唐凌先生曾囑咐筆者,要筆者把PHASELINEAR 400的線路做一個詳細的分析,使每一位讀者都能確實了解,進而達到能夠自己動手做的目的,因此不得不挖空心思來寫這篇文章。事實上對於製作放大器,筆者是屬於半路出家,並不是正科出身的。但或許唐凌先生認為外行人講外行話對於會拿刀子削鉛筆的人較容易接受也說不定。所以筆者就以自己的經驗來分析這部放大器,希望一般的讀者能夠有所獲益,但說明如果有失誤時,還是請正宗的道友多多指正。
首先筆者唯一能拿到的資料就是那一本世界名廠線路精選第三輯上面所收集的那一張線路圖。現重登於此,為圖一。從圖上可以看到功率管是909,再前面是有功率及推動作用的2741再前面是推動及倒相的40327及4003。另外1304及1305為保護電路的電晶體,還有一個沒寫編號的電晶體是控制靜電流及溫度補償用的。再往前的一個40327為強放電晶體,最前就是差動輸入的2N5401及TIS91。首先我們先不要考慮這些晶體的型號及特性,像909筆者根本查不出它到底是什麼廠的什麼編號,而且很可能是PHASELINEAR廠自己定的編號。雖然我們查不到原線路上的電晶體特性,但那並不就表示我們不能夠仿製,事實上最重要的是我們必須知道線路上每粒電晶體所被要求的條件有哪些？例如耐壓及電流、消耗功率、β值等要多大？工作電流要多少？等等。只要我們能找到符合線路上所要求的條件的電晶體,我們就能夠仿製,而事實上以前仿製ESS後級時所用的電晶體都可用到此處。
線路概說
首先我們先把圖一的線路簡化成圖二,這樣子看起來比較單純,不會像圖一那麼複雜(事實上也不複雜,只是不容易說明)。從圖二看時,我們會發覺它是一個很典型的OCL放大器線路,如果把2741電晶體及100Ω省掉,而直接把倒相晶體40327的射極及4003的集極直接接到909的基極時,就和50W以下的放大器一樣了。
開始時信號從輸入端輸入,經9K電阻到2N5401的基極。22K電阻作為輸入信號的負載,使2N5401拾取信號,信號正負極大小的改變使2N5401的集極靜電流改變,導致3.3K的電阻發生電壓的改變。因為V=I˙R,電阻R固定時,電流I變大,電壓也就跟著變大,反之變小。因此3.3K的電壓發生改變及一部份電流輸入到40327的基極,又使40327的集極電流發生變化。在沒有信號時,集極的電位應該是保持在零電位的,也就是40237的集極靜電流在無信號輸入時應該有3.6mA左右。因為40327的集極和無編號電晶體,3.9K電阻還有18K電阻是成串連的,靜電流就從集極經無編號電晶體再經3.9K和18K至正電源(指電子流)。這時候在兩個電阻上就能夠有78伏特的電壓,其原因是(18K+3.3K)Ω×3.6mA=78V。另外無編號的偏壓電晶體會有大約2.7V的電壓,因此強放晶體40327的集極端就會固定在-0.7V左右的電位。也就是說只要調節40327的靜電流,就可使它的集極電位在無工作時停在零點的電位。另外要調節40327的靜電流,事實上也就是調節差動放大組的輸出負載電阻3.3K所產生的電壓。因為3.3K電阻的電壓就是強放晶體40327的偏壓,它的基射極偏壓必須有0.6V以上時才能使電子流從射極跑到集極而出去,也就是說它必須有0.6伏特的偏壓才能使強放晶體40327導通。現假設偏壓0.62V時剛好導通3.6mA,則22電阻將有0.08V的電壓(22Ω×3.6mA=80mV)。0.62V+0.08V=0.7V,也就是說3.3K電阻必須有0.21mA的靜電流流過(0.7V÷3.3KΩ=0.21mA)。另外差動放大的特性在無信號時兩個差動電晶體的靜電流是一樣的,因此兩個射極之上的47K電阻必須有0.42mA,表示47K電阻必須保持20V左右的電壓(47KΩ×0.42mA=19.7V),圖二中47K和142K的接點有一電解電容接地,其目的就是維持47K電壓的穩定。在圖一中的10K電阻就是圖二的142K電阻,圖一中因為有穩壓二極體,故可以用10KΩ,圖二則必須用142KΩ的電阻降壓,使47K保持20V的電壓,在ESS後級放大器中,差動放大的靜電流供給是用電晶體來完成的,作用完全一樣,只是此圖二的恆流方法穩定,但我們要知道圖一的靜電流供給也是比圖二的方法好的,所以我們並不要擔心。
倒相電路
對於無編號電晶體,我們先假定它是能夠通過交流信號而在直流時具有2.7V電壓的一個偏壓裝置。強放晶體40327工作時,就以3.9K和18K為負載,以推動倒相晶體40327及4003。當工作點推向正電壓時,倒相管40327的基極偏壓將加大,導致集極的電流加大(本來就應該有一些靜電流以維持後面推動晶體2741及功率晶體909的偏壓。)這時倒相晶體40237的射極接著推動晶體2741的基極,然後推動晶體的射極又接著功率晶體909的基極。2741有100Ω做偏壓電阻,在平常就有0.6V左右的偏壓以保持功率晶體有一定的集極靜電流。當40237的集極電流加大時,就同時帶動100Ω及10Ω的偏壓電阻,使2741及909的集極電流也同時加大。而這時候另一個倒相晶體4003,當強放晶體40327的工作點推向正電壓時,將使4003的基射極偏壓成負電壓,導致4003的集極電流截流,同樣的在後面的100Ω及10Ω的電阻也就跟著壓降而使2741及909的電晶體截流。由此可知當信號推向正電壓時,倒相晶體40327帶動後面的2741及909等電晶體工作,而另一倒相晶體4003卻截流使後面的2741及909等電晶體休息,也就是說正半波信號時,只有倒相晶體40327那一組電晶體在工作,而相反的負半波信號時只有倒相晶體4003那一組電晶體在工作,剛好各負責正負半波的工作。
