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伺服是何也?

  伺服(Servo)原是用於電動機(馬達)的名詞,是一種控制馬達轉速的裝置,使它不管是處於何種負載下皆能以準確的轉速運轉,它的工作原理是在馬達的轉動機構(可視為馬達的功率轉出端)設有檢速的裝置,檢出的實際轉速再與標準的轉速(預期它工作的轉速)相比較,從而產生一個糾正的訊號去指揮驅動電路,使馬達轉速增或減而達至穩定轉動的目的。因此,音響中所謂的伺服放大器原理亦是從放大器的輸出端檢出奇直流的偏移(包括極低頻ELF),從而得到一個誤差訊號加到原放大器的輸入,以抵銷輸出點的偏移。

何以要用伺服於電路中?

  最近的放大器電路,對於影響音質甚鉅的電容器總是想盡辦法要把它排除掉,因為信號路徑中的電容器常會引起許多困擾:(a)相位移;使高頻時常引起電路的不穩定或振盪(b)漏電的電容器會使放大電路的工作點偏移,其後果不想而知(c)有些電容器產生很大的噪音,使用在低雜音的電路時(如RIAA或Head Amp.)使一切低雜音的電路措施形同枉然(d)電容器是一種很佔體積的被動元件,尤其當容量與耐壓都大時更甚。品質高、容量準確的電容難求,也給線路設計者帶來很大困擾。凡此種種才有當今DC放大的盛行(DC放大一稱為Direct Couple,一稱為直流放大)。

  有人認為:要一個放大器變成DC形式有什麼難呢?把輸入、出電容、回授電容都去掉不就得了?不錯,這樣是變成DC放大器──輸出端存在有"DC"電壓的放大器。輸出端存在有"DC"電壓的放大器。輸出端存有DC電壓有何不良影響?在電壓放大電路來講,會影響下級電路的偏壓及動態範圍,在前置放大器中它會使音量、音質控制器在轉動時發出噪音,在後級放大器中會使喇叭燒毀,輕者也會使喇叭因經常通有直流而磁化,極易引致飽和失真。而且極低頻的直流漂移會使互調失真顯著地增加。

  因此DC化後的主要話題乃在於如何使輸出維持在零電位,不只是一小時兩小時,而是一月兩月甚至一年兩年都如此才行。Onkyo首先設計了這個維持輸出零電位的方法,就是所謂的超級伺服電路(Super Servo),已成為當今DC放大電路結構主流。

什麼是超級伺服電路?

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  伺服方法用在DC放大器中並非Onkyo獨有,只是方式大不相同。圖一表示放大器的直流增益在不同伺服方式中的情形,(a)為普通伺服電路,電路增益在0~20dB左右(b)圖為超級伺服,能夠使放大器的直流增益低至負的,以使輸出端有任一極性的直流偏移都能立刻被糾正。再看圖二為電路的結構有何差別,(a)圖是普通伺服它只是把輸出訊號取出一部分經低通濾波及電壓隨耦器之後,得到伺服訊號,因此直流的增益只能降至零而不能為負。(b)圖是超級伺服的架構,先將輸出訊號經米勒(Miller)積分器分所得訊號再經反相單增益放大器放大器倒相後成為伺服訊號,因此它能使放大器的增益達到負值,以糾正任何出現在輸出端的漂移。

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超級伺服的原理與特色

  超級伺服電路要處理的對象是直流放大器中輸出端不管由於任何因素引起的直流漂移(正或負方向的皆然),以及訊號源中包含的極低頻成分(極低頻的成分不但易使喇叭過分振動而損毀,也會因此損失了動態範圍和產生互調失真),因此超級伺服是適用在任一級電路內(只要它是直流放大器都有必要)。

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  圖三(a)是超級伺服放大器的結構方塊圖,其中回授的部份除原有的信號負回授外,還有伺服回授電路,兩者相加之後輸入主信號放大器的負輸入端,(b)圖是實際的電路架構,其中A1是主信號放大器,通常是接成非反相型。Rf R0即為原來決定全電路增益的信號回授電路,伺服回授電路則包括了A2 A3 RC RN 2r r 等元件,A2及RC作為米勒積分電路,從阻抗的基本觀念來看,A2的增益是隨著頻率的下降而「下降」(A2=Zc/R, 因A2是反向放大,故實際上A2的增益是隨頻率的下降而往負的方向增加,故曰下降),到了Fo=1/2πRC時增益為0dB(Zc=R, A2=1),頻率再往下降時A2增益就變成負值(dB),至直流時達到負無窮大(實際上不可能為無窮大,而受限於C的品質及A2的開路增益),這個直流增益的特性曲線級圖一(b)所示者。隨後A2的輸出交連至單增益反相放大器A3輸出端出現的就是隨A1輸出端的漂移而變化的伺服訊號(同相位),再經RN後與從A1信號回授網路Rf來的負回授信號相加,送入A1的(-)輸入端。注意,從A1的輸出至A3的輸出為同相位之故(即A1有多少漂移,A3即產生相對大小的訊號),把A3輸入A1的(-)端因而能將A1的輸出漂移予以抵銷。通常fo的頻率都是在1Hz以下,故實際上並不影響放大器的低頻響應,因此,加上超級伺服的直流放大器雖然輸出端能永保零電位,但卻已不再是「直流」放大器了。

