在25期中唐老編的「T-33 從根本開始學裝擴大機」,的確給一些有興趣自己裝的門外漢提供了最佳的入門途徑。如今空軍的教練機已從T-33進步到T-38了,而音響放大器中也進步到採用各種不同性能的IC OP Amp.以擔任線路中的不同用途,初學者必須趕快進入OP Amp.的領域中,才不會見了IC就怕怕。
IC OP Amp.的基本知識
使用分立式元件組裝放大器時,常常要考慮到放大器的諸項性能,譬如輸入阻抗、輸出阻抗、頻率響應、增益、偏壓;這些性能之間又往往會互相牽制,因此在設計一個多級放大電路時,常常要進行一大堆的計算,所幸後來電晶體的hfe愈來愈大,配合負回授電路的採用可以很容易的來計算一個放大器增益的近似值,但對一個初學者來講,別說是要設計一個分立式放大器,就是要修改或更換一下電路中的元件恐怕也是很令人頭大的事。運算放大器(OP Amp.)的出現,給予電路設計方面提供了許多方便。
OP Amp.之所以能夠以很簡單的算式和方法來設計,是因為通常可以把它當作是一個理想放大器,表一比較了目前音響常用的IC OP Amp.的主要性能與理想放大器之間的差距,某些特殊用途的OP Amp.在特性上還要更好些。
表一這些特性在音頻範圍之應用,可說是足足有餘了,接著來談談如何來設計一個OP Amp.電路,使它工作在所欲的條件下。
(一)非反相放大
非反相放大器的特徵是①輸入訊號與輸出訊號為同相關係。②輸入阻抗極高。圖(一)是非反相放大器的基本接法,由於其開路增益甚大(大都不少於5000倍),故閉環路電壓放大率決定於Rf Ri兩個電阻,即電壓增益Gv=Rf/Ri+1, Rf的值可以大到1MΩ都沒關係,在音響放大器的用途上,阻值愈小雜音愈小,但是不能小到會對本身的輸出端構成負載,以最普通的IC OP Amp.來講,輸出電流大都是±10mA左右,以±15V的電源來講,R值不應小於1.5K。當R=∞時(相當於開路),則電壓放大率為1,常稱此種電路為「電壓隨耦器」,此時Rf可以短路。
圖(一)電路的輸入阻抗決定於Rin,因為非反相接法之Zi極高之故,Zi與Rin併聯之結果仍極近於Rin,Rin值之考慮,是以前一級電路之輸出阻抗的10倍為原則,當然電阻體雜音的大小仍與阻值成正比。Cin決定低頻端轉折點的頻率fL=½πRin˙Cin,如果Ri比Rin大,以相同的RL而言,則此電容改串在Ri下端到地之間時Cin的容量可以小些。電路輸出阻抗的大小是OP Amp.本身輸出阻抗的大小除以閉環路增益,由於IC本身的輸出阻抗通常都以小至數十Ω,所以一般應用上輸出阻抗的大小是無需顧慮的。
(二)反相放大
反相放大器的特徵是輸入訊號與輸出訊號呈反相位關係,如圖(二)所示是其基本架構,它的電壓增益是Rf/Ri, Rf值的上下限仍如非反相放大的情況,此時全電路的輸入阻抗Zi≑Ri,低頻截止點是決定於fL=½πRi˙Cin。正輸入端對地的電阻Rc一般是被短路的,但因為這樣會使⊕⊝兩輸入端的對地阻抗不同而使輸出端產生些微的值流電位偏移,加上Rc之後可以減小偏移量,而且當Rc等於Ri與Rf的併聯值時,將可使偏移量為最小。輸出阻抗的大小仍然同前所述,通常不必顧慮。
以上兩種電路結構是最基本的OP Amp.放大電路,由此衍生,還有分壓回授型、差動放大及加法放大器,茲分述於後:
❏分壓回授型
前述的兩種基本架構,若因所需的Gain很大而使得Rf的設計值大得不實用時,可以採用分壓回授型。另外及當主回授網路具有頻率特性,而在必要改變Gain卻不願影響到頻率特性時,一採用分壓回授法。飛返相與反相放大的分壓回授型電路示於圖(三),如圖三(a)非反相型的增益變成Gv=(R3+R4)/R4×(R1+R2)/R1;圖三(b)反相型的則變成Gv=(R3+R4)/R4×R2/R1;兩者都有一個共同的條件,那就是R3與R4之和必須大於或等於OP Amp.特性表上推薦的負載阻抗,而R2之職必須大於R3與R4之和[常用R2≥10(R3+R4)]。若把R3 R4改用一只半固定電阻來代替,則可以達到調整增益的目的。
