2. 功率放大器
功率放大器又叫做輸出放大器,其目的在於推動充分的功率輸出到揚聲器。
直到前置放大級,放大效果僅由電壓放大就能完成;但是僅僅有電壓放大並不足以使揚聲器正常工作,所以功率放大也是必需的,也因為如此,揚聲器的輸入也是用瓦特來表示的,和放大器的電能輸出一樣;電功率等於負載電阻乘以電流的平方,即:W=I²×R,所以,如果輸出功率和電阻已知,電流也能算出來的。
利用上述公式倒出I=√W/R,100W在8歐姆的揚聲器產生3.5A的電流,在4歐姆的揚聲器則有5A了,而輸出端的電壓,利用V=IR的公式,8歐姆時是28V,4歐姆是20V。
對於來自前置放大級的1V左右輸入而言,30倍的電壓放大率似乎非常低,但是如果我們假設1V的輸入阻抗1KΩ,電流就是1mA,這和前面算出功率放大級輸出端3.5~5A的電流比起來,其放大率就少多了。
這意味著功率放大級的操作旨在獲得功率,和前置放大級完全不同。功率放大器所用的元件都很大,這是因為有大量電流流通的緣故,所以對於散熱裝置也要很講究。
無庸贅言,如果功率放大器的輸出很小的話,構造也很簡單,例如說,輸出8W到8歐姆的揚聲器,電流只有1A,但是100W的輸出時,電流3.5A,所以各元件間會有相當大的差別。
表1列出的是輸出功率比和成本比的關係,當然這種關係未必完全正確,但也可以當做一個準則來看的。
現在最流行的是中級的放大器,輸出約在30~40W之間,也有一些100w的高功率放大器,以及較少數的300w×2或500w×2的輸出能力。
放大器的功率輸出應當由輸入信號的動態範圍、聆聽室的諧振情形和聲音吸收能力,以及揚聲器的效率來決定,自然這些因素相互之間也有關聯。
人耳對音壓的感覺是對數性而不是線性的,所以如果只考慮音壓水平的話,輸出要增加約四倍,音壓才會加倍。
所以,如果某人想要有他目前25w放大器兩倍功率的話,他該買的是100瓦輸出的放大器,而不是50瓦的。
無論如何,儘管是節目來源的動態範圍漸漸增加,造成今天放大器功率要求愈來愈大的主要原因,是一些為了獲取某些較好音質而不惜犧牲揚聲器效率的趨勢日漸增加的緣故。
如果我們看一看揚聲器的效率,會發現大多數在80dB左右,而考慮及在無響室內。1W的輸入在1米距離處都能聽得見,聲音和距離的平方成反比例減弱,再加上小聆聽室中有高度的反射,而使得音壓不致減弱,以及立體聲時音壓加倍,我們可以看出,正常聆聽水平下,1W×2就很充分,而即使最大水平的要求為100dB,20W×2也充分有餘了。
這也和所聆聽的音樂類型不同而有差別,聽室內樂和巴洛克式音樂不用高功率,而爵士樂和搖滾樂由於錄製時電平很高,動態不大,事情也很好辦(對揚聲器而言就不好辦了),但是在動態範圍很寬的樂團演奏時,有很多峯值狀態,最好能有高功率。
也有可能同樣是20W×2的功率,有的放大器能送出平滑的峯值聲音,有的卻產生失真,這可能是輸出愈來愈大趨勢的原因。
ⓐ 電源級
我們提及一個放大器有100W的輸出時,會有這些100W的功率來自電晶體的感覺,但是往後我們會知道,這些功率是來自電源級。而電源供應自然是要能平順的供應功率放大級和前置放大級的消耗。
不能說電源級發出100W的功率,就能有100W的輸出,熱也會消耗電力的,現代放大器的電路已能極端有效的運用電力,也只有60%~70%在輸出出現,這在真空管電路中只有30%左右,因為燈絲加熱電源也算在內。放大器的兩個聲道都輸出100W時,要有300W的電源,這是一般家庭配線的要求。
在電晶體和真空管的放大器中,變壓器都扮演供應所需電壓的角色,其輸出要變成直流,整流由矽質整流子完成,而由電容器擔任濾波和貯蓄電流的任務。如果電源級沒有邊際,失真等會在峯值時發生,而使性能大為惡化,放大器輸出愈大,電源電路的容量就要更大,因而不僅電晶體、整流器、電容器等要較大,還要有更有效的散熱才行。
3. 前置──功率放大器
這也叫做綜合放大器,包含了前置和功率放大器的所有功用,前置放大器和功率放大器分開時,叫做分離式放大器;這種機型不只有一般型式的,也有高品質的機種;而同時這種機型空間較簡湊,也易於使用。
4. 收音擴大機
這也叫做完全放大器,把調諧器和前置以及功率放大器合在一起,但是沒有揚聲器還是不能發聲的,這種類型有很多機種上市。
二、放大元件
由於電晶體的發展神速,現在幾乎所有的放大器元件已經晶體化了,但這並不意味著真空管放大器已然落伍,仍然有許多人深信真空管機種發出來的聲音比較中聽。
