第48期梁中鍔先生Dynaco ST-150 Kit的製作做了一番詳盡的試製報導,這樣的做法雖然不是先例,但卻為這一命脈維繫了綿延的生機。以前,我們做過不少國內音響套件的裝機示範報導,內容也非常詳盡,從零件選擇到裝置過程而特性測試,也是非常完備,但是這一次梁先生對Dynaco ST-150 Kit的報導,卻有異於以往的幾次,使筆者有動筆一論之念頭,這當中的原因,並非僅限於那完整的電路圖、零件表及實體配線圖,而是由於那身藏於內中也是我們國人較為缺乏的精神內涵。Dynaco ST-150 Kit雖然不算是非常突出的套件,但是可以看出是非常可靠與負責的典型。仿製是自製的捷徑,而套件的製作也是成品規劃的路程,在我們沒有深厚的根基與理論的狀況,而且又不是居於領導地位或發源者,那麼謙虛的去學好這些現有的成果,是邁向成功目標的路徑。所以看外國的成品檢討自己的成品,看洋人的套件檢討自己的套件,分析所謂的「原廠線路」的設計來檢討我們自己電路的缺失,並把握自己的原則,立穩自己的腳跟,我們會做得比現在更完美。
ST-150 Kit 電路的恆流源
用於差動放大器的恆流源,有很多方式,見圖二所示。
(a)以單一電阻器做為恆流源產生的元件,這是最原始也是最簡單的方式,但在要求嚴格的電路中則不甚合用。(b)FET的VG固定時,IDS是固定的,而IDS隨VDS之變化而變化的量非常微小,因此用FET作為恆流元件得以抑制電源的漣波電壓成分及不穩定的電壓變動。(c)使用定電流二極體,和FET的方式相去無幾,不過定流二極體的電流值的標示規格較為穩定,也就是我們需要多少電流的恆流源就可選用這個規格的定流二極體,猶如選用然納二極體一般的方便。FET就不行了,我們可能需要在好多數量的FET中選擇適合我們使用的。所以差動放大器使用定流二極體的機會要比使用FET來得多很多。(d)一般擴大器裡常用的定電流電路就是此類,由於電路簡單,且可控制所需電流之值,故最常被採用。它先使用一枚然納二極體取得V+不穩定電壓的穩定成份,在把然納二極體的電壓轉移到R1上去,使R1得到近似恆定的電流,這電流就是電晶體的IE,而IE和Ic之值也是相近的,就又把這定電流轉移到電晶體的集極上去。理想的定電流源其阻抗應該是無窮大,藉電晶體電路構成的恆流源可視為Common Base的電路,所以對差動放大器而言,電晶體的集極端是無窮大阻抗。(e)Dynaco ST-150 Kit的電路裡使用了比其他電路都要複雜的方式。分析它的電路,可得到幾個結論。一、具有電流調節的功能。二、對高頻域的穩定性特別重視。我們現在就來分析這個定電流電路的細節(請看48期93頁的電路)。
a、然納二極體的電流是由V+經R6到D1經R5到地,這兒是選用14V規格的然納二極體,所以由P1的上端到Q1的Emitter應該有14V-0.7V=13.3V的電壓。
b、Q3的射極電流在P1(5KΩ半可變電阻)的阻值調至最大時為最小值,約為13.3V/(5K+2.2K)≈1.85mA,而在P1的阻值調整到最小職時,電流是最大,約為13.3V/2.2K≈6mA,所以說由Q3集極所供應給Q1 Q2這個差動放大器的定電流之值可藉P1之調整而改變,其調整的範圍是1.85mA~6mAm。
c、電容器C3接在Q3的Base與地之間,對Q3而言,其為Common Base的方式,尤其是在高頻時,C3的作用更為顯著。
d、C3除了上項所說的功用之外,它尚與R6(270Ω)形成對電源的高頻率濾波電路,其頻率的起始點約在f=½πRC≈½π270Ω×0.1μF≈5.89KHz,如果說判斷沒有錯的話,這RC電路的加入有助於改良這電路後面功率級所形成於電源中的高頻訊號對差頻放大器的干擾,故應可改善失真因數。
e、R4可視為這一恆流源的緩衝電阻,但是如果Q3的Base和Collector之間的寄生電容會影響差動放大器的話,那麼這枚1K電阻也算是有用的,否則就是可有可無了。
f、本電路對溫度的穩定性可能不甚良好。因為然納二極體D1值為14V是正溫度係數,而Q3之BE間之電壓是負溫度係數。所以P1上端至Q3 Emitter之間的電壓會隨著溫度的升高而變大,相當於恆流源對溫度具有一正溫度係數存在。
