驅動電路部份
■當我裝好功率放大部分以後,開始按照步驟調整靜態電流,但我發現在調好後,靜態電流有繼續上升的趨勢,而且推動管(Q1 Q2)很熱,這是正常的現象嗎?
就T-38的電路設計而言,這些現象都是必然的。但必然,並不一定是正常的。而在T-38上,我尤其希望讀者們能藉此問答的機會,學習對電路分析及研判的能力。
讓我們來看本機推動電路的設計:
首先看Q1 Q2在靜態的狀況下,應該流過多少電流?在一般的情況下,輸出功率若再時到二、三十瓦的擴大機,其驅動晶體大致可用Pc為500mW到1W之間的小功率晶體,而其實際使用的靜態功率損耗則大約在Pc max的四到八分之一以下。例如Pc max為500mW的晶體,我們只能讓它消耗60~100mW左右。
在此電路上,由於我們所用的Vcc為28V,設我們使用100mW的損耗,則我們應限制其靜態電流為:
0.1W÷28V=3.5mA
若超過3.5mA,Q1及Q2就可能發熱。
然而,我們如何測知Q1及Q2流過多少電流呢?可以由R24 R25及R26的電阻上量取壓降而得知。
由於電路上Q2及Q4兩基極間的電壓差,被限定為0.6×2=1.2V,而在電路上的D3已去掉了0.6V,應由R6(即VR)來分擔。此時電流若是3.5mA,電壓為0.6V,我們可以試求得R26應有的阻值為:
R26=0.6V÷3.5mA=171Ω
現R26定為200歐姆,還算恰當。接著,我們來看看以如何方式來滿足上述的推演。
可以從R24(或R23)往前推;由於流過R24的電流除極小一部分進入Q3基極外,大部分仍通過R26,所以我們可直接以前述的3.5mA來計算,或酌加一點成為4mA亦無妨。
若為4mA,則通過R24後,就可能產生:
4mA×68Ω=0.272V
的壓降,這麼小的壓降,我們忽略也好,不忽略也好,總之並不十分重要。如果不忽略,那麼再加上0.6V,就是Q1基極到+Vcc應有的電壓,亦即約為0.8V。
到了Q1的基極,接著就要分兩路來推演了:
先看R21有0.8V壓降時,所形成的電流是否足以滿足IC的要求:
0.8V÷470Ω=1.7mA
1.7mA?不可能吧?再算一次確實如此,翻一翻NE5534的資料,在本刊64期65頁上,我們找到了它的Icc(Supply Current),典型的是4mA,但最大可能到8mA。
如果我們以4mA為設計參考,那麼R21應被修正為:
0.8V÷4mA=200Ω
此係以典型值來計算,若不幸你拿到手的NE5534,其Icc為8mA,則它不是又不能工作了嗎?所以,可靠的方法,應以8mA來計算,也就是R21不得大於100Ω。
經過R21的電流絕大部分是流到IC4的第7腳而由第4腳流出,只有極小一部分流到Q1的基極。所以我們要順路的推下去:
先看IC4所需要的Vs電壓;在64期64頁上,我們找到了Vs=±22V的資料,且在文中敘述,當欲得到10V RMS輸出時,Vs=±18V為標準,我們似宜以±18V為設計標準。
Vcc為28V,扣去R21的壓降0.8V,再扣去D1(10V Zener)約得17V左右。好極了,但我們要查一查Vs變化時,對Icc的影響。趕緊再翻到66頁的左下角,我們找到了Vs和Icc變化的曲線。幸好,這個曲線,大約是由1V以前遽急上升到3mA左右即開始轉趨於緩和。而在Vs=15~20V之間,Icc的變化只有大約0.2mA左右,這點特性可以使我們不必顧慮Vcc(市電源和變壓器的繞製均可能影響)和D1 D2的誤差。
■經過這樣的電路推演,其結論就是要把R21及R22改換為100Ω,那麼它原設計值為470Ω,是否就是造成Q1 Q2發熱的原因?