伺服電路種種

  談過了Onkyo的超級伺服電路,的確使DC放大器的工作性能達到最高境界。事實上在放大器DC化之後各廠無不竭盡心力地研究直流漂移的對策,除了前面提及的普通伺服電路外,尚有「非反相伺服電路」(圖四),用一組被動式低通濾波器及一組動態濾波器所組成,只用一個放大器於伺服電路中接成非反相型,直接把直流漂移訊號檢出作為伺服訊號。這種方式雖省了一個放大器,但其伺服增益較低,適用於高增益電路中。Pioneer的A-900即為一例。

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還有一種「DC伺服電路」(圖五),也只用一個放大器在伺服迴路中,將之接成積分器(與Super Servo同)但其輸出並不經反向而直接接製的A1(+)輸入端(Super Servo是反相後接(-)端,道理是一樣的),省却了反相放大器,不過這種接法將使整個放大器的輸入阻抗低些。這種方式見於Accuphase的電路中。再如Technics的「Active Thermal Servo電路」(圖六),它的伺服方法是把直流漂移檢出之後,經過熱結合的電晶體對,以熱感應的方式控制輸入差動級的電流鏡電路,使電路維持平衡而抵銷輸出端的偏移。

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綜觀以上各種電路,我們發現各種伺服的目的,無非是使輸出端的直流保持在零電位,而且也都是採用Miller積分或低通濾波以對付極低頻的電壓漂移,各位可以從此比較出各種伺服的優劣。正當各廠把注意力集中在這個訊號線上的伺服系統時,Onkyo的工程師確認了接地迴路所造成低劣的低頻響應同樣的影響著放大器的性能,所以研究出一個對策,在訊號線上的伺服電路之外,另加了一組地迴路的伺服系統,稱為「雙超級伺服系統」(Dual Super Servo System),由於接地是共用的,經由這種雙伺服系統之後低頻的響應及串音的現象都有極具效率的改善。

雙超級伺服的作用

  理想的放大器接線應該是像圖七般只有一個接地點,然而由於配線上的種種問題,譬如存在於PC板銅箔或PC板與PC板間的接線所造成的微小阻抗,以及在前後級分開式的機器中,前後級間接地線的實際阻抗(參看圖八),

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這些因配線、地線、信號線等引起的阻抗及感應到的不要信號,存在於放大電路中,就像圖九中的en及z(表示這些接線的綜合阻抗),很顯然地從輸出端及輸出的地端間所得到的輸出電壓,將成為eo+en,也就是把不要的低頻雜訊都混合在輸出中,不管它是存在於放大器的前級或後級都會影響放大器的性能。如果能把這個訊號取樣,也像低頻漂移般的輸入放大器的反相輸入端,去抵銷混合在輸出中的雜訊成份,那麼這些配線的顧慮就可消除掉。實際上要這樣做並不困難,而且在原有超級伺服電路中即可輕易達成。

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如果是前級或後級或前後及在同一機箱中,則如圖十般從負載的下端把雜訊源en接入積分器的正輸入端,即可完成另一組伺服作用。如果是前後級分開的,則圖十一的接法中,把後級接地輸入到前級的伺服電路之(+)端,即可得到全部的伺服作用。

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此時,由於多了一個伺服訊號的Sensor接線,每聲道前後級間的接線需要三條,為此Onkyo特別設計出一種三線三端的訊號線(圖十一右端所示),兩端的接在前級放大器,一端的接在後級,成為一種很特殊的級間交連。圖十二圖十三為廠商發表的雙超級伺服在低頻及串音方面改善的效果。十二圖顯示前級放大器的負載在低至5K時,低頻響應仍與100K時一樣,而一般放大器則在20Hz時已下降到3dB了。十三圖說明在使用雙伺服之後聲道間的串音現象幾乎完全消除,其效果等於把電源電路的性能改善50倍,實在是放大器性能的一大突破。


後記

  使用雙超級伺服的Onkyo放大器中,後級有M-5060,前級有P-3060,前後級有A-15,使用Super Servo的放大器有A-7090,A-7070,A-7040,接收機有TX-3000。

轉載音響技術第58期OCT. 1980 日新月異──直流放大器的剋星──Super Servo/莊 仲

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