叭試聽,並記著要串入濾波器,實際聆賞時,總覺高音很不美妙,有吵雜的現象,離Hi-Fi還有一段距離。這是意料中事,因為在作正弦波觀測時就發現弦波頂端有變尖的現象,可能是載波頻率太低的關係,如果您願意,可以提高載波頻率,將C2 C4的值降為一半,可以有100KHz的調變頻率,只是須注意100KHz的高頻,有輻射出去的可能。

  接線務必短,且須用金屬機箱隔離,在原理上,載波在200KHz以上失真度就能被人接納,像SONY的TA-N88,載波高達500KHz,失真度在0.2%左右算是相當優秀,當然當您想到一般Hi-Fi用的喇叭失真度都超過3%時,似乎就不必要太斤斤計較擴大機產生多少失真。不管怎麼說,PWM擴大機總是值得好好研究,至少在PA廣播工程上是很理想的,PWM擴大機在高功率場合,不但節省巨大散熱片和變壓器,又擁有很高的效率,和容忍長時間的工作。

  在音響技術中,很少見到女孩子發表文章,記得幾年前,有一篇「一個學電的女孩」,大概是缺乏鼓勵的關係,人家說女孩子總是盡量討大家的喜歡,而我卻做了一個不易被大家接受的擴大機,還望有心人能繼續研究下去,更希望諸位先生前輩能加以關切指點。

轉載音響技術第93期SEP 1983 玉手纖纖 裝一台PWM後級放大器/林文娟

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