❏差動放大器
差動放大器是因能把兩個訊號的「差」放大而得名,換句話說他能把兩訊號相減之後的結果放大,因此這兩訊號中若存有相同的成分時,這相同的成分將不會出現在差動放大器的輸出端,這個特性在處理極低電平訊號(亦即亦受干擾的小訊號)時非常有用,因為存在於兩條傳輸訊號線上的干擾訊號成分是相同的,經差動放大之後即可把干擾成分消除掉。其電路的基本架構見於圖(四),其設計的基本要件是R2/R1=R4/R3,則其輸出訊號將是Vo=R2/R1(Vi2-Vi1)(請注意上式括弧內的符號次序)。此時的輸入阻抗Zi1=R1;Zi2=R3+R4。
❏加法放大器
加法放大器顧名思義是它能使兩個訊號在放大器中相加[既然有相減的放大器(差動放大)當然也該有相加的放大器],其電路的基本架構如圖(五)所示,從反相放大器的架構衍生而來,每一個輸入訊號電壓,按反相放大的原則分別獲得放大,輸出端的電壓即為各輸入之總和,如果每一輸入都放大一倍,則放大器之動作相當於把這幾個輸入相加而已(但訊源相互之間不會構成對方的負荷),在音響中常用以構成混音器,或在電子分音路中產生所需的頻段。
進入主題
談過了這些關於IC OP Amp.的基本知識之後,以下將介紹以IC OP Amp.構成的基本音響用放大器電路,包括RIAA放大器、音控放大器和後級放大器。在後級放大器的應用中由於常用IC OP Amp.之輸出功率少有超過100mW的(除非是特殊用途者),因此必須配合電壓、電流的放大電路才能構成完整的後級。完整的前後級電路見圖(六),設計的原則是架構簡單、性能實用,最重要的是提供初學者學習使用OP Amp.的一個途徑。電路將分RIAA、高電平/音控放大、後級三部份來說明。
(一)RIAA放大器部份
眾所週知的RIAA放大器之架構有NF和CR型兩大主流,在一般商品型式的產品中以採用NF型為多,因為它只用一級放大電路就可以構成(成本降低了),而CR型的較為業餘者樂於採用。RIAA放大器的任務可謂非常繁重,首先它必須具有RIAA的響應曲線,而且對1KHz的訊號要有40dB的增益(標準值如此,不過現在的電路都有降低的趨勢),以±15V的電源還要保持相當大的動態範圍,並且要顧慮到雜音特性。是以要用一級IC OP Amp.來構成NF型RIAA放大電路的話,這枚IC至少要同時具有以下的特性:①增益頻帶積要在2MHz以上。②lew Rate要在10V/μS以上。③雜音特性要佳。
圖(七)是本機RIAA電路,取材自Audio Amateur1979年第1期(本刊63、64期有譯文)。電路的架構是標準型的,它採用非反向型放大的理由是:唱頭負載阻抗大多是47KΩ,若採用反向型的接法,則依所需增益來計算會導致必須使用很高的Rf值,這是不利點。非反向型的好處是萬一必須更換唱頭阻抗時,整個電路之特性亦不會受影響。電路中R2的作用在抑制射頻訊號的產生或串入(若能改用FB更佳),C1是作為唱頭的負載容量,但由於各種廠牌的唱頭所需配用的容量各不相同,因此最近各廠商把電路上的輸入電容統一訂為220P,其餘不足之數再依唱頭之特性配合導線之容量,調整導線之長短來獲取適當的總容量。C2提供IC1 100%的直流回授始輸出端不致出現直流偏移,C2、R3並決定低頻的-3dB點,如圖中的值所決定的頻率是7.2Hz。C3 C4 R4 R5四個零件是產生RIAA曲線的回授網路,雖然變更R3的值可以調整增益,不過低頻轉折點也會受影響,除非C2 值也同時調整。最值得注意的是R6,一般電路中沒有這個元件,它是作什麼用的呢?原來某些頻寬較寬的IC OP Amp.,當它工作在放大率只有1倍的情況下,若不予適當補償的話,有產生高頻自生振盪的可能,是以,在本電路中,C3 C4於高頻的情況下形同短路,若未加入R6時將成為單增億的放大而可能變得不穩定,加入R6之後,不管使用怎麼寬頻帶的IC OP Amp.,增益最少都是2而不會降至1,使得電路能穩定地工作。基於這個理由R6的值應取得與R3一樣大。
