每一個喜歡自己裝的朋友,一定都擁有一個百寶箱,箱裡搜羅了各式各樣的零件:大電容、繼電器、接頭、風扇、晶體、IC......好多好多。有的是星期天去做「蒼蠅」叮回來的,有的是隔壁王媽媽的嫁妝沒修好、有的更可能是和老闆價錢談不合,一氣之下,「浮」來的......。這個百寶箱,別看它破破爛爛,可還真能變出不少東西呢!音響技術的同好不就讓他的真空管唱起歌來了嗎?我相信很多朋友和我一樣,看著一堆堆的寶物,真有躍躍欲試的衝動,所以......。
一般我們想做一部的時候,不外兩種方式,一是找一張線路圖出來,找出晶體等一干零件,按圖索驥,頂多接錯時燒兩顆晶體、燙燙手而已;這是相當保險而穩當的方法,除非拿到的線路圖有錯而又沒能夠發現,一般來說,「唱歌」是沒有問題的。問題是:當越玩越起勁,越玩越入迷的時候,這樣子實在不能滿足。簡而言之(這是種感情的行為),就是不過癮,縱使做好了,也沒有太大的成就感,我個人不喜歡這樣。
第二種方法,就是想辦法計算線路中的電流、電壓值──設計你自己的Amp.──,因為你可能有一大把MJ410,偏偏你手裡的線路都是用2SD745的;或者你有一堆難得的2SK146,可是這種超低雜音FET,用的人實在不多,也蒐集不到線路圖,難道就此放棄,去買次級的2SK30A不成?最要命的是:你對高頻段的失真相當挑剔,但很多廠商在高頻的特性都不能令你滿意,仿造這樣的線路,當然會怪怪的,改嗎?有限!根本解決之道──重新設計。
在重新設計的過程之中,有幾個好處是定可以得到的:
一、把你最得意的材料「逗」起一部Amp.,它一定是你最得意的東西,由其免了媽媽或太太在大掃除時的埋怨,甚至可能一反他們本來對他的憎恨而變成喜歡──當然,這「喜歡」二字是會移轉到你身上來的。
二、在設計過程中,所能得到的知識,豈止是讀幾本書所能比擬的?倘若你能像我一樣,不怕出醜,把它寫下來,所得將更多;因為,高明的讀者自會指出你的錯誤,或提供更好的辦法。
三、完全是感性的。成就感是每一位自己裝的同好所追求的,設計工作的完成,所能得到的成就感,那真是不可言喻。
當然,這樣做你可能有更多的釘子可碰、常常有焦頭爛額的機會,令你的確很喪氣。可是,唯其如此,所得到的快樂也愈多,不是嗎?
所以自大年夜開始,我逐步實施我的計畫,以下是我設計這部命名為「Item I」(一庭一號)的小Amp.。小雖小矣,但高級品該有的,俱在一也!
根據構想,我先畫下了圖一的線路圖,我希望它是這樣子的。Q1 Q2構成差動式的輸入級最小的雜音特性(Noise Property)在這一級被決定,因此我用Q3做成可變恆流源(Prograwable Constant Current Source),既是「恆流」,為什麼又「可變」呢?那是因為Q1 Q2的Ic由E極上的VR1來決定。而Ic的不同Rs(Source Resistance),其雜音指數也不同,這一點我們很容易從一般的電晶體特性資料知道(如圖二)。而Q1 Q2究竟用什麼晶體?我們並不知道,也可能殺肉貨的晶體編號都看不出來,自然不知道它的特性,所以用可變電阻來調整,這一點,以後再更詳細說明。推動級(Pre-Driver Stage,也有人叫倒相級)也用Q5構成恆流源,它是與Q3共用R6 D1 D2取得偏壓。一般廠製機或為了省錢(大多數是)或為了特性,是用鞋帶式增阻電路(Boostrap),甚或一根電阻而已,由於我們只為自己做一台,而且晶體多多,所以小燒包一下無妨。Q6不用說是溫度補償及偏壓之用。Q7到Q10則分別為推動和輸出級。其中C3 R10 C4是在實驗之後才加上去的,C4一定用Mylar,C3則陶片就可以了。
由於在推動級之前,大部分都工作在A類的狀況下,裝過A40的讀者大概都知道,濾波電容要大些,大作甚?無他,使電壓調整率更好而已,而我使用了分離的B+1、B-1就是打算在這裡做一個穩壓電路。想想看,穩壓這麼多,隨便一翻就一個723、一個556。不過這次我用了兩顆晶體;所以,親愛的讀者,知道了這個作用之後,戲法怎麼變就全在你了,你要高興用他一大把晶體、IC都成,反正這是自由發揮的時候。我的電源電路是圖三這個樣子。
骨架已有,開始長肉吧!
