在以下敘述中,作者將使用稍多的文字,用以介紹Technics曾經製造出來一部獨一無二的產品──大功率浮壓式新A類放大器,經由瞭解其原理並加以仿製,最後又進行改進實驗而製成成品。依照順序,作者訂了五個題綱:
I.先談A類:
聲頻放大器的種類,依其工作方式可要分為幾個類型,涉獵音響者大抵明白;不過眾人耳熟能詳的,主要還是A類、B類及兩面沾邊的AB類。作者聞聽前輩人言,在較早的早期,A類設計並不算太少,時至今日,B類大行其道,A類反成陌路,僅靠AB類知名沾點裙帶點邊,寧毋怪乎?
事實上,類別不過是工作方式(或條件)之區分而已,歸結來論,則是效率高低的分別。一部積垢封塵的老機器,消耗了1000焦耳的能量,卻只輸出10焦耳的功,這是一部低效率的機器,並且肯定是不好的。效率低正是A類的本色,但是A類所以不能流行,卻也只是這唯一不二的缺點,它所固有的優點,便是A類放大器能夠東山復起的主要原因。
A類放大器其效率之低,已低到令人憂心的程度。在全額功率輸出時,效率不過30%,在平時聆聽電平時,往往低落到1%至2%的水平。一年多前,本刊大力鼓吹試製的A-40純A類放大器,輸出為40Wrms×2,但空置時有200W的熱在源源無聲地消耗。今日市售的非A類放大器,不論輸出若何,哪些是做這般消耗的?並且40W也只是實用功率之邊緣而已,如果希望在聆聽時取得較寬裕的動態範圍而打算把功率提升到100乃至200W以上,代價將會難以預期──A類所以不行,正因如此,非有什麼玄祕或難以啟齒之處。所幸,低效率的機器肯定是差勁的,A類放大器卻是音質絕佳、特性超絕,所以能自成氣候──音響使用者的口碑,往往帶有一點感性,而不全是理性的。
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為達到撰寫本文之目的,我打算使用一些篇幅,用來說明三種放大器之工作狀態。作者當然不可能只為了噴射機的飛行原理,而溯源至萊特兄弟時代的飛行實驗。同樣的,涉及太多,徒然離題太遠,必定要超過作者自身的能力──作者所能做的,是以時下流行的線路為說明引例而已。
不論購買新機,或者自己裝,所使用之線路,通常避不開如圖一的結構(以流行而論)。美國有幾家產製大功率後級的名廠,如ESS或Phase Linear,輸出儘管高達二、三百瓦,線路結構也不過把圖一複雜化而已,A-40放大器也正是這個結構,作者正好拿來以為說明引例,不過置重點於輸出級。不考慮電源容量,這個線路可以做A類、B類或AB類輸出,除了變動圖一中之可變電阻外,幾乎不要更改任何零件數值。暫不考慮其類別,我們先了解這線路要正常工作的原始條件。我們知道,晶體是要有偏壓才能正常工作的,沒有偏壓或偏壓不足,將會使信號在輸出時少掉一些甚或沒有輸出。把這要求帶入圖一中,這個線路的正常工作情況是:每一級晶體要輸出──與輸入信號相似(不是相同)的信號交到下一級,直到喇叭,中途不可以有一級出差錯。所以每一級晶體都要有偏壓,明白地說,在靜態時,要有電流流過每一只晶體。但是這電流並非一成不變,當信號來臨時,它會隨信號做增減變化。增加不足論,一旦減少,到最後該電流降為0時(即所謂截止)便不行了。所以對圖中各晶體之正確要求是:Q1 Q2 Q3+Q4(以兩個視為一體)在全信號擺幅中,不可以有一級產生停擺。從圖中看,Q1 Q2各是單晶體自成一級,應該各自獨立完成信號傳遞,Q3 Q4合成一級,可以單獨完成,也可以合力完成。