和唱頭及揚聲器比起來,放大器的頻率響應和失真特性更為優秀,不像揚聲器,能聽出兩款放大器之間差異的人很少,饒是如此,真空管的音色和電晶體硬是不同。
我們所看到的放大器特性是在靜止狀態下測出來的靜態特性,像是依照美國的IHF等國際標準所測出來的,即使是這些特性間差異很少,由於推動特性不同,會使放大器的音色有所不同,到目前為止,測試方法的標準還沒有訂定出來。不管怎麼樣這個問題也包括了和揚聲器的相互關係,這也是未來研究的主題。此外還有兩個和真空管電晶體之爭有關的主題,這便是A類放大電路和FET放大器。
最正統的真空管放大電路就是A類電路,這一類型的電路有最佳線性和最低失真,但是由於其電力效率低落,再高功率的時代已然被拋在一邊了。
但是,用電晶體的A類放大電路卻問世了。然而,由於即使是小信號時輸出及也持續流有大電流,故而不僅是電晶體要能承受這種運用,熱的發散也是一個問題,也就是說要用特別的散熱裝置和保護電路,所以未能廣泛應用。
隨著放大器技術的進步,不僅是失真量,連失真的性質也成為一個問題,在這方面,B類放大所不能避免的交越失真和notching失真(低電平時特別清晰可聞),A類放大也會遭遇到。
在失真方面,A類放大很明顯的優於其他,但是50W級放大器所用的散熱、電源等裝置就要和15~200W的B類放大相當,所以,有許多放大器的設計是在低功率電平時用A類放大,而在大輸出時轉換成B類放大;同樣值得注意的是FET是一種高電壓控制放大和高輸入阻抗的電晶體,而其工作情形和真空管相似。然而所謂的垂直型FET其工作情形正和三極真空管一樣,而其特性要比真空管優秀。
由於其工作情形和真空管一樣,真空管的放大器基本電路可以毫無改變的派上用場,而對因熱而引起的破壞抗拒性很好,所以這類元件可以決定放大器發展的未來方向,而這種日本人開發出來的垂直型FET,用來做輸出級後,會使FET放大器征服音響界。
三、NFB電路
NFB(或NF)是指負回授,NFB在放大器電路的設計是如此重要,以致我們可以說NFB使高傳真(Hi-Fi)成為可能,現在我們來看一看其基本原理。
把一個電路的輸出局部或全數送回輸入端,會使增益增加或減少,如果增益增加了就是正回授,而增益減少就是負回授了,級送回輸入端的輸出和輸入信號相位相同是正回授,而相位差異180°就是負回授。那麼,NFB有什麼好處呢?
1.使頻率響應平直或維持已定的頻率響應
2.改善失真
3.減少雜音
4.改變輸入和輸出阻抗
5.使電壓放大一致
這些對放大器極為有用,因而在電晶體和真空管放大電路中,NFB應用得極為廣泛。而其優點完全是來自犧牲了電壓放大率,但是有許多方法來補償電壓放大率。
圖18是一個基本的NFB圖示,首先圖(a)所示是沒有NFB的放大器,放大率A,ei是輸入,eo是輸出,所以eo=Aei。
而當Aei被R1和R2分享的時候(實際上,R1表示回授網路,R2代表射極或陰極的直流電阻)R2上呈現下述電壓:
換句話說,即令頻率變化,只要β維持不變,放大率A';而增益和負載只管變化,穩定性都得以改善,頻率響應也能獲得改善。
公式(3)是計算NFB的基本公式,相當重要,而β是回授比,1+Aβ則是回授量。
是以,由公式(4)可以看出,負回授放大器的放大率和未加回授前的放大率無關,而是β的倒數,而加上回授後的頻率響應也有一特別形式,帶上一個β。
同時,在有回授以前,放大器的內部會產生失真和雜音,而當輸出回授到輸入以後,這些失真和雜音也因為和輸入反相而抵銷到,因為這樣,雜音減至1/(1+Aβ),正好是回授量的倒數。同時,輸出阻抗會減少,視回授如何施加而定,而輸入阻抗也會增加。
負回授要在電壓放大率非常不一致的電晶體電路之間施加,而在真空管電路中,如果最後的輸出級負載是阻抗變動頻易的揚聲器,也必須這麼做。
四、前置放大電路
1.等化電路(equalizer)
在今天,唱片是依照RIAA的標準刻錄的,而錄音帶則是依照NAB標準,圖19所示是RIAA標準的重播特性曲線,大致上有兩種補償電路能用來獲取這種RIAA特性,一種利用NFB,另一種利用級與級之間的CR常數的CR型,幾乎所有的電晶體和真空管電路都是用NFB型的,只有一些用FET的高品質機型用的是CR型。
ⓐ 基本真空管電路