設計開始,先一定要有能源。
找到一個15-0-15的變壓器,大概有1A左右,由於我只打算做個5W左右的Amp.,最好工作在A類,這樣的電壓顯然太高了,因此對B±1就要降得低些。翻出兩顆15V左右的Zener,並劃出了如圖三的Power Supply。像這樣的線路,實在稱不上什麼設計,不過是根據經驗,知道它一定可行而已。
有一點要注意的,由於供電壓高:
15V×√2=21V
因此在Q9 Q10 C-E兩端的壓降就大多了。因此Q9 Q10耗散掉的功率就大了。最後我決定用最通俗的2N3055/MJ2955,理由是我可以最容易找到它們。
濾波電容用的很大,一共是8800μF,嚇人!其實也沒什麼,去舊貨攤買大電容,是論個而不論大的;而且隨手都可以找到10KμF級的。我們都知道,「大」只有更好,而且是床底下現成的,有機會自然用掉它。
兩個0.1μF(線路圖上未繪),屬於它但是應該在Main Amp PCB上的正負端電源輸入的地方,而不是在Power Supply附近。
Q7 Q8 Q9 Q10實在說不上什麼設計,反正SEPP就是這麼回事,也沒什麼可動的。本來打算做上短路保護和逆向電流保護的,想想又不大可能發生這些毛病,就省了。R13 R14大家當然知道要用無電感的水泥電阻(Nun-Inductance Cement Resistance),比較有趣的是Q1 Q2 Q3,看圖五。
我們知道,對放大器而言,負載(Load)愈大愈佳;電阻愈小愈正。因此R2 R3的選擇就頗費周章了;有經驗的設計工程師告訴我們,在第一級的RL以1K~10K最好,折衷我選了4K7。Ic1 Ic2變成頭痛的問題,Q1 Q2的編號都不知道,究竟該有多少Ic1 Ic2更不知道了。翻書再看,咦?大部分都在0.2mA左右,查了好幾個晶體的特性,大致也在這附近,姑且暫定0.2mA,因此IE就是0.4mA,而VR兩端永遠是0.6V(D1 D2的1.2V減去Q3的VBE)所以VR1應該用:
VR=(2×0.6V-0.6V)/0.4mA=1K5
找來5KVR,慢慢調吧!
Ic4定在4mA,Q1之20倍,大致可以(不可以時在實驗桌上再見高下),所以R7 R8很容易得到:
R7=0.6V/4mA=150Ω
R8=(0.2mA×4K7Ω-0.6V)/4mA=85Ω
至於R6,不過讓D1 D2有偏壓,流過電流而已,幾百Ω隨便插上一個,只要電流不太大,太大燒掉了D1 D2;不要太小,太小D1 D2還未能動作。到這兒我不禁有個感想,很多機器,甚至名牌的廠製機,往往用一個齊納二極體(Zener)取代D1 D2,把R6接往正(負)電源而非地,至少有三點不合理:
一、接往正(負)電源,耗散功率則增加一倍,因為在R6上的壓降變大了,對電源供應是不利的,即使它的影響很少,但它畢竟是隻臭蟲。
二、一個Zener必然比二個Diode貴,而且Zener的電壓誤差總在1至3V左右,但Diode再插,不過零點幾伏的差距。
三、Zener有正溫度係數的,有負溫度係數的,為什麼要在線路多一個可能出錯的地方呢?況且,大量生產開始.萬一Zener缺貨,豈不傻瞪眼?用Diode冒的風險可小多了!