好比鋸木頭,一個人的時候,推鋸子要他,拉鋸子也要他,推拉全不能停息;多了一個人,操作上可以省力一些,但兩人的合力方式決定他們省力的程度。我們通常稱Q1 Q2之工作方式為A類,主要是Q1 Q2正像那一人一樣,他必須獨力完成一次鋸──推出去並拉回來──的動作。Q3 Q4之工作方式好比兩人相向對坐,使兩人完全伸直手臂時,剛剛搆得著放在正中央的鋸子,鋸子稍偏一些,有一個人便搆不到手。動作從甲開始,甲將鋸子拉回來後推出去,一直伸直手臂時乙剛好搆著,以馬上拉回去再推出來,這樣完成一次動作,然後甲再重複開初時之動作,如此循環下去。每一次動作,甲乙各只完成一半,剩餘一半由另一方完成,以此方式合成鋸的動作,這樣兩人都很省力,但當甲將鋸子推出交給乙時,乙未必能即時使力補上而使動作產生瞬間停止,反之亦然。這樣的情況,使得每一次鋸的動作在接棒處發生兩次斷點,以Q3 Q4來說,Q3輸出某一信號(比如正弦波)的上半波型,Q4完成另一半,合起來固然是一完整波形,但細看接合處並不平順,顯然已有失真產生(即交越失真),我們把這種方式稱為B類動作。如果兩人做得很勁,使得甲把鋸子推向乙時,以甚至不必伸出手即可搆到鋸子推回去,反之亦然。這樣的安排,我們稱為A類。甲乙兩人即使有一人不動,另一人照樣可以獨力完成,多加的一人可使合作愉快,並非累贅。現在A、B類已然說明清楚,B類時,Q3 Q4各有半週時間處在無偏壓狀態,所以各只有完成半動作之能力,其合成波型才是輸出波形,優點是低消耗,但失真大;A類時,Q3 Q4在全週時間從無截止,各有完成動作之能力,無需合成,所以波形完美,但須有相當多之消耗。最後一種情況,是嘗試重新安排甲乙間之距離,使甲推出去不必伸直手臂,乙已可搆到手,但乙要拉回彼端時,甲必須放開手停息,反之亦然。這樣,甲乙皆無法完成一次大的完整動作,但都可把力量使過中點,所以兩人俱可獨力完成小幅度動作,大幅度者則以接棒完成,前者為A類,後者為B類,習慣上稱AB類動作,特性在兩者之間。AB類當然是折衷設計方式,卻是今日放大器設計之主流。
明白了A、B、AB類的工作概況,還應當了解在三種方式中,應如何設定方符合所求。在前例中,調整兩人的距離可以產生不同之工作方式,在線路中,則是調整圖一中各晶體之偏壓──明確地說,是調整其在靜態時之電流;操作者希望它是A類工作,便須調整出在最大輸出時晶體也不會截止的電流出來。就前級言,這要求並不難,對後級,尤其是輸出級,可是不容易了。根據I=V/R,電流是電壓與電阻之比值,就一固定之輸出電壓,輸出電流是由負載電阻(阻抗)來決定。一般來說,輸出級以前的各級,其負載阻抗通常都足夠的大,總有數K至數十K歐姆,所以輸出電流相當小,大抵只有幾個微安到毫安,因之,我們只要給予該級幾個毫安的工作電流,在任何情況下,晶體的確可以不出現截止現象──輸出級以前各級,一般設計上,往往採用A類,因為並無安全顧慮;但輸出級本級則否,乃因輸出端之負載阻抗只有8歐姆左右之喇叭。一部輸出為50Wrms/8Ω之放大器,則輸出電壓為20Vrms,峯值電壓為28V(正弦波)。如果輸出級是兩級達靈頓串接型式,且8Ω之負載為恒定,則本級表現為前一級的負載阻抗值大約10KΩ,以28V之輸出電壓在10KΩ之負載,前級(即電壓放大及)所需要供給之輸出電流不過2.8mA,同樣之電壓交到輸出級,輸出端卻必須送出3.5A之電流,相差不可以道里計?