(二)音控放大部份
音控放大部份通常被區分成一級具有10倍放大率的平坦放大器,和一級提升/衰減高低音的放大電路,但是並沒有什麼特別的理由不應把這兩者溶而為一,而且放大率也不見得必須是10倍。音控網路的結構也分CR和NF兩種,但CR因損失較大,必須採用高阻值的零件以降低損失,在半導體元建構成的放大電路中是很不恰當的,因此近代還是NF型的比較多。
本機音控架構(見圖(八))把音控放大器的兩項任務分配在IC2 IC3之中,IC2 為5倍的平坦放大器,IC3 及音控網路在1KHz時為2倍,高低頻的提升/衰減幅度分別是±8及±12dB,此種設計的好處在於雜音特性和動態的考慮較為均衡,以最大提昇之下IC2 的放大率來講,12dB相當於4倍,乘上分壓回授的兩倍等於8倍,而IC2為5倍,兩級增益只相差4dB,照傳統的10倍與4倍(最大提升量12dB時)來算,增益差在8dB左右,顯然前者有較佳的動態範圍。從雜音的考慮來講,傳統的10倍放大也把訊源中的雜音放大10倍才交連給音控網路,而本機只先放大5倍交連給音控,在雜音的放大率有6dB的差距。電路中IC2接成非反相放大,放大率是R9/R8+1=4+1=5,R7成為這級的輸入阻抗,以接納各種訊源的輸入。C5為輸入交連電容,可隔絕存在於訊源中的直流成分。IC3是接成分壓回授型反相放大器,以音控網路取代基本的Ri及Rf,其中低頻控制部份是標準NF網路的變型接法,只用了一個電容器(C8)即可達成預期的控制效果。IC3採用分壓回授型接法的理由,也是避免當音控電位器皆置於中點時,使IC3成為單增益放大器而造成不穩定,有了R16 R17的分壓之後,其放大率至少是兩倍(平坦時)。本來平衡式NF型音控電路的頻率響應,在各VR皆置於中點時就必定是平坦的,可以不設Defeat開關,但有些時候不用音控效果而又不願訊源多經一級電路時,本電路另設有Defeat開關,以便將音控網路切離(一方面也是配合機箱)需注意本機在音控Defeat時變成只有5倍的放大率。
(三)後級放大器
現在的放大電路,講求各種新的電路技術,像差動放大、恆流源、全對稱、串級放大、穩壓電源等等,因此比較講究的人常常為晶體的配對傷腦筋,筆者常想,那些人為什麼不用IC來取代一部份或全部的電晶體電路呢?好的IC OP Amp.內有差動級、恆流源、串級放大、全對稱電路,還有一致的溫度係數(這是分立式元件無法匹敵的),只要懂得選擇IC,這些電路技術都包含在內,免除配對的煩惱。不過在功率放大電路中,式不能直接以IC OP Amp.來直接取代,因為IC的輸出功率太小,不過拿它來當作功率放大器的輸入級,卻是最好的設計,因為整個功率放大器的特性,有一大半是仰賴輸入級來決定的,而直流放大電路的漂移問題,一旦改用IC輸入級之後即可解決。
使用IC作為後級放大器的輸入級早有前例,不過大多採用「電壓推動法」與推動級相接,另有「電流推動法」卻鮮為人知。(參見圖(九))這兩種接法的主要區別在於:前者把訊號電壓放大,然後注入推動級的輸入(常與後級的偏壓電路混在一齊),後者則是利用IC取用電流的變化予以電流放大;前者的偏壓電路與IC完全無關,後者的偏壓卻取自IC的靜態電流,整個電路形成一體;前者是屬於單端推動法,後者則是對稱推動法。
