音樂訊號經過一放大器後,從輸出端取得的訊號,是不可能和原來訊號一模一樣的,它產生比原來訊號多的額外成分有二種,一是失真,一是雜音。失真是隨輸入訊號的有無相伴而生的,雜音則是放大器本身「生產」的。談到失真,不管是諧波失真、內調失真、甚至於瞬時失真,都是放大器放大倍數對其他函數的非恆定所造成的。所謂其他函數,即構成波形的基本因素,像振幅、相位、頻率、或時間,還有周圍環境的影響。所以反過來說,一具放大器的放大倍數如果不受任何因素的改變而能維持一恆定值,它就是理想的。
改善非線性失真最常用的實際而有效的做法,是回饋技術的應用,但是在應用這一技巧去處理原生的非線性失真時,又會額外的產生其他失真的現象,如最近很熱門討論的 TIM 失真,於是原始的開環路放大器又被搬出來了,音響技術 50 期中有一篇「沒有 TIM 失真的前置放大器」,就是典型的例子。我們可以聯想到或許「沒有 TIM 失真的音質放大器」以及「沒有 TIM 失真的功率擴大器」也會被著手設計。
如果純粹是做音樂訊號的再生,那麼一個沒有 TIM 失真的放大器儘管含有百分之一或更大的失真,在整個音樂的產生與再現的程序中,可能並不嚴重,因為從演奏樂器的失真到人耳感覺的差異,都可能遠大於放大器非線性失真的影響。實際上具有 1% 失真率和 0.01% 失真率的兩個放大器,人的聽覺是不容易察覺得到的。
開環路的無 TIM 失真放大器所以能再被搬出來而且失真率已降到很低的位準,不可忽略的,乃是單元元件的品質已較數十年前大幅提高,諸如電阻電容電晶體等,實在已夠結合成高水準的「開環路無 TIM 失真放大器」。
唐凌先生在 51 期裡也把「沒有 TIM 失真的放大器」列入其六種高水準電路之列。個人認為像這類屬於開環路的放大器,是最適合更多對音響有興趣的同好用來做自己裝的對象,因為它沒有像其他電路有「牽一髪而動全身」的脾氣。
□電晶體是放大器中的主角
放大器以前是用真空管為其活性元件,後來大部分都以電晶體取而代之。組成放大器的元件有很多,電阻器、電容器、電感器以及電晶體,但是以電晶體為其主角,其他被動元件則全為配合電晶體而使用。一個電晶體可以構成單級放大器,也是最簡單的放大器,但我們看到的電晶體放大器則由數枚乃至十幾枚電晶體所構成,一方面可以得到更大的放大電壓、放大電流及功率,如果就改善非線性失真的觀點而言,則有時藉降低各單級之放大倍數來換取更低的失真率。
我們討論非線性失真,幾乎要究根於單個電晶體的基本特性,也就是放大器的非線性失真幾乎全由電晶體產生而甚少成份由其他被動元件電阻器或電容器所產生。電晶體的電流放大倍數 hft 可能很容易受到其他因素的干擾,如它本身工作條件下的供應電壓的變動,供應電流的變動,以及頻率溫度等的影響。一個電晶體動態掃描的特性曲線,是我們用來分析與探討其非線性失真形成的對象。最近又有一種所謂 RET 電晶體被發展成功,而大量被應用於放大器中,由其所構成的放大器在非線性失真的因數上可獲得相當程度的改善,且看我們的分解。
□電晶體 B-E 間偏壓的非線性
任何使用電晶體作為放大器的活性元件的單元,它訊號的流程,必然需經過每一級的電晶體的基射極間。我們知道一枚二極體之傳導特性,是非線性的,因此上述放大器之訊號傳導,必受其非線性函數的影響,簡單的說,從放大器輸出端所得的訊號,並不是輸入訊號的固定倍數,儘管電晶體本身的 hfe 的非線性忽略不計。Fig.1(a),就是電晶體基射級之間的電壓電流特性,Fig.1(b)是電晶體單級放大器的最簡單形式,我們常常將電晶體設定在某偏壓點上,就是所謂的 Q 點,到目前為止,有某些偏壓形式被採用,如電壓回輸、電流回輸等方式,但是總不免將 Q 點設置在轉移函數曲線的某一點上。當訊號送進電晶體的基極時,VBE 電壓就變動,如果偏壓設定良好,Q 點可能在非常接近直線的位置,那麼電晶體的動作只是在 Q 點附近變動,就可得到較佳的訊號線性轉移,但是如果偏壓設定不當如太低的情況,則 Q 點可能落到曲線較顯著的地方,訊號的轉換就呈現對數函數的型態了,和線性的轉移相去甚遠。在設計單級放大器時,IB 偏壓的設定是非常重要的。在求線性良好的狀態又要得到良好的溫度穩定性極最低的雜音點,實在要費一番功夫。
□電晶體特性曲線表現了些什麼?
