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  一般功率擴大器的額定效率和其在音樂訊號下工作時的效率往往差很大,縱然Class-A有50%,Class-B有78%的額定輸出效率,但在音樂訊號下,可能不到10%,甚至以下。已經知道的解決方式有多種,如G類、D類和H類等。這次本人作這次實驗目的,主要是看一看H類是否有可行性,能否應用在實際的環境中。

  Class-H的工作方式是這樣的:當AMP的輸出訊號在低幅度時,用一個較低的電源電壓作供電源,當訊號增強到某值以上時,用較高的電源接替之,因為有了兩個不同的電壓,所以AMP自身消耗便減少了,讓我們看看以下的推導。

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本機工作特點

  我們看圖3,這就是本機的工作方塊圖,AMP的最後一對電晶體個接一個開關電晶體,如Q15接Tr1、Q14接Tr2當處於無output時,Tr1和Tr2都是不通的,到需要的時候才接通,這樣Q14和Q15的C極電壓才會改變。比較器作用是比較由O點輸入的電壓及由取樣電壓(sample voltage)Vs之差,利用其控制Q15和Q14的接連電晶體Tr1及Tr2。電源有兩組,一組高VH,一組低VL

  現在假設有一sinwave輸入O點(我們先設為正電位先,負電位也是同理可推之。),比較器接到這訊號,它便不停和Vs1比較,若電壓未到觸發點(threshold point),它便不發出訊號給Tr1。當上升到觸發點後,比較器便命令Tr1接通,這時Q15的電壓便上升,由VL升到VH,這樣V output便可以繼續上升,到大過VL也不怕cut,如圖4。到O點的電位下降到觸發點之後,比較器便叫Tr1關閉,這樣的C極電壓便下降了,就因為Q15的電壓減少了,它的熱損耗也少了。

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  若取樣點(O點)皆在AMP之輸入端,就叫輸入端取樣,若在輸出端,就叫輸出端取樣,本機是以輸出端作取樣。我們現在簡稱前一個為I-H-P(input sampling H-power),後一個叫O-H-P(output sampling H-power)。為什麼我要取O-H-P而不用I-H-P?有下列幾點理由:

  線路簡化

  設計彈性大

  效果不惡

  成本較低(最主要原因)

  一般人認為I-H-P一定比較好,因為少了AMP本身的延遲,但本人想了一想,如果用I-H-P(如日立公司)我們便要放大Vin,這不是多了一個AMP?如果不用多個AMP放大,Vin太小不易控制,一不小心便亂工作,而且如果AMP的放大訊號延遲和主機的延遲如果不合,太早開關也不利,所以決定用O-H-P。

 

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線路圖及說明

  看圖5圖6,其中圖5是音技追擊系列中的SF-106,可見H-power AMP和一般AMP無不同之處,只是多了一個電源開關,圖6就是H-power-source,圖中C、D、E、F、G分別連接+40V、+20V、-20V、-40V及地線。而A接NPN功率電晶體2N3055的C極,B接PNP功率電晶體MJ2955地的C極,H點接-40V電源,I 點接+40V電源。Zener diode Z3、Z4和C10、C11形成了兩組標準比較電壓,Tr9和Tr7形成一個比較器,同理Tr8和Tr10形成另一個。Tr1、Tr3、Tr5是一組電流放大組,也是電壓隨耦器(voltage follower),其A點之電壓在VL時是大約+20V,在V時大約是(R27●40)/(R27+R31),同理Tr2、Tr4、Tr6也是一樣。

  好了,讓我們細心分析一下,假設現在是無訊號輸入狀態,C、D、G、E、F、M、I 都正常地接到指定地方,這時O點為零伏,A點為+20伏,B點為-20伏,Tr1、Tr2、Tr3......Tr6全為不通。Tr7及Tr8沒有B極電壓,也不接通,只有Tr9及Tr10因Vs1及Vs2使得Tr9及Tr10之B極有一偏壓,使其導通,則IE1=[Vs1(由Z3所提供)+40(由-Vcc=VH=-40所提供)]÷RE,同理IE2=(Vs2+40)/RE。IE1為Tr9之射極電流,IE2為Tr10之射極電流,今因R33=5.6K、R34=5.6K、Vs1=+12V、Vs2=-12V,IE1=IE39mA,這時Tr9及Tr10之IcIE,而Vc(集極電壓)=VH-IE●Rc,今令Vc略小於20伏一點,則求得R31=R32=2.2K。這時Vc在Tr9、Tr10上各為±19伏,Vc在Tr7、Tr8為VH=±40伏。