g、再看Q1和Q2的集極電流的分配對溫度的穩定性。Q1 Collector的電流流經R14及Q4的Base,因為如果是溫度變高R15上的電壓應該是固定的才能維持後面幾級電路的平衡,故溫度愈高,VBE(Q4)應該愈低,相當於V(R14)要愈低,又相當於Q1集極流經R14的電流需要量愈小,就這樣又使差動放大器更加不平衡。我們在分析當溫度升高時,流經R4的電流增加,流經Q1 Emitter的電流減小,流經Q2 Emitter的電流勢必要增加了。再把它轉換成電壓來討論,當溫度增高時,VBE(Q1)減小,V(R2)減小,而VBE(Q2)增加。所以結論是輸出的中點電壓會隨溫度之增加而降低,原因有兩個,一是恆流源未做適當溫度補償,一是Q4 BE端未做相對的溫度補償。
h、由上項討論,改變恆流源的電流之值會影響到中點電壓的平衡,所以改變半可變電阻P1當然就能調整中點電壓了,且梁先生在做中點電壓調整時,又強調將中點電壓調於+0.002伏(比零伏偏正些),可見如果我們的判斷正確的話,這步擴大機在開機時,中點電壓偏正,而溫度升高後,就會往負偏了。
Dynaco ST-150 Kit電路中恆流源的設計可稱亦有他獨到之處,為很多其他電路所不及。雖然現在的電路已經發展到雙差動放大電路的結構,但再1975年(距離現在有五年之久)就有這樣的電路來做為套件之用,而尚未被推翻,可見其特性與品質的穩定因素,仍為人所接受。
Dynaco ST-150 Kit 的偏壓溫度補償電路
溫度補償的偏壓供應電路,最簡單的是使用偏壓二極體,(以前也有使用熱敏電阻器的),後來為了電路特性的要求,都使用電晶體電路來構成。我們常見的電晶體偏壓供應電路都是一枚電晶體構成,而Dynaco ST-150 Kit卻用了兩枚電晶體,我們稱它為雙重溫度補償的偏壓供應電路,因為片面而言,它能有更高的電路穩定因數,也可得到更精確的補償率。就前者所謂更高的電路穩定因數,可以做如下的解釋,即當電源電壓隨著輸出功率的增加而降低時,這電源電壓的變動率對偏壓的變動率之比值,淺言之,我們不希望供給推動晶體及功率晶體的偏壓因電源電壓的變動而有所改變,因此,Dynaco對此一問題採取使用兩枚晶體以得到更大的增益與穩定性的方式,當然對整個電路的失真因數有所改善。又後者所謂更精確的補償率,即推動晶體及功率晶體為求得最良好的AB類工作的轉移點,使失真降到最低,那麼不管溫度的變化如何,偏壓供應的大小應該決定於這些電晶體所形成交叉失真的容許量及靜態功率消耗的容許量而定。因此,不隨溫度改變的靜態消耗電流如果一直保持固定值也不是理想的,用簡單的例子來說,如果擴大器的靜止電流在推動晶體及功率晶體的溫度為25℃時為125mA,而在這些電晶體的溫度升高到50℃時,靜止電流亦維持在125mA時,這樣的現象可能不是最理想的。在梁先生的製作報導中有如此的一段文字即「PC-36在出場前都是經過調整的,靜態電流都調至125mA(實際使用10分鐘後是75mA)」。非常明顯的如果Dynaco ST-150 Kit其偏壓的溫度補償函數是取自電晶體的活動區起始點,而依照這一原則而設計,那麼和實際上電晶體的特性就相符合了。如上面所述的現象,Dynaco ST-150 Kit這一部機器,就像是接上電源後,有自動預熱的功能一般。
電路簡析如圖三所示的電路,偏壓的大小即為Q6 Collector到Emitter的端電壓,這個電壓經過電阻R17和R18而到電晶體Q9和Q10的Base。從Q9的Base到Q10的Base一共有四枚電晶體的BE及EB相串聯,每一枚電晶體的偏壓約在0.6~0.7V之間,所以總偏壓量約在2.4~2.8V之間,用來控制這個電壓的元件是半可變電阻P2及R9 R10 Q5 Q6。基本上這些元件的結構相當於一枚可調電壓的然納二極體。電晶體Q5和Q6是達靈頓電路,可以相當於一枚有高放大倍數的電晶體一般。跨接於Q6 CE之間的電壓值約為Q5 EB間的電壓乘上R9 R10及P2的總電阻值再除以R9之值,所以根據計算的結果,Q6 CE間的電壓約在2.40V到3.05V之間,可藉半可變電阻P2的調整而得到所需的電壓。Dynaco這電路的偏壓溫度補償是將Q5固定在驅動晶體上面,這樣當驅動晶體之溫度變化時,得以取得溫度變化量的回饋,而得到改變偏壓的功能,以達到自動補償靜態電流的目的。
輸出端的反向保護二極體
在PC-36電路圖上,有兩枚反方向並聯於功率電晶體上的二極體(D301及D302),其功用正如梁先生所說,當有相反方向的電壓加在電晶體上時,就曾經由二極體而不會破壞電晶體。在說明這處置的根本用意時,我們先看圖四。