如果我們已擁有一台示波器,也許構造是最簡單的普通示波器,也可以配合使用於曲線掃跡器上。音響技術在很早以前即有自製電晶體曲線掃跡器的文章,既簡單又實用,是非常值得一試的,將來找有空檔的時候,再對這一部曲線掃跡器做進一步的探討。
通常的電晶體特性曲線是由一組含有七條不同基極電流值的曲線所組成,並用集極和射極之間的電壓做掃描。這七條曲線的 IB 值是一級進的方式延伸的,如果第一條曲線的 IB 值是 10mA,第二條曲線就是 20mA,第三條曲線則為 30mA,依此類推,第七條曲線的 IB 值為 70mA,另外還有一條 IB 為零的曲線,它幾乎是平貼於水平軸(即 VCE 軸)的。NPN 電晶體其特性曲線是在第一象限,PNP 電晶體則在第三象限,但是所表現的各種特性,則可完全由圖中分析出來。
Fig.2(a)是實際的電晶體(NPN)特性曲線。水平軸是 Ic 值,在示波器上,這兩條軸線並沒有以光跡顯現出來,而是我們就示波器原有的刻度分劃(DIV)來設定其原點及水平、垂直軸線,這個曲線在示波器上掃描的次序是自原點先掃出 IB 為零的曲線,再回到原點掃出 IB 為 1mA 的曲線,依次序掃描到 IB 等於 7mA 的曲線再回到頭先的地方,於是完成了一幅完整的電晶體特性曲線。通常 Vce 軸的掃描電壓是直接取自 60Hz 的市電經全波整流後得到 120Hz 直流漣波,我們知道掃出一幅完整的曲線必須用掉 8 個波,所以如果電源頻率為 60Hz 的話,它每秒鐘就會呈現(120÷8=15)15幅圖案來。人眼的視覺暫留時間是十分之一秒,所以每秒鐘掃描15次已能使圖案「定型」了。
從電晶體特性曲線,可以得到以下的幾點用以表現電晶體的基本特性:
A.供應 VCE 之值不宜太低且其動態範圍應有所限制。VCE 之值太低時,雖然 IB 是固定的,而 Ic 卻變動得非常厲害。實際上,電晶體之供應電壓甚少有低於一伏特,如果低於這個值,其線性特性非常惡劣。
B.VCE 太大,曲線上揚。在曲線上揚的區域,線性特性也是很差,況且其將達到崩潰區,有危及電晶體本身的安全。
C.每一條曲線之間的間隔不一樣,表示雖然有固定的 IB 的變量(即 △IB),但並不能得到相同的 Ic 的變量(即△Ic)。以一枚 2N3055 為例,其標明之最大集極電流為 15A,當它的 Ic 為 200mA 時,hfe 可能有 200,而 Ic 為 5A 時,hfe 卻僅有 20。在集極電流極小和極大時,都可能有很差的 hfe 特性,以前,也許我們認為使用 HFE METER 測得的值是值得信賴的,現在則必須重新估量。
D.七條曲線中有一些上揚得很厲害,有些則非常接近水平。很多 hfe 值極高的電晶體,使用曲線掃跡器來掃描,結果是令人失望,它們的曲線斜率很大,以一條 IB 為 1mA 的曲線而言,VCE=10V時,Ic 僅 50mA,而VCE=40V時,Ic 已昇高至 100mA。
E.耐壓的問題。如果測得某電晶體之 VCEO 為 120V,別高興,它是不能工作於 120V 的。在特性曲線上,我們可以找到 IB=0 的一條曲線,這一條曲線上揚時的 VCE 值遠較加上固定 IB 時為大。所以 Ic 值愈大時 C、E 間的崩潰電壓愈低。
Fig.2(b)(註:上圖誤植為Fig(d))是一完全理想的電晶體特性曲線,我們之所以繪出這個曲線,侍衛了要用來和實際的曲線比較,比較的結果,如果曲線越相似於理想的狀況,就表示這電晶體特性越佳。
電晶體特性曲線,可以充分表現出其在某一工作條件下的線性特性,在製造單級放大器時,特別能藉著曲線的觀察,得知電晶體的選用級數。
我們曾經提到過「RET」電晶體這玩意兒,它的基本結構是使用好幾枚電晶體並聯起來,在射極的地方再接上等值的電阻,有如很多枚功率晶體並聯一般,我想如果能取得工作條件相近的一枚 RET 電晶體和一枚普通電晶體,並做出其特性曲線的紀錄,以及 IC-hfe、Vce-hfe、Temperature-hfe、f-hfe 等等曲線相互比較,則對電晶體放大器的非線性失真更能真確的認識,且有助於 RET 電晶體於放大器中實際應用的技巧。