國內的套件商們,快改你的機器吧!(圖六)
其次再求增益,也就是R5 R4,
Gain=(R5+R4)/R4
由於B±1只有±14.4V,因此在輸出端的最大電壓擺幅也受到限制,應該以14V計算而不能以21V計算:
Voutput max p-p=14-0.5I×0.47Ω-2V≑8V
實測也證明了。(表一)
因此選R5=12K、R4=2K,C2則與低頻截止點有關,我用個1000μF,,搪塞過去。
R1一方面對Q1的B及作偏壓,另外也與C1構成一個高通濾波器,R1選100K,則IB1約有0.12mA絕對夠了!這個Filter的fo:
截止頻率fo=1/πR1、C1,
取C1為10πF方便找到,則:
fo=1/2.π.10μ
=0.159Hz(圖七)
最後算Q6: (圖八)
為什麼VCE定在2.6V?因為四個結合面(Junction),也就Q7 Q8 Q9 Q4的VBE加起來是2.4V,2.6V,(VCE)減去2.4V就是降在R13 R14的電壓,因此,靜止電流就是:
ICO=0.2V/0.47Ω×2=212.7mA
哇!好大,很接近CLASS A了,為什麼要這麼大,看了測試數據就知道了!
回頭再求R9、VR2:
用一個200Ω的VR來調便得了!
到此為止,線路直流部分(DC Bias)可說已經大功告成了,以後的遊戲,就開移到實驗桌上去了!
先把電源部分做起來。奇怪,在B±1的Ripple不小,電壓卻是對的?頗令人百思不解,反覆演算了好幾遍,實在找不到毛病,難道就此罷手不成?
忽然靈機一動,找兩根電阻加在輸出端,好了!原來沒有RL的時候,IL是得小很小的,因為DC造成Q11的B E極導通,但ICE卻沒有流過來,電路根本沒有動作!被這個小疏忽給耽誤了好久,真氣。
其次就是焊一片Main Amp.,用萬用板,在銅箔面上焊,而且零件間的間隔加大,使做實驗的時候,可以很容易伸入測試棒,或者伸入烙鐵換零件!有一個經驗,在做這樣焊接的時候,盡量使焊出來的東西接近線路圖,這樣一來,對照容易,不出錯,而且有問題時,請別人來看,也比較不會叫人有丈二金剛摸不著頭腦的感覺。
所用的晶體、二極體都是舊貨攤的只有Q10是買了兩顆MJ2955,因為找不到PNP的大晶體。讀者一定會問我,才不過四、五W的機器,用這麼大的晶體作甚?實在,的確,是大大的鈔設計了(Over Design),但是,我也另有一套解釋:等哪天我又弄來個大些的變壓器,只要換幾根電阻,這機器就可以換身一變,升格了。況且,將來還想接成CLASS A、BTL,只為眼前好,將來要換TO-3包裝的大鐵殼,那就累了?!而且,反正手裡有這麼多現成的,多好。最主要的,將散熱的問題也不成問題(不騙你,我只有一個散熱片,可以正好擺下四顆TO-3,而又正好沒錢再另買散熱片!)。
在此提供一個小經驗給所有的朋友:音響技術創刊這麼久了,每每在輕烟集或其他朋友的實作上,看到有「冒煙」的事情發生,往往一對MJ410、2N3055,甚至AR-6都變成了一縷縷輕煙飛去;天!多少鈔票就這麼燒掉了,多可惜,如果能用來買一張好唱片,聽一場好音樂會,多好!我本人一直是個窮學生,看別人如此浪費實在很感心痛,因為,燒掉晶體的原因十有八九是接錯,這樣的錯誤最不可原諒,因為你實際上沒有從中學到任何知識。
所以,作實驗時、裝機時一定要細心,全部接好,一定停一下,喝杯水,再檢查一遍,千萬不要嫌麻煩;接上電源之前,記得在電源供應器與機器之間加上保險絲,燒一根保險絲最貴不過一塊錢,一對MJ410多少錢?