在開關S處於ON的狀態時,電感器L的電壓等於V,這時有L1的電流由電源流到L,二極體在此為反向偏置,所以沒有作用。當開關S由ON轉換到OFF狀態時,因為電感器L上的能量尚未消失,加在電感器上的電流和電壓之間的關係是電流落後於電壓,所以S的動作會使原本流電源的電流改變路徑,轉由二極體經過,如果沒有二極體跨在這裡,則電感器兩端就會有很高的反向電壓產生,成為不正常的現象。擴大器電路在滿負載甚至起負載的工作狀況下,它的功率晶體也可能有相關的動作存在,或是在高的迴轉率(Slew Ratio)時,電流就會落後電壓很多,(因為它所接的喇叭負載是電感性元件),在這種狀況下,輸出端的電壓會「超越」電源電壓而使功率晶體成為反電壓供應的狀態,很可能減短功率電晶體的壽命或甚至導致破壞,因此在功率電晶體上並聯反向二極體是必要的。除了Dynaco的電路有這裝置之外,幾乎所有的「原廠機器」都有設置。
電路的其他方面
原始的增阻電路:
由R12 R13及C8所構成的靴帶式增阻電路,其頻率的轉折點為1.59Hz,足夠應付低頻響應了。
具有時間延遲(Time Delay)的過載及短路保護:
正半週的保護元件為D2 C12 R21 R19 D3 Q7。負半週的保護元件為D4 C13 R22 R20 D5 Q5。當過載及短路時,皆於功率晶體涉及上的電阻(R302及R303)就會拾得較高的電壓,送到保護電路以截掉流經驅動電晶體Q9及Q10基極上的訊號。在保護電晶體的CB間有電容器C12及C13(0.01μF)併接,因此可見在過載及短路時,並沒有因為保護電路快速的動作而產生超過聲頻的尖峯波,所以在接用4歐姆喇叭的超載動作時,失真的聲音不會有刺耳的高頻瞬發訊號。
兩聲道併聯工作的額外裝置:
這應該是屬於Dynaco對這電路的額外章節,仔細的閱讀93頁的電路(48期),就可發現在PC-36及PC-37的結合方塊裡,電路的輸入訊號可以在輸入點就併接起來,而輸出時,又可經過R201及R202合成,經由B output端輸出。兩聲道的擴大器要併聯使用時有幾個條件,分述如下:1.增益的精確度要相當嚴格。兩部增益量不同的擴大器併聯,會造成不可預計的危險。我們查看一下Page 94的元件表裡,有兩枚⅛W 1% Metal film的電阻,這兩枚電阻就是這電路的增益元件,顯然使用1%金屬皮膜電阻是有它的道理存在。2.高頻工作時的相移量要相同。擴大器在低頻工作時,幾乎不會出什麼問題,但是頻率高到相當程度,它所產生的相移就不能不重視了,所以如果光是增益一樣而相移量不同,那麼還是不能併聯的,否則擴大器相互之間都成了負載。
特殊的高溫保護裝置:
用熱敏電阻作為訊號傍路元件以達到高溫時的保護目的,這種方法是罕見的。我在猜想Dynaco在設計這一部機器時,的確是考慮到這一部機器會是工作於無人看管的地方,否則不會有如此層層的保護措施。稍具經驗的電子工程人員應該有過如下的經驗,即國造的機器發熱是不正常的現象,可能導致燒燬。而老外的機器雖然很熱很熱,很奇怪!就是燒不掉。
共用了七枚保險絲:
這個數目可是我在國內機器中很少看過的。電源一進到機器就經過保險絲。直流供應到擴大器的正負電源都經過保險絲,所以每聲道兩枚,共四枚。另外兩枚置於喇叭輸出端。如果說因為這是套件的緣故,才如此層層保護,也是不無道理。
畫家在完成一幅作品時,可能花費了相當大的精力與長久的時間,我們在欣賞這一幅畫時,若是一瞥而過,而未能了解內中的涵義,就太可惜了。梁先生所製作的Dynaco ST-150 Kit,雖然我沒能聽到這部機器的音色,又沒能看到實體成品,但從分解這部機器的過程與結果中,也同樣欣賞到另一層的奧妙之處,覺不遜於欣賞一首有名的樂曲。除了拿烙鐵之外,希望我們能自更多方面發掘到更豐富的樂趣。
我們的套件能做得更好
以Dynaco 1975年的設計得以延續到現在,對發展神速的科技,尤其是電子科學而言,實在不易。當然我們認為有些東西很快就會被淘汰的觀念,往往為事實所否定。就Dynaco套件的「發行」量而言,一定不會是我們國內製作套件,總以幾拾或幾百台為目標,我曾經在一份報導中看到如下的一段文字:「凡是在國外住過的人士,大多會有一個共同的經驗。買許多家庭用品,大自書架、飯桌,小至茶几、運動器材,多半是回到自己家拼裝完成的。這種方式,使得賣者減少了為消費者完成的服務費、人工費、貯存費、保險費,而消費者也便於裝運回家,不必多付運送費,自己按說明書裝置,可減少購買成本,皆大歡喜」。近年來國內的套件廠商的數目有顯著的增加,希望他們都能「以質養量」,這樣才能在造價和品質之中都得到最恰當的處理,同時也是千萬讀者的福祉。(民國六十九年農曆新春脫稿於馬祖)
轉載音響技術第52期APR. 1980 Dynaco ST-150 電路局部評述/洪 飛
留言列表
