動圈式唱頭(Moving Coil Cartridges簡作M.C.)已逐漸受到廠家與音響愛好者所注意,由於價格較M.M.唱頭貴,而且因為它的輸出電壓極低(如Ortofon MC-20輸出只有70μV),需要有升壓變壓器或前端放大器(Pre-pre Amp)將之放大後,才能輸入M.M.唱頭放大器(即RIAA放大器)。聲壓器的價錢與唱頭差不多,而前端放大器的價格更是令人望而卻步,所以一般玩家可能很少人擁有一個M.C.唱頭,或者甚少人聽過它的聲音。吳心柳先生在第56期M&A的「知音人語」裡提到,M.C.唱頭的聲音是如何的撫媚動人,使我興起了製作一個較為經濟的前端放大器之念頭。
M.C.唱頭的工作原理與M.M.基本上是相同的,那就是把唱針從唱片音槽上傳來依音樂內容的機械振動,去改變唱頭線圈內的磁力線,以便在線圈上感應出電壓。M.M.式的唱頭是讓線圈固定,唱針的振動傳到線圈內的磁鐵上,磁鐵振動使磁力線變化,所以稱「動磁式」,M.C.式剛好相反,它是把唱針的振動傳給線圈,而讓磁鐵固定著,一樣也能感應出電壓來。
由於振動的部分必須具有很輕的質量,才能使唱針的振動緊跟著音槽的變化,所以M.C.式必須用很細的線圈和很少的圈數來繞製。然而不管哪一種方式,線圈感應出的訊號電壓是與線圈之圈數成正比,所以M.C.與M.M.相異點之一便是它的輸出電壓極低,一般的RIAA放大器多半沒有足夠大的增益,以放大M.C.唱頭的輸出訊號,因此必須經過某種手段的放大器,才能輸入RIAA放大器。
唱頭輸出阻抗方面,兩者也相差頗大,標準M.M.式大約是2K~3K的純電阻與500mH~1000mH的感量相串聯,因此在高頻端時,可產生相當高的總阻抗。
一般的前置放大器如果高頻的環路增益及相移處理不當的話,在某個頻率時,其輸入端將呈現電容性,當接入唱頭時,會導致起伏的頻率響應曲線,前置放大器的輸入容量與唱頭的電感量都會使高頻衰減,同時會在某個頻率上引起共振,此共振點之頻率依唱頭線圈阻尼係數的不同,將落在音頻範圍內之不同點上,這就是何以同一前置放大器放不同唱頭時,會有完全不同音質的理由之一。
不同的唱頭阻抗與前置放大器輸入阻抗引起的交互作用,也使得音質聽起來不一樣。有兩個方法可以消除此項交互作用,第一個,選擇具有低輸入容量的前置放大器,最好低於20pf,而即使是這樣低的輸入容量,再加上訊號線的分佈電容量之後,對某些唱頭仍能引起相當大的阻抗變化。第二個方法便是降低唱頭的輸出阻抗,低得即使在驅動一個電容性負載時,也不會引起阻抗變化。
M.C.唱頭就具有這樣的特性,可惜的是它的輸出電壓太小了一點。我們可以藉著兩個方法以匹配M..唱頭至RIAA放大器,一種是用升壓器,將電壓提升至夠用來驅動RIAA放大器,但這並非很好的辦法,原因是升壓器對交流生是非常敏感的,只要有很少的交流磁場就能撿拾起來,有些人就是為了這個令人討厭的交流聲而不願使用M.C.唱頭。另一是升壓器初級與次級的阻抗未必見得能完全與M.C.唱頭及RIAA放大器的阻抗取得匹配。另一種匹配M.C.的方法便是使用前端放大器,它是一種主動電路,能將M.C.唱頭之輸出電壓提升20~30dB,輸出端呈現的是純阻抗,不會引起阻抗變化的問題,交流聲的問題更可輕易地消除掉,以下就來談談怎樣製作一個M.C.唱頭放大器。
電路概述