圖21顯示的是有代表性的真空管NFB和CR型等化電路,多少都曾廣泛應用過,也有錄音帶磁頭等化電路以及可以在50μS和90μS之間切換者,CR型電路的B電壓250V時,1KHz的增益大約38dB;在NFB型中,負回授由最後一級的屏極到前面一級的陰極,等化可藉把這一段頻率範圍送進一個時間常數電路而完成,這種電路的增議約有37.5dB,同時由於負回授是由輸出端取出的,所以輸出阻抗較CR型的低。
錄音機的校正電路最近已變得不需要了,因為在錄製時,就已經用將磁頭特性列入考慮的校正曲線校正過了,所以這種磁帶錄製特性的重播輸出可以直接取出的。
ⓑ 電晶體等化電路
現在我們來看一看基本的NFB型電路。先看圖22,RIAA校正電路的特性曲線是用四條點狀直線在50Hz、500Hz及2.12KHz及三點連接起來的,這條曲線是由時間常數分別為3.180μS、318μS及75μS的CR合併而得的。
已經有平直特性曲線的放大器也能採用負回授,用一個NFB元件R2來做RIAA等化,我們因而得到一個有平直特性的NFB放大器,而其中頻增益由R2決定。
其次,如果要把高頻範圍自2.12KHz降低,我們可以把f=2.120代入公式f=1/2πT中,找出時間常數T,而C2亦可因T=C2 R2而算出;要變化500Hz點的話,C2的阻抗可以因為和R2比起來大得很多而忽視掉,318μS的時間常數可以用上述公式算出;至於50Hz,低頻範圍的上升受C1控制因而和C1併聯有一R1;由於1KHz和50Hz的增益相差20dB,NFB的電阻比值可以設定為10倍,而計算500Hz的C1時,要用R1和R2併聯的數值代入。
正如上述,一旦R2決定了,所有元件的值都能計算出來,通常,NFB是加在兩級直接交連電路上,而用射極隨耦電路做第三級,或者即使是NFB阻抗的不良影響已能避免了,仍可在兩級的直接交連電路後加上一個互補(complimentary)型式的射極隨耦電路,來解決其他問題。
有了這種SEPP(單端推挽)電路,等化放大的特性已趨近完美,故而不管頻率如何,都能獲得相同的最大輸出電壓。
圖24所示是一個為了避免NFB型電路的時間常數所引起的NFB穩定性問題,而採用CR型的高品質等化放大器。
唱頭輸出先經第一級的單位放大級予以放大,再經過由C到R組成的RIAA校正電路,最後由單位放大級再行放大,放大器的輸入能力和S/N比都因第一級的單位放大而增加,所以如果外加+100、-110,的高電壓,就能得到低失真的6Vrms輸出,而藉著調整電平控制,可使2~8mV的輸入,得有下述傑出的特性:在20Hz時有25~100mVrms,1KHz時200~800mVrms,而在10KHz時有800~3.200mVrms,這種電路完全表現出FET的特色。
2. 音質控制電路
此類電路的基本工作原理和等化電路相同,所以也有CR和NFB型,但所處理的電平較等化器為高,所以注意力應當放在動態範圍和失真上。
CR型音質控制因為採用電阻電融而使增益降至中頻的數值,而可藉變化高頻或低頻的衰減比率而使特性衰減,這種類型的好處是結構簡單而使生產容易,也沒有振盪等問題發生。
而NFB型音質控制則是用負回授來衰減中頻範圍,負回授量減少時,高低頻範圍的電平增加,因此,加上NFB時失真很少,而問題是並不是隨時都加上NFB的。
同時,如果太多的NFB加上而使高低頻範圍的特性降低時,電路會不穩定,甚至振盪,由於這個緣故,NFB型音調控制電路的常數是完全已定的,也因而一旦採用這種電路的話,可以減少發生這種問題的顧慮;是以CR型或NFB型孰好孰壞,很難決定。
..................................................................................................................................................................
編註一:本篇只談到電晶體等化電路,下篇由真空管等化電路論起,一直到全對稱輸出直流放大器。
編註二:為使讀者充分了解,有關真空管、電晶體、FET的基本結構圖都以英文說明,唯以後只保留原文,請讀者學著教育自己。
轉載音響技術第49期JAN. 1980 淺說Hi-Fi音響/音響系統的心臟-擴大機 上篇(第二章之二)原載於日本YAMAHA公司所出版的「Audio Handbook」
留言列表