  設如果有一正弦波輸出,這時O點立刻測出其變化,現先用正半週來說明(負半週同理,只是另一邊工作罷了。):當振幅還小時Vout直接經Rin、D1進入Tr7之B極,而這時因VEVs1,又Vout<Vs1,所以Tr7仍未導通,Tr7 B極上只有電壓,而無電流,A點仍為+20伏,現在Vout加大,一直上升,加在Tr7 B極的電壓一直加大,一直到達了觸發點,即VB=Vs1,則Tr7及Tr9的工作方式便更改,Tr7開始導通,Tr9開始關閉,則Vc在Tr9上也改變了。Vc上升,而這時Vout若再上升,Tr9便關閉,Tr7便導通,Tr9成為開路狀態,這時Tr9的集極電壓便等於R27●VH/(R27+R31),即等於(5.6●40)/(5.6+2.2)39V。這時A點便也上升至VH,這樣AMP的供電便隨音訊的增加而跳到另一電壓。如圖2,在t1點,Vout達到了觸發點,Vcc便上跳到VH,在這時,Vout若再上升,就算大過先前VL的電壓,也不會削掉(cut),除非它在上升到39V。同理,當它下降時,VB在Tr7上比Vs1小,這時Vc在Tr9上也下跌,一直到Tr7全部關閉為止,而這樣,A點的電壓又回到VL=20伏了。

  圖中Zener Z1及Z2是保護用的,以免打穿Tr9及Tr10,D7、D8是防止揚聲器的反脈冲,R31和R27(R32和R28)之間的值決定了A點的電壓,所以要選一最佳點,太小則A點電壓太低,不合能源利用率;太高則Tr1 Tr3 Tr5和Tr2 Tr4 Tr6等便可能不在active區,這時一開關便使波形大大亂了形,所以不可不小心求算它。Rin只是隔離及保護之用,R33及R34之所以接到相對VH,目的是增加其CMRR值,D9 D10是用做隔離VH及VL的。

實驗結果

  這次實驗並非很順利,這圖6已經改變了不少次,而犯的錯誤也很多,等一下我會提供一下自己的經驗和大家研究。

  因為只是證明H-power部分,所以AMP是純粹利用音技SF-106改良之,當然,其中的電晶體及電阻等全部和SF-106有差別,但原理完全一樣,接法除了最後一對功率電晶體外,其他沒有任何分別,所以不再多言。

  這次圖6我把它和AMP的線路全洗在一片板上,希望減少高頻的各種毛病,但可惜人算不如天算,測試的地方不配合,所以這次做得很粗糙,排線太多,電容也買不到額定規格,所以有濾波不良的現象,但對證明H-power的功用已足夠。大家看圖4,這是用雙線示波器拍的

(本人找不到兩線以上的示波器,可見測試環境之差。),由圖(a)、(b)、(c)分別表示三種狀態:(a)為Vout<Vs但小於VL(c)為VL<Vout<VH

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  圖7是對較高頻率作測試,圖(b)在測試時在AMP上的電阻R25已開始燃燒了;圖(c)是全機的實物圖(可見裝配時的迫急)。

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  圖8是加上了4Ω測試電阻後測得的,可見濾波不良,這主要有兩個原因:第一是在工業大廈測試,從插頭來的電源很不穩;第二是材料上配合不好,VH雖然有兩個大電容,但分壓電阻當時是另接上一個只有470uF的電容上,不是接在VH上,所以令漣波混入,但我們還是可以看到上升得還是很快的,這足可以證明開關工作正常。

  這實驗室利用「大升企業公司」休假期間空置的廠房測試的,所以非常匆促,大多以克難方法完成,效果自然不算好,但也足夠證實H-power的可行性。本人想出這線路也只是好奇,因為常看到有這類報導而沒有電路的線路圖,心中好奇便想出來的,至於其實際用處是否夠,可以說句不甚理想,主要原因是它的變化率太大,使得輸出訊號都被這脈冲影響。照片中只要用心觀察,可以看到波形在開關處有些失真,這個毛病可以用以下方法改善之,但不一定會好,結果:用rO大即輸出阻抗大,C極的Vc變化便會被隔離。用RC濾波器消除之。

  另外,它在關關開開之間,旁邊的收音機便不用聽了。把它包成密封?散熱又會有問題。如果不幸射頻走入輸入端,可能全機改變成為振盪器了。

  就以上原因,Class-H的商業價值便打了折扣,不過技術一直在進步,比Class-H更完善的擴大機可能立即出現,到時這些問題便可望解決。

  最後,若有仁兄想重覆本實驗的話,請注意濾波、排線、及輸出電晶體的挑選,這樣一定可以得到比本人好的結果。祝好運。

[附記]:本實驗承蒙"音響技術雜誌社","清華大學賴忠信老師","大生企業(Hong-Kong)"等鼎力支持,不勝感激,特此致謝。

轉載音響技術第87期MAR. 1983 H類後級放大器試作/劉志生(香港)

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