任何電路最前一級的結構,總是根據欲匹配的對象而設計。本電路是設計用以匹配具有極低輸出阻抗(約3~30歐姆)的M.C.唱頭至具有較高輸入阻抗的RIAA放大器,同時需要有20~30dB的放大能力。然而有些M.C.唱頭之輸出阻抗是高於30歐姆的,其輸出電壓也較高(輸出電壓是與唱頭線圈之圈數成正比,而阻抗也與圈數成正比),因此本電路尚需具有當輸出阻抗較高的唱頭接入時,增益會下降的特性,方可免使RIAA有過荷之虞。一種能適合上述需要的電晶體電路便是「基極接地式」(或稱共基極式)放大器,它具有下列幾個特徵:(1)hib(輸入阻抗)極低,輸出阻抗高,(2)Ai(電流增益)約為1,(3)有極寬的頻率響應,(4)電壓增一之大小,只需變更其負載電阻就可輕易得手。關於第(4)點說明如下:見圖(一),由於其電流增益很接近1(常以1計算),表示輸入電流等於輸出電流,即ii=ic,則輸入電壓為Vi=(Zcoil+hib).ii,輸出電壓為Vo=Rz.ii,則電壓增益應為Av=Vo/Vi=Rc.ic/(Zcoil+hib).ii=RL/Zcoil+hib,從上式知,只要改變RL之值,Av就可以改變,並且如果所用的M.C.唱頭為高輸出型的(即阻抗較高時),它的Av就會自動降低。
然而尚有一問題存在,即基極接地式接法其輸入端為射極,因偏壓的關係射極上必有直流電壓存在,所以需要一個大容量的交連電容,以隔絕直流,使不流入唱頭線圈,如果想辦法讓輸入端的直流電位與地相同(當然不能影響它的交流放大工作),此大電容即可省略掉,也可使低頻響應較佳。這就是本電路構成的特徵之一,請參看圖(二)。
它是由兩個互補的電晶體,以基極接地式的接法並聯於訊號的輸入與輸出間,形同推挽式電路,並具有溫度自動補償的效果。為了防止交流電的干擾,電源是以單一個9伏積層乾電池「浮接」於地端而成,如此輸入端之直流電位與地電位相同,直流電流就不會流入唱頭線圈了。
圖(二)電路的動作原理極為簡單,當電源開關S1接通時,電流從B1流經R3 R4,對C2 C5緩緩充電,一當Q1 Q2基極電壓達於其切入電壓時(矽晶體約為0.6V)Q1 Q2就導通,而產生放大作用。靜態的集電極導通電流設定為125uA,如此低的電流可保證電池使用一段很長的時間而不必更換。為了解電路如何工作,可以假定有一正向電壓加於輸入端,因Q1是NPN型,故其導通電流將減少,而Q2是PNP,其電流增加,使電路產生不平衡現象,此二集電極電流對C6 C7充放電的結果,使不平衡電流流向R5,換句話說,在R5上就產生已經放大了的正向電壓。
如果上面的描述尚不能給各位移個明確的印象,請再看圖三,是本電路簡化的結果,Q1 Q2的電路用其內阻代表。假設Q1與Q2具有完全相同的特性,C6與C7具有相同的容量,則R1左側與R5右側之直流電壓都是等於B1/2,故R1與R5中,在靜態時應無電流通過。當輸入為正向電壓時,Q1內阻變大,Q2內阻變小,於是Q2上的壓降減少,使得R5右側電壓較「正」於R1左側電壓,於是C7對R5放電,以使電路維持平衡,在輸出端變產生一正向電壓。當負向電壓輸入時,電路的動作是相同的原理。因為不管輸入正或負半週的訊號都會使Q1 Q2的導通量一個增加一個減少,故本電路實即一個推挽是電路,它已具有低失真的優點,因此不需加任何回授電路,而使得線性大大提高。