也許我們可以把一些電晶體非線性特性的由來追根於半導體的結構上,並用複雜的方程式來表示。不過在電路的實際應用上,相信拿起一支熱的烙鐵要比 K 了整夜的電子學來得印象更深。理論是很重要,但它必得符合實際需要。
□電晶體的 Ic 之值在甚大或甚小時,hfe 都會降到很低
有一次再製造一部 5V-10A 的直流電源供應器,已經不記得是多少年前了。照理說使用一只 2N3055 已是足足有餘,那時候使用 10mA 的 IB 測得 2N3055 之hfe 為 150,即加上 10mA 的 IB 就有 1.5A 的 Ic,那麼 Ic 為 10A 時 IB 只需 66mA,所以就設計其推動電流為 100mA,自信足足有餘。哪知結果這一部 5V-10A 的直流電源供應器只有 4.5A 的輸出電流。有時候我們拿到一份單元件的廠方資料,並沒有耐心的從頭看到尾,這剛好是一次教訓,所以後來,就是一枚電阻器,仍然刻意的要求其廠方資料的完整,否則等到裝到機器上去才發覺設計不週時,已經不知花掉多少時間。
Fig.3(a)是一枚電晶體之 Ic 值對 hfe 特性的簡單表示。圖中 Ic 在很大和很小時,hfe 卻往下偏,這一條曲線越平直,則其線性放大作用愈佳。通常我們是選擇某一段 Ic 值,作為電晶體的動態工作範圍。有些 AM 收音機的可變振福的調幅器,就是改變電晶體的 Ic 之值來改變其 hfe 值,在這種場合,這一枚電晶體就要選其線性較差且斜率固定的一段 Ic 值為其動態工作區。
□hfe. 值隨 Vce 變化
Fig.3(b)其實是電晶體特性曲線中曲線群的一條而已。電晶體 C、E 兩端所加的電壓愈小則 hfe 值愈小,C、E 兩端所加的電壓愈大則 hfe 值愈大,尤其在接近崩潰區時,更顯著的變化,所以電晶體的動態活動區要選擇在中間的位置。
□會「生長」的電晶體特性曲線
溫度愈高,放大倍數愈大,幾乎是大家都曉得的。一部機器也許它的工作環境的條件變化得非常厲害,尤其是會發熱的機器,其穩定性更是難求。最近我們常將電路使用全對稱或互補對稱式的配置方法,如差動放大器,它們對溫度變化因素的穩定性確實深具「免疫力」,不過在單及電晶體放大器中如前述之「沒有 TIM 失真的前級放大器」,溫度的變化應該列入其考慮的必要條件。
將烙鐵靠近或接觸測試中的電晶體,則可看到它整個特性曲線都會「生長」,待烙鐵移去後,又慢慢恢復本來的樣子。
其實電晶體周圍之溫度變化常常是緩慢的,所以它不像其他因素(如 Ic 和 Vce 之變化)那樣,直接影響到單個波形的失真因數,而常被列入穩定因數裡頭。
有一些電晶體,溫度對 hfe 之曲線(Fig.3(c),其斜率非常穩定,因此我們也用它來做電子溫度計之用。
□fT 代表電晶體的頻率響應。當其工作頻率一直增高而使 hfe 降到 1 的頻率值即為 fT
Fig.3(d),在電晶體資料手冊中,我們常常可以看到有各個不同編號的電晶體的 fr 值,或 100M 或 60M,究竟它是代表了什麼呢?一只標明 fr 為 60MHz 的 2N3569,我們是不能把它用來做 60MHz 訊號的放大器的,根據 fp×hfe≒fr 的公式,如果這枚 2N3569 之 hfe 為 300,fr 僅為 600MHz÷300≒200KHz 時,這枚電晶體之 hfe 已降至 300×0.707=212。
一枚二極體有兩個端點,這兩個端點之間就存有電容,而電晶體是三極元件,它應該有三枚電容存在,簡單的說就是 C-B C-E B-E 之間的極間電容,因此這造成它對頻率敏感的原因。
有關電晶體的非線性特性,可供討論者實在太多了,今述及以上數種,僅及皮毛而已。不過雖然它有哪麼多的缺點,而我們卻有辦法去克服它。線性運算放大器(Operation Amplifier)的發展與應用就是典型的例子。對電晶體非線性特性最有效的處方,應該是捨棄它的放大率,而大量取用本級回輸的方式,尤以電流回輸最常使用,所以只要能夠靈活運用各種電路基本結構的技巧,不難設計出高水準的機器。
轉載音響技術第56期AUG. 1980 晶體擴大機的非線性失真從何而來?/洪 飛
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