我想是的,不過為了確證當R21=470Ω的時候,可能發生的情況,最好還是反推演一下:
設Iss=4mA,那麼在470Ω上可能產生的壓降為:4mA×470Ω=1.88V
又設若Iss有比4mA為更大的可能,則其壓降可能更大。現在我們以2V為假定值,口去BE間順向電壓0.6V,則在R24上必有2V-0.6V=1.4V的壓降。
1.4V壓降,在68Ω電阻上可能產生的電流為:1.4V÷68Ω=20mA是由Q1的射極流向集極的,於是Q1的Pc將為:
(28V-1.4V-0.6V)×20mA=520mW。
520mW當然可能使Q1及Q2發高燒,且其Pc max若在1W以下,還可能會燒掉呢!
■照這樣說,在這個電路上,我們只要把R21及R22都換成100Ω,一切就可以正常了嗎?
不然,R21設定為100Ω,是以IC4的Icc為8mA的最大假定,可是事實上,IC4的Icc最大的可能還是在4mA左右,所以R21及R22最適宜的數值應是180Ω或220Ω。究竟應用何值,最好在電路上去試,其要領為(注意Q3及Q4暫時不接,且R26(VR)預調到最大值):
1.以三用表電壓檔夾住68Ω兩端,注意量取其電壓,可能的值為0.5~2V間(撥到DC5V或2V檔)。
2.在原有的R21 R22上各併聯一枚470Ω(併聯阻值為235Ω)。
3.加電壓(±28V)。
4.觀察電表的讀數,應在0.3V~0.5V間,如果偏高,可以再併上一枚470Ω(關電源R21 R22都併上,再開電源),電壓讀數會降低,最好的讀數是在0.27V~0.3V間。
5.如果以兩枚470Ω併聯就已得到0.27~0.3V的結果,R21 R22最適切的阻值大約是240Ω,三枚大約為180Ω,4枚是120歐姆。把470Ω的R21 R22取下換上適當的電阻就成了。
■如果我們不修正R21 R22,而修正R24 R25不可以嗎?
試算算看就知道了:當R21為470Ω時,通過4mA電流,即可能有1.88V電壓,扣除Q1 VBE的0.6V為1.28V。以R24來限制Q1的電流約為5mA時,R24的阻值為:
R24=1.28V÷5mA=256Ω。
但這時,顯然必須考慮電壓擺幅(即交流)的情況了。
因為這是一台以30w輸出的擴大機,上期我們曾推算過,當其擺幅達於峯值時,電流為3A。而功率晶體在大電流的情況下,通常其直流放大率hfe只能以20倍(以下)來計算,這意思就是說,Q3的IB至少應為:
3A÷20=150mA。
設Q1完全導通,此時150mA的IB由R24供應,而R24通過150mA時,其壓降為:
150mA×256Ω=38V,
此值早已超出Vcc的供應範圍,所以當R24大到256Ω時,輸出功率可能非常小。
而此時,我們既已發現R24(R25亦然)對輸出擺幅可能造成相當大的影響,於此不妨連R24=68Ω的情況也推演一下:
150mA×68Ω=10V
乖乖,壓降也很大,輸出擺幅必然在Vcc電壓減去10V以下,也就是,這個電路雖然被接上±28V的電壓,而其輸出功率卻僅能及於大約Vcc=±18~20V左右的情況。
這就是我們前面所提到過的電源利用率的問題,而經此一計算,我們已然恍然何以原設計者要將電源電壓加到那麼高了。
■既然R24 R25太大會影響輸出擺幅,那麼我們是否可以把它改小,而增大輸出呢?
若將R24 R25縮小,自然有利於電壓利用率的提高,但在前面我們曾經討論過,±28V乃是超額設計,如果我們刻意要提高電壓利用率而增大輸出功率,那麼可能我們非把Q3 Q4更換成為MJE3055/2955不可,如仍用TIP 31C/32C,極可能負荷不了。
■一般的功率擴大機,即使輸出功率小到只有15或20W,以手去碰觸輸入端,喇叭發出來的聲音都很大,但在T-38,碰輸入端聲音卻很小,何故?