圖(十)是本機完整的後級放大電路,是電流推動法,它和圖九(b)不同的地方是D1 D2的加入,以及靜態電流可調整功能的電路。整個電路的架構非常簡潔清爽,設計其輸出最少30W(RMS),基本上它是屬於非反向放大的結構,後接的電晶體把IC輸出的電壓和電流放大到足以推動喇叭輸出預期的功率。放大的工作原理是這樣:一般IC OP Amp. 的電源電壓都工作在±15V左右,但本機電源電壓在空載時大約有±28V,此電壓經各串聯一只電阻和Zener之後,才接入IC的正負電源接腳,Zener可以把電源電壓降低以供應IC的工作電壓,電阻則是取出IC的電流變化,成為對稱的電壓輸出,原來IC的輸出腳則接地,熟悉OP IC的讀者立即可以看出,IC以電壓方式輸出時,IC內的最後一級電路是射極輸出型;而以電流方式輸出時,則是集極輸出,這兩者在相位和阻抗方面的特性是不盡相同的。Q1 Q2接受來自IC電流變化的訊號之後予以放大,並且推動射極隨耦型的輸出級。靜態電流調整電路是設在Q1 Q2集極之間,Q1 Q2的靜態電流經串聯電阻所產生的壓降大小來決定,而輸出級的靜態電流則由Q1 Q2之集極電流和偏壓電路所決定。接在IC輸出腳到整個放大器輸出點之間的電容器,看似負回授電容,實則它兩端點的電路所具有的相位特性是同相位的,加入此電容器之目的,在中和高頻訊號因多級電路放大之後所引起的相移,以免產生高頻寄生振盪現象。
製作上的要點
由於整個前後級電路所使用的零件數非常少,因此將它設計在一片電路板上(電源部份不含),從配線的觀點來看較有整體感,只要把板上的Pin都接上線就不會有所遺漏,對初學者來講也是一種方便。在PC板上三個電路部份可各自成一單元,開關和輸入出插頭接線與PC板相連之後即成一完整系統,圖(十一)圖(十二)分別是PC板的銅箔面及零件面。
散熱片是直接鎖在PC板上的,功率晶體插入PC板後應先鎖定在散熱片上,然後接腳再焊接於銅箔上。所有零件可以一次錫接完畢,注意所有有極性的零件方向,焊接PC板的工作完成之後,可以先接電源進行各電路單元的測試工作,首先是電源電壓,空載時是±28V,經過穩壓IC之後應為±15V供應到前級。RIAA放大器和音控級都是IC構成,只要測試IC的電壓即可了解是否能工作,電源供應電路如果正常,接著測IC1 IC2 IC3的電源接腳(⊕為7,⊝為4,直接從IC上量而不是從銅箔面量),電壓應是±15V。測各IC之輸出端(第⑥腳),其直流電壓應不超過0.6V,每一IC的這三個點電壓正常的話,電路通常就能工作了。功率放大電路的測試,通常是以中點電壓之正常與否為關鍵,本電路之設計,其中點直流電壓應在±100mV以內,若偏移太大,應檢查IC腳上電源電壓是否正常,±28V扣掉Zener電壓10V及電阻上的壓降,則IC的電源電壓應為±16V左右,IC的輸出腳上直流電壓也應在±0.6V以內。功率晶體的靜態電流大約設計在30mA左右,可藉著偏壓電路中的VR來調整,Q3 Q4的B極之間大約有1.2V左右,如果有直流毫伏表,可以直接量功率管射極電阻上的壓降,大約是10mV,或用電流表串聯在任一功率管的集電極上,量取IC的大小應調整到30mA。功率放大器中IC本身的故障率很小,如果輸出電壓有大量偏移時,問題大多出在電晶體上,輸出偏正時,可能是Q1 Q3的問題,輸出偏負時則應是Q2 Q4的問題,應在詳細檢查其接腳。
供應全套零件和機箱
本刊讀者服務部已準備在12月中旬供應本次製作的全部零件給初學者,採取全套件的方式以減少採購的麻煩,機箱的大小與舊有的前置專用1000A型機箱相若,只是高度高了些以便容下電源變壓器,系統開關較1000A簡化,變得更簡潔而實用,此外套件中還包括80VA的電源變壓器一只,兩只4700μ的濾波電容、3A橋式整流子、PC板和所有零件、全套系統開關,讀者除了自備基本的工具、焊錫、機內配線用線材等,即可裝好一部優質的前後級擴大機。本刊計畫編印第四號自己裝專頁,把本次製作的詳細資料及過程編印在上,使自己裝的工作更方便。全套零件(含機箱及配件)的售價為3600元。
轉載音響技術第72期DEC. 1981 T-38 從裝機中學習OP Amp.的運用/莊 仲
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