到此為止,實驗板上也焊好了,準備試機。
我個人是基的方式,與音響技術上各先進不大一樣,寫出來大家互做參考:
開機,以電表先量取輸出端電壓,沒有1V以上,就不理它,再良取每一顆晶體的B-E間電壓,都是0.6V表示有動作,由於線路是自己設計的,因此各支路(Branch)上的電流也都知道,量取電阻上的壓降,求得與設計值很接近。到此為止,知道這個電路是可以動作的。量到此時,大約也有一兩分鐘,因此再量Q6的C-E端電壓,調整VR2,想調成幾伏悉聽尊便,我先調成2.54V。
DC偏壓有了,便在輸出端接上個數十K的電阻做負壓,先看小電流時的情形;這一步驟最主要希望調出最佳的Ic1、Ic2。重新開機,加入訊號,輸出端則接往失真儀(Distortion Analyzer),監視失真的波形,調整VR1使THD降到最低。在這一階段,是最花腦筋的了。首先我發現在高頻時失真甚大,一般來說,高頻的失真有賴補償,因此抓了一把10p~100p的小電容,在各個晶體的B-E、B-C間切試(Cut-Try),最後才決定在Q4的C極接上R10與C3串聯接地,並再Q6 C-E之間加上一個.1μ的。但是無論如何,失真始終偏離我的理想甚遠,只有留待日後有了更多的經驗再重新修改(讀者若有妙方或經驗盼不吝指正)。在VR1、VR2,補償電容之間反覆實驗之後,得到了所能做到的最好結果,於是便接上8Ω的假負載,正式的試機,又接了一個C5,這也是實驗桌上來的。
電路完成,開始畫P.C.B。
很多朋友不喜歡畫P.C.B而寧可抄襲書上現有的,甚至買街上現成的,這一點我最反對(作者按:這只是個人的觀念,讀者大可不接受甚或反對),因為只有畫過P.C.B的人才體會出其中所含的知識:接地問題、信號迴路、高頻的影響,超高頻時,銅箔上的靜電荷、PCB的強度、銅箔的電流負荷、檢修的方便、誤差零件的最小可能性,最後還有易作業、美觀,這都不是書上可以講的清楚非自己去體會不可的。最重要的,它可以培養電子人必備的德性──耐心與細心。
我畫出的P.C.B如圖十一、圖十二。圖十一是銅箔圖,圖十二是組合後(PCB Assembly)的接線配置圖,給不同意我觀點的朋友參考。在這塊PCB上,我只有一點說明:前者提到,這是一塊可以裝得下四顆TO-3的小散熱片,由於它是平底的,所以我選了它,這一來,在功率晶體與PCB之間毋需配線,不但如此,而且大大地提高了它的信賴度。如果今天我是套件製造商,我一定採用這種方法:
1.省卻工時──四個晶體共有十二根線,廿四個焊點;2.信賴度高,只要不差錯晶體,絕無燒掉的可能,3.省卻了固定PCB可能花費的同住、螺絲等,不知道國內作套件的朋友有何意見沒有?