這可能有兩個原因,第一、有前述的電路不正常的情況。第二、是因為IC4輸入端的對地電阻只有10K。而一般的擴大機,此電阻的阻值多為47K。另外有一些專業用途的擴大機,輸入阻抗可能安排到更低的1K~2K左右。
■我可以將R18由10K改為標準的47K嗎?
原設計者之所以將R18安置為10K,我想主要是考慮OP AMP.的±輸入對地阻抗不宜相差太大所致。在T-38中,IC4的⊖輸入阻抗約為1K(R19)和27K(R20)對頻率的函數,所以⊕輸入安排為10K,我想是非常適切的,如想將其改為47K,可經實際試驗來決定。
音控部分
■聽說在IC5及IC6上,要加上適當的傍路電容,才能免除雜音,此電容如何加法?
自從有了7800及340-00系列的穩壓用IC出現後,使我們在電路上安排穩壓電源時,增加了許多方便。
但此族系的IC,其最初的設計,乃為邏輯電路所用,所以其使用並非漫無限制的,尤其當使用於需要低雜音要求的音響電路時,更應詳閱有關資料的說明,瞭解其限制或要求。
在通常的情況下,此類IC的輸出(OUT)端到地(GND)之間,必須併以1μF左右品質盡可能優異的鉭質電容,而其併接的方法,是愈靠近接腳愈好。對T-38而言,可以把電路板反過來,直接在7815的②→③及7915的①→③間併上1μF鉭質電容可以了。電容器的接腳盡量剪短,注意⊕⊖極性,然後焊在焊點上。
■在音控放大器之中,通常被區分為一級具有十倍(20dB)放大率的平坦放大器,另一級則為增益為1的音調控制級,請問這樣的安排有什麼特別的用意嗎?
當然有。但這問題,我們似乎宜把範圍擴大一點來說明。
在比較高級或專業化的音響系統中(尤其是錄音機),我們可能看到LINE這樣的一個輸出口.這是代表一種輸送的標準,而這個標準通常為600Ω 1Vp-p,雖然我們家用的音響系統,並沒有做長距離輸送的必要,輸送阻抗不必低到600Ω,但以1Vp-p為0dB的傳送標準,則經常是被延用的,例如我們設計功率擴大機時,常以1V輸入而能達其滿度輸出來決定增益。果能如此,我們就可以自標準傳輸線上接上功率擴大機,而絲毫不發生增益不足或太大的困難。
在這種情形下,我們不妨視功率擴大機乃一實際具有放大任務的放大器,它把一標準的電平,放大到我們所需要的強度,而在此前面的前級擴大機,其主要的任務只在調整與控制,所以有時我們又稱其為控制用放大器(Control Amp.)或僅稱其為控制單元(Control unit)。
它所接受的輸入電平仍以1Vp-p為0dB的標準(Aux或Tape IN等)。原則上1V的輸入,不經放大就可以送到後級而達滿功率輸出。但在所有的控制器中,有一個控制器稱為音量控制器,按照通俗的說法,音量控制器當然是供使用者調整音量之用,然而整個系統的設計上,却有一定的依據,這些依據概為:
1.假定後級的輸入靈敏度為1Vp-p,所需求的線輸送電平自然也是1Vp-p。但線輸送電平的變化可能很大(例如輸送損失,或線輸出標準的差異──有些錄音機的輸出為500mV,有些則高達2V)。為了適應這些不同的電平差異,因此控制器應有增益──衰減的控制功能。
2.單純的音量控制器,只是由一個電位器組成衰減控制器,或以衰減,但不能提升。
3.人類的習慣(或實際操作的需要),並不適宜把控制器轉盡(放到最大的位置),其最適切的控制位置(最常用位置),應該是在中點(十二點鐘方向),因為只有在中點的時候,兩邊保持相同且最大的控制餘裕。
4.根據以上的要求,我們特設計了一具有十倍增益的平坦放大器,與一衰減性的電位器,合而為一完整的增益(音量)控制器。也就是說,對一完整的音量控制器而言,實際上它包含了具十倍放大作用的放大器和電位器兩部分,且兩者應視為一體,方能發揮良好的「音量」控制作用。
■在T-38電路中,似把十倍放大一分為二,IC2為5倍,IC3為2倍,這樣設計有什麼特別用意嗎?