以上的說明,乃泛指一般放大器,而無關於工作類別。也就是說,不管這一部放大器是A類設計、B類或AB類,在50W/8Ω之輸出下,電壓放大器一定要把2.8mA之信號電流交到輸出級,後者必須輸出3.5A之電流到喇叭,一絲兒不能折扣。既然如此,如何設定才算是A類?就後級來說,第一與第二電壓放大及不難從普通線路圖冊找到,兩者分別只要1mA與5mA以下的電流已然很夠,輸出級卻無從參考。不過,只要明白了其工作概況,經由計算即可調出適切之靜態電流。在圖一中,假設無訊號情況下,有1A之電流從正電源端流經NPN(Q3)、PNP(Q4)流回負電源,完成一閉路循環,此時,因為中點電位為0,所以無電流流過喇叭。當信號V來臨且到達輸出端時,將有V/R之電流流過喇叭,此時Q3 Q4之靜態電流將隨信號做等量而反向之變化,信號為正,Q3因偏壓加大而導流增加,Q4反是,反之亦然;這一增一減的差額電流即是流過喇叭之輸出電流。明白的說,當Q3電流為1+X時,Q4將降為1-X,兩者之差額2X即是流經喇叭之輸出電流,這裡可以明白見著,輸出電流剛好為靜態電流變化量之2倍。以1V在8Ω上之輸出電流為0.125A,半數為0.0625A,表示此時Q3將流過1.0625A,而Q4為0.9375A,差額剛好0.125A。信號越大,Q3導流越多,Q4反是;一旦信賀大道使Q4截止時,Q3將負擔全部之輸出電流。我們原先假設Q3 Q4之靜態電流為1A,則當輸出電流為2A時,Q4剛好截止,2A在8Ω上的峯值電壓為16V,如果是正弦波,實效電壓為16/√2Vrms,即輸出16Wrms。若是負信號亦然,輸出達16Wrms時,Q3開始截止,2A之電流由地點經喇叭流過Q4回到負電源。輸出再大,在信號之一週時間內,Q3 Q4必定有部分時刻是不工作的,缺失於焉產生。
前面我們假設的是在1A之靜態電流下,前16Wrms之輸出是不截止的A類工作,超過16Wrms則為B類輸出,一部放大器兼具這兩種輸出方式,當然是AB類。就作者所知,世界上尚無一部AB類放大器將A類範圍提高至16Wrms,作者同樣'相信,純B類放大器也是絕無僅有,此話純粹是吹毛求疵──線路既設定有靜態工作電流,即意味在某一範圍內,晶體是以不截止的方式工作。比如靜態電流降低至50mA,則輸出電流不超過100mA時,Q3 Q4具工作在A類,此時輸出為(0.1/√2)²×8=0.04W=40mW,雖然極小,但仍然是A類。不過,習慣上我們寧可稱為B類放大器而非AB類,乃40mW並非實用功率之故。
作者用了如許冗長的文字敘述,事實上未必很切合題旨,但相信並非全然無用。
II.再論A*類
A類放大器縱有千般好處,諸如:波型完美、特性超絕,但也掩蔽不住它發熱太多之最大弊病,正如同一滴黑墨水掉入蒸餾水中造成污染一樣。A類擴大器帶給製造者之困擾甚至於超過使用者之上。
然則音響到底不能以常情論斷,發熱太多,造價太高固遭製造者與使用者詬病,其他特性卻也同受喜愛,是以當新式A類放大器甫一面市,即能造成聲勢。作者印象中Threshold也許是將之商品化生產之第一家。
「A*」是作者自訂之符號,為的避免與某一廠家所使用之符號相混淆(比如JVC使用Super A,Technics使用A+或是更適切的,但在後面之敘述中,讀者當能明白,作者何以沒有使用A+的道理。
A*類即是新A類,從數理上對福號之使用及能說明,A*類乃是有別於A類(作者稱為老A類)之一種設計。比較上,如果後者是絕對的,無條件的;則前者即是相對的、有條件的;老A類是固執的,不能妥協的A類,通常工作在足額的電壓與強大的靜態電流,所以它註定要發高燒,即意味它必須要有夠多夠重的散熱片、變壓器與輸出晶體,它同時代表使用者應該付出可觀的代價;新A類是一種取巧式的A類,老A類所以有大的熱耗量,乃緣由於過大的VI乘積,如果減少VI其中之一,即能降低VI值而使發熱量減少;製造新A類的廠家,大抵利用這個原理,其中因工作方式又分為兩派,第一派包含有JVC、Pioneer,他們使用額定的電源電壓,並利用一些額外零件附加在傳統的偏壓電路旁,當訊號來臨時,這組網路將控制原偏壓電路產生變化,使得輸出晶體永遠也不會截止,而靜態時卻只要維持一相當小的電流便足敷應付。這一派明顯的是以降低靜態電流來達到目的,並且由於只增加一些次要零件,並不影響製造成本,無疑會受到比較多廠家的歡迎。另一派包含AGI與Technics,他們發展出一套新的理論,使得在額定電流時,線路可以在低壓工作,並且對於不同的輸出電壓,這組低壓電源會很「活潑」地相應於輸出電壓而作游移變化。由於AGI後來並沒有參與製造Technics變成唯一的一家,可惜的是,Technics全力產製了一型龐大的SE-A1之後,便不再建有後繼者了。