由於本電路是用來放大低至0.5mV,甚至更低的訊號,故如何抑制射頻電波的干擾是很重要的問題,線路中電容C3 C4 C8就是作此用途。這些小電容對音頻來講並無多大影響,但對射頻來講,它們形同短路,故能防止從收音機、電視機等洩漏出來的射頻干擾。如果射頻干擾相當嚴重的話(如住在發射電台附近),可以在訊號的輸入與輸出導線上加上磁環,以消除之,但磁環或許不易購得,尚有一可行的辦法,便是再輸入插座之地端串聯一0.1uf電容C1,接至機殼,由於唱頭之阻抗極低,電容之介入,對電路的動作是無影響的。
本電路是如此的簡單,而且不會像一般前置放大器那樣易起振盪(因本電路中沒有負回授電路),因此零件的排位是無需特別顧慮的。圖(四)是試做時的電路板銅箔圖樣,圖(五)是從零件面看的零件位置。為了排除交流聲與射頻電波的干擾,線路板以及一切零件應裝在封閉的金屬容器內,而且輸入與輸出插座之接地端應與外殼絕緣,Q1 Q2應選擇使其特性相近者,一般低雜音的對稱晶體就可以,Hfe之值應在10%的誤差之內,如此電路在靜態時方能保持輸入端及輸出端對地均處於平衡之狀態。
電路裝置完成之後,應先將線路板上零件一一詳細檢查一遍,特別是Q1 Q2各極接腳與C2 C5 C6 Ｃ7各極性是否正確,若目視檢查一切無誤,打開電源等上兩分鐘,測量乾電池之電壓,應在9~9.5V之間,然後分別測試Q1 Q2集極對地之電壓,應是+4.5±0.5V及-4.5±0.5V,電壓若差此太多,則可能是接線錯誤、零件插錯或是Q1 Q2之Hfe值相差太多,應再詳細檢查。
一切測量完成之後,將本機接於唱機與前置放大器之間,為防止交流聲干擾,訊號現應儘量縮短(2呎~3呎內的長度比較恰當)。根據實驗,唱機之接地線仍應接在前置放大器之機殼螺絲,會有較好之防止交流聲效果。打開電源一分鐘後,本機即可完全投入正常工作狀態,若交流聲仍很大,應檢查一下附進是否有正在工作中的電源變壓器、交流馬達等之類的電器,若有應遠離之,把唱機的接地端改接在本機之外殼,或許也有效,但據筆者經驗,還是接前置放大器機殼較佳。如果Q1 Q2特性很相近,且C2 C5,R3 R4,C6 C7,也都等值,那麼在開機或關機之瞬間都不會出現「碰」的聲音。由於過低的電源電壓將導致電路增益大大下降,故在不使用時,應注意關掉電源,以免電池消耗,在工作時電源電壓若降至9V以下時,電池就該更換了。
本電路既簡單又經濟而且效果也不俗。下期將再為各位介紹一個比較高級的線路,同時也要介紹一些市售的前端放大器之概況。
以下是本電路的特性:
增益:26dB±1dB(以9V乾電池為電源)
輸入阻抗:100Ω 輸出阻抗:2KΩ
低頻端:1Hz以下。高頻端:150Hz
頻率響應:±3dB點
訊雜比:85dB/1KHz 1mV輸入
諧波失真:1KHz輸入,阻抗 10Ω
輸入 二次諧波 三次諧波
10mV -73dB -73dB
30mV -73dB -70dB
100mV -73dB -50dB
轉載音響技術第30期JUNE. 1978 前端製作詳析/MC唱頭放大器的製作/莊 仲
感謝網友"阿德"提供零件數值資料:
既然有同好回響,我亦也很高興來共襄盛舉,其電路零件敘述如下”
R1:220 ohms
R2:22K
R3, R4:47K
R5:2.2K
C2, C5:330UF/16V
C3,C4: 100 PF
C6, C7:330UF/16V (可以在電容各端並上1UF/MKT 電容,增加高頻音質)
Q1: MPS8099
Q2: MPS8599
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