這是由於受到OP Amp.運用上的限制,因為OP Amp.在當做線性放大器使用時,應避免其增益等於1或低於1,否則就會造成工作上的不穩定。在T-38的設計上,是把IC3的增益,透過R16 R17的分壓回授而安排在2倍(+3dB)左右。換句話說,那是因為IC3的增益,在電路設計上,不能被抑壓為1,所以不得不把IC2的增益壓制為5倍。
但即使如此,IC3在工作上仍有不可避免的缺陷存在,因為其增益為2,是指TREBLE及BASS均置於Flat的狀況而言,如予衰減,則增益必低於1。當然這樣的追究,似乎並沒有必要,但可提醒讀者,OP Amp.的運用並非漫無限制或通行無阻的。
■T-38的設計者說,52倍的增益分配,對雜音的抑制有益(見72期88頁右上),那又如何說明呢?
這恐怕是一種推論上的錯誤。因為在任何放大一衰減系統中,假如放大和衰減部份個別地均不介入雜音,或介入的雜音可以忽略時,那麼一個1V強度的信號被放大十倍後,再取其十分之一(衰減十分之一),其S/N比並無變化,因為雜音和信號同時以相等的比例被放大和衰減。
在72期中,作者說:「傳統的10倍放大器,把訊源中的雜音放大10倍後才交連給音控網路,而本機只先放大5倍交給音控,在雜音的放大率有6dB的差距。」同樣這段話,我們可以把它改成:「傳統的10倍放大器,把訊源中的音樂放大10倍後才交連給音控網路,而本機只先放大5倍交給音控,在樂音的放大率有6dB的差距。」
請讀者特別注意,在訊源中,所有的訊號,不管是雜音、是樂音還是失真成分,對於放大系統或傳輸系統,其定義是完全一致的。換句話說,只要系統不介入雜音,那麼不管是先一次放大十倍或分二次先放大5倍再放大2倍,其結果是完全一樣的。
■何謂介入雜音,假如系統會介入雜音的情況又是如何呢?
所謂介入雜音,就是由通過的系統(放大器、網路或導線)所產生而加入到訊源的雜音。
對於上一個問題,我們可以舉更實際的例子來說明:假定自來水管、蓄水池、抽水馬達級水塔均不產生雜質,那麼不管我們是在水源附近就把水加壓送上水塔,或直到管線末端才把水送上水塔,水中雜質的含量始終是一樣的。
但是假如系統會介入雜音,就像水管或馬達會產生雜質的時候,就要特別注意系統的特性,以使雜質介入的可能達於最低。
在音響系統裡,一般的定則是先盡可能把信號放大到足夠的強度,再讓它通過容易介入雜音的部分。這樣一來,由於介入雜音的量是一定的,而信號則加大了,於是介入的影響就小了。以實際的例子來說:假如有某一段水管,每秒鐘固定地會產生0.1公克的鐵銹,那麼我們若讓水流量加大,顯然鐵銹對水質的影響就會變小了。
在擴大機中,何處易於介入雜音,要看實際電路設計及佈線情況而定。以T-38而言若我們假定IC2及IC3的雜音特性完全一致,則不管在IC2一次放大到足額或IC2 IC3分次放大,其結果是一樣的,但我們必須特別注意,在此二者之間,插入了音控網路,而這些網路通常有很長的引線與電位器連接,加上電位器是很大的一個雜音源,在這種顧慮下,先放足了十倍再到網路,是比較有利的。
(編註:1.本文預計在下期全部結束,希望有問題的讀者盡速提出,以便一併作答,爾後不以私函答覆;2.已購置T-38的讀者,如需文中所提到的各種修正用零件──如上期的0.5Ω1W電阻及本期的470Ω電阻等,請自備貼好郵票信封寄本社,本刊當立即寄贈。)
轉載音響技術第76期APR. 1982 T-38裝機問答(2)/唐 凌
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