是則,知道SE-A1的人並不多。
III.Technics SE-A1的簡介:
SE-A1不能像其他產品一樣持續有效地生產是可以理解的。首先它有一極其龐大的結構,撇開它那些一般產品所看不到的附屬設計不論,它包含了四組相同並且相當複雜的放大器(輸出高達350W),而只用來作為兩聲道放大。四組耳機放大與緩衝放大級結構與主放大器相同,並附加了四組相同的熱伺服系統,這些林林總總,堆砌成了空前龐大的架構(結構示意圖如圖二)。
當然,如此優秀的結構設計並不一定代表聽感上也會具有相等成就,但以產製者的情況來說,生產這樣的產品,無一要耗費大量的人力物力,它的是「產品」的味道或者遠不如是「展示品」的味道來得濃些──作者寧可相信它是生產者用以來展示生產實力,而不以為它可以像一般產品一樣可以付之大量生產。最後是,Technics為它們訂了一個「前無古人,後無來者」的價格,三年前Technics推出SE-A1時,配對的尚有前級SU-A2;A1售價六千美金,A2售價八千美金,已經足夠拒人千里了(事實上,一旦你明白它具有如同控制台般多達六、七十個控制鈕,並且有一份適如其價,重達85磅的體重,即使在特大輸出之後級機群中,它仍可擠進前10名內,你就不會說它貴了)。當其時也,高功率之放大器比比皆是,但超過三千美金的只有二型,SE-A1比第二名高了將近一倍。
由於SE-A1結構極其龐大,作者不可能將全機剖析,僅能就SE-A1所憑恃之線路理論與本機之心臟──信號放大及加以說明。
如圖三,是SE-A1之主放大級線路,作者若不說明這是單聲道線路,並且不是BTL,相信第一眼看過這線路的人會誤以為Stereo,並且除了使用比較多的晶體以外,線路本身並無特殊之處,但圖內兩組放大級之連接方式,卻是全機精華之所在。在說明其結構理論之前,我們先把這個線路簡單認識一遍。全線路大分為三部:二部放大級P1 P2與熱伺服級。兩個放大級結構幾乎完全相同,與一般所謂高級擴大機之主線路也差不多,皆個別包含兩級電壓放大,三級達靈頓式電流放大。Q1~Q6為第一電壓放大級,Q1為Dual FET,職司差動放大,Q3 Q4與Q1接成串級,Q5 Q6是電流鏡(這裡作者不擬再加說明其原理),光是一個電壓放大級使用了六只晶體,不能說少,這種用法,歐美機種並不多見,日本則極為普遍,差不多中級機以上,往往便能享用到這等「高級」的圖騰式結構。Q7~Q9為第二電壓放大級,Q7 Q8接成達靈頓式,形同一枚Hfe高達萬倍以上之晶體,目的之一乃在藉其超高Hfe值使其對前級之影響減至無形。這結構再與Q9接成第二組串級,Q9之基極為固定偏壓,由七枚二極體串接達成,大約比正電源低5伏特左右,所以不使用電阻分壓,乃希望在不同電源電壓時,Q9基極偏壓為恆定。Q7 Q8同此工作在極低壓,使得使用任何音頻小信號晶體時皆能勝任。與一般放大器相同者,第二電壓放大級與第一級下方皆接有恆流源,原可共用一組偏壓,但Technics聲稱,實驗結果顯示此舉將造成局部干擾,因此做某程度隔離,從圖中可以看出,Q2 Q10之基極並非直接連在一起。其後市三級串接之達靈頓電流放大級,其對第二電壓放大級呈現極大之阻抗,當後者做第二次電壓再放大輸出時,不論電壓擺幅多大,本級都與之作電壓性交連,其負載效應降低到可以不計之程度。然後它的輸出端將部分信號引回輸入負端以控制增益,這裡與一般放大器不同的地方是,回授信號不只是加在輸入負端而已,它同時加入Q4與Q4之基極,以為AC回授,使得Q1至Q3在失真更小之情況下工作,這種接法與Marshall Leach的雙槍後級內所謂獨創之設計有異曲同工之妙。以上是兩組放大級之概況,由於兩組結構相同,故僅說明第一組。另一方面,我們可看出,第二組放大級P2比第一組P1多了電子保護線路(在P2輸出晶體右側,由Q57~Q60組成),使P2之整體結構與普通放大器完全相同;不過P1卻也比P2多了一組不很尋常的熱伺服級。熱伺服者,顧名思義,當然也是用來監視中點之伺服電路,鎖不同者,熱伺服電路所監視之中點一旦因某種原因而偏移時,將使得線路內之相關元件產生熱之不平衡,近而用來控制可以影響中點電位之零件,如圖中之Q5 Q6 Q32 Q33虛線包圍之晶體表示應用Dual Tr(香港話稱孿生)。因之,我們不難理解,熱伺服所以發生效用,主要便在於Q32與Q5 Q33與Q6間密切之熱耦合,一旦分離,效果也就沒了。思之想之,這樣的電路,常效大概是有的,但是對片刻內之中點偏移,伺服效應恐怕不會太快,就業餘者來說,或許不如時下流行的普通伺服電路來得簡單好用;但對產銷者而言,由於它的獨特,仍不失為宣傳上之利器。以上敘述,是僅就放大級部份做簡要說明,若不說明電源部份,實在難以想像,像這樣用上六十顆晶體堆砌起來的龐大結構,居然只是單聲道而已。