用奇異筆畫PCB是個好方法,我再文具店找到一種「英士牌速乾筆」,筆身細、筆頭尖,讀者不妨買來一用。畫的時候一定要細心,而且有耐心的塗上兩、三層才丟到氯化鐵裡去搖去。至於洗去油墨也有妙方:在水龍頭底下用菜瓜布刷,可免受香蕉水的攻擊。
等全部零件插好、焊好,再照著實驗時的步驟重複一遍,確定OK後才裝機。
測好後,開始裝機。底板是一個真空管的鋁殼一切都裝在外面。組立散熱片是一大重點。看圖十三,最常見的組立方式是向13-a,因為「好看」,其實那最「不好看」;各位看,黑色箭頭代表熱的溢出,但是卻沒有地方可以散發到空氣中去,更要命的是沒有辦法叫冷空氣來和它對流;13-b則稍好,熱空氣不再被「關住」但是對流仍然不能發生。我們知道,最好把散熱片放在通風處,甚至加個風扇來吹,所為皆在製造對流而已,叫熱上升,叫冷進來;因此,最佳的散熱應該向13-c將散熱片立起來。這樣一來對流便可以沿著間隙發生,發揮散熱片的效果,聰明的你,更一定已經想到在散熱片底端的底板要多打些孔。想到這裡我真十分感嘆,國內某一著名套件,他不在問題上下工夫去研究,反而弄些不合邏輯的廣告來自欺欺人;這次我在音響大展,向他請教,這175W的機器,只用了這麼小的散熱片,有何特出的設計?他竟然說:「你看,它有兩個C腳!」曾幾何時,散熱和C極的數量發生關係,如此的廠商,怎不叫人感概萬分!
全部裝製完畢,便進行測試和試聽,測出來的數據是這樣的:(表一)這部機器的兩個最大的缺點便是高頻THD過高,我說過,這是個人段數不夠,有待努力;另一是Power太小,不過5W,只夠自己在房裡獨享,但是其他特性卻是頂尖的;由於幾近於Class A,因此在小輸出時失真更低,尤其互調失真低,更具音樂性,SN比也出奇的高,A加權(A-Weighted)達130dB,證明其雜音都是在人耳響應之外的,Q1與VR1的作用,在此可見!
至於現在最熱門的TIM卻沒有測,因為就我知道測TIM的方法,要用到頻譜分析儀(Spectrum Analyzer),而我沒有──不知道諸號稱「低TIM」,「超低TIM」的套件是怎麼測的?
到此為止,這部機器可說是大功告成了!個人以為,這部機器本身並無仿製的價值,但個人希望經由它,提出來一個裝機器的方法。與廣大的讀者朋友相互交換、切磋,求得更多進步與知識。
一定也有很多朋友對這部機器採懷疑的態度:隨便找來的Q1 Q2,中點電壓一定偏了;又不配對,特性一定很差;但是,告訴你,我一向不太信這邪,因為我相信零件的偏差,不可能造成電路的不穩定,否則工廠無從生產。事實上在中點完全未予校正,這部機器的左右聲道,中點電壓都只有0.04V左右,成績可稱不惡了!特性則如數據顯示,讀者若有不信,可以重測一遍。究其原因,因為我用了極深的負回授,使得晶體的各參數變成較不重要,這一點,在Millman電子學中九至十三章,講的相當詳細。
你也有興趣了嗎?期盼更多的「自己設計」機器!
後記:以上的文字部分是第一次裝機後寫的,本準備就此交到音響技術去的,可是左看右看,實在太醜了,而對於高頻THD一直耿耿於懷,又做了一次Review,也因此發現了更多的問題。
現在的高頻THD也可以接受了,因為改變了補償的關係,也換了幾個晶體。讀者如果看到照片上的PCB奇醜無比,就是因為改來改去的結果。有件事很有趣,兩聲道的失真相差甚大,我卻將它留下來,而且不註明究竟哪一聲道,機器留在音響技術,自認金耳朵的朋友可以去聽,看是否能分辨得出來!
這使我常常懷疑:究竟是科學的度量重要?還是人耳的感官重要?
S/N比出奇的高,因為事實上它沒有一點哼聲,看了底下的佈線就知道了,該絞在一起的都絞好了,該細、該粗的;該長、該短的,都照規矩來,這一件事是我這部機器上最得意的。我希望有時間把它寫下來。
在底盤下面和上面都留有位置,因為我希望再做一塊,接成BTL,在底下接一個增益較高的唱頭放大器,專門放在書房裡放唱片用。前置的構想已有了,我希望有時間作。
這部機器,不滿意的地方和得意處各佔一半,最主要還是個人經驗、學力都嫌不足,音響技術讀者中不乏先進高手,企盼能予指正。
轉載音響技術第53期MAY. 1980 造一部不花錢的Amp./我的 Item 1 後級放大器/一 庭
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