圖四是SE-A1之緩衝級線路,位置在主放大級之前,職司阻抗變換。因為信號傳遞之主路徑上,所以仍加上伺服線路;耳機放大級與本級相同,但無熱伺服,除此而外,SE-A1尚包含DC檢知溫度溫度保護、電表等電路,後者可能比你想像得到的要複雜許多;即使預調音量控制級,簡單到只有四只VR與四只Relay(與輸出Relay連動),可切換四只喇叭。實際使用時,由於時序上之配合,保證不產生任何噪音,觀微知著,可以見得Technics製造SE-A1之決心了。
前文提及,Technics的新A類理論,是以降低電源電壓來達到低熱消耗之目的。不過,我們當然明白,降低電壓,即是減少輸出,如何能有350W之輸出。Technics對降低功率所付出之代價是:把原來之單一放大級增加一倍,換句話說,每聲道使用兩個放大級,一個輸出,使用低壓A類供電,另一個輔助驅動,採用B類高壓供電。
如圖五,是圖三之主放大級結構簡圖。U1 U2為上下兩輸出級之正負供電壓,U2為±100V,為固定電壓,與一般放大器相同,即是變壓器次級經整流濾波後之電源,兩電容中點接地,為全機之共同地點。U1為±5V,為浮動電壓(提供P1輸出級作A類輸出所需之電流),仍依一般方式濾波整流,可是中點不能接地,因此沒有實際電未(剛才說,U1為±5V,係指相對於本電源中點而言),Technics進一步引一條線從P2輸出端到U1中點,則U1中點的電位即是P2輸出點之電位了。靜態情況下P2中點(O/P 1)之電位視為零電位(當然不是真地),所以U1兩端電壓各為±5V並沒有錯。但如果U1之中點不是零電位,也就是說,O/P 1離開了平衡點而作上下搖擺輸出時,整個情況將會如何?試著接成一個如圖六之電路,並於調整VR時,觀察A、B兩點之變化?
我們已然了解SE-A1的整個放大級的電壓是這樣加的:P1 P2之電壓放大部分都加到大輸出所必需之足額高壓(±105V),使信號送到下級之前沒有切削之顧慮,P2輸出級加壓±100V,足夠產生500W/8Ω之電壓擺幅,P1輸出級只加±5V之電源,但靜態時流過極大之電流(在SE-A1為6.7A)。±100V之濾波電容中點接地,±5V的電源中點則接到P2輸出端,無信號時,±5V之濾波電容中點等效接地──以上為靜態情況。
當信號加入時(假設為正弦波),由於P1 P2輸入端並聯之故,兩者之電壓放大級同時輸出擺幅±Vo之信號電壓,P2輸出級為尋常接法,輸出端之輸出亦為±Vo,此一電壓加在U1電容中點,即使此中點也同樣作±Vo之上下搖擺。根據前面小實驗,我們不難明白,U1之鄭端將會在5+Vo~5-Vo間擺盪,在不斷搖擺下,U1正負兩端是中相差10V而保持同步。因為U1乃是P1輸出級之電源,級P1輸出級乃是工作在一與輸入信號作相同變化之浮動電源,而非傳統之固定電源,是則不論輸出若何,±Vo之輸出電壓將永遠為5±Vo與-5±Vo之正負電源所包圍,三者同步擺盪,信號消失的同時,浮動電源也回復到靜止狀態。SE-A1之靜態電流設定6.7A是做為350W/4Ω所需,當以8Ω負載時,輸出將高達500W以上(靜態電流則在6.7A以上),若以傳統A類方式處理,發熱量將高達2500W以上。以多一組放大器的零件來換取超過2000W的熱消耗所需之零件設備(想一想,你將得準備多少高壓大功率晶體,幾十公斤的高效散熱片以及千瓦級以上的大電力變壓器),毋寧是便宜太多了。
SE-A1代表了Technics的一項卓越成就,更大的成就則在於浮壓理論,它提供了一種自然而不牽強之變通方式而得到同等的優良效果。雖然SE-A1以其嚇人的條件而不能得到應有的評價,這不過是它的不幸罷了;音響世界中,遭不幸的豈僅是SE-A1而已?(下期續完)
轉載音響技術第69期SEP. 1981 浮壓式A類放大器製作(上)/黃 氏
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