偏壓電路
另外不管在任何時候,正負電源的兩組909功率晶體都必須有幾十mA的集極靜電流流過。也就是說它們必須保持一定的偏壓在各個基射極上才可以。以負半波的電晶體來說,909的偏壓及基極電流就是由2741的射極電流及10Ω電阻所供給,而2741的射極電流是受基射極偏壓,也就是100Ω的電壓所控制,而100Ω電阻0.6V電壓必須由4003的集極電流所供給,因此知道4003的基射極偏壓一定要有0.6V的電壓存在。以正半波的電晶體組來看時,909的偏壓由10Ω電阻而得,40327的偏壓則由無編號電晶體所供給,因此在兩個倒相晶體40327及4003的基極之間,共有4個串聯的偏壓及一個150Ω電阻,此表示兩個基極之間必須保持一定的總偏壓才能使靜電流導通而保持一定。假定各個靜電流的偏壓為0.65V則總偏壓約為2.6V。此即表示那無編號的偏壓電晶體必須把它的集射極之間的電壓固定在2.6V,以產生偏壓而使靜電流導通。
無編號偏壓電晶體的固定電壓是利用恆流的特性的。矽電晶體的基射極有電流通過時一定會產生0.6V左右的壓降,也就是說電壓未超過0.6V時電流是過不去的,但超過後,電壓愈大或者電流愈大,它的基射極間的電壓還是一樣是0.6V左右。因此在圖一偏壓晶體的Br及Bk之間的12K電阻及5K半可變電阻兩端的電壓是一定的,當電壓一定時改變電阻大小則可改變電流的大小,而另一端Br及Rd之間有個固定的3.3K電阻,而它的電壓就是受1.2K及5K所改變的電流而控制,假設把5K的半可變電阻調到2K則2K和1.2K的電阻因並連而成750Ω,0.6V÷750Ω×3.3KΩ=2.64V,2.64V+0.6V=3.24V,這時偏壓將過大而使靜電流過大。由此也可知試機時必須先把5K調到最大電阻的地方,比較安全。另外偏壓電晶體必須靠在功率晶體的散熱片上,當散熱片的溫度升高時,使無編號偏壓電晶體也受熱,因此和後級功率晶體的偏壓有同樣的熱效應變化,使靜電流不會因溫度的改變而改變。
增阻電路
強放晶體40327推動倒相晶體時以3.9K及18K兩個電阻作為負載,但我們可以發現有一個10uf/50V的電容接在兩個電阻之間,另一端接在2741的集極端。18K、39K及 10uF的構造就是Bootstrapping電路,書刊上常用增阻電路、鞋帶電路、仿真電路等名詞。它主要的特性就是直流時阻抗就是18KΩ+3.9KΩ,但是交流時,卻會有很高的阻抗。使得交流信號不會從18K及3.9K流失掉,而能全部用來推動倒相晶體40327及4003。其計算的方法,筆者不太清楚,只好用概念來說明,我們先假定當信號偏向正電壓時,試因為強放晶體40327的集極電流輸出減少,使18K、3.9K電阻的電壓減小而集極輸出擺向正電源,這時候倒相晶體40327(應該是說正半波工作晶體比較清楚)的偏壓加大帶動後面的2741及909偏向正電源,但帶動後面的晶體時是會有電子流從倒相晶體40327的基極流通過3.9K及18K電阻的,如果電子流愈大兩個電阻的電壓也就愈大,使得倒相晶體40327的基極降低,而使輸出不能擺動到正電源的電壓地方,當加入一個10uF的電容後,在無工作時電容的正接點會有約+16V的電壓(由18KΩ及3.9KΩ分壓80V而得),負接點會有+0.6V左右的電壓(因為接在909的基極,射極在0電位,基射極只有0.6V的偏壓)。當工作點擺到靠近正電源時,10uF也同樣的受到推升,這時它的正電接點也就是3.9K及18K的分壓點將達到比正電源80V更高的電壓,這時倒相晶體40327基極輸出的電子流經過3.9K電阻而進入10uF電容的正接點,以上的說明可能不太妥當,因為筆者不知道3.9K及18K的分壓點是不是真的可超過正電源,但我們可以另外一種概念來想,就是由於10uF會跟著輸出信號浮動,當信號偏向正電壓時,10uF的正端電壓提升,使得18K電阻的兩端電壓減小,假定本來18K電阻兩端有70V,現在受10uF正端電壓的提升而壓縮到7V,這時表示18K電阻中的電流降到十分之一,也就是說在直流信號時是18KΩ的電阻,在交流信號的某一電壓時卻變成有180KΩ的電阻特性,因為電流的減小表示阻抗的增加,10uF的正端電壓愈高表示18K電阻的阻抗愈大,但怎麼大也不可能達到無限大,而無限大時就表示10uF的正端電壓等於正電源電壓,因此大概可以知道18K及3.9K的分壓點是不會高過+80V的。從以上的說明大概可以知道增阻就是增18K的阻抗,交流信號的推動是受到10uF電容的支援,使振幅不發生切割而不對稱。
回授電路
信號從2N5401基極輸入後再至40327強放,後至倒相晶體40327及4003,然後再至2741及909輸出。這時輸出端有一組串聯的電阻及電容接地,以圖二為例,就有20K、1K、100uF串聯的電路。當有輸出信號時,信號會經這串連的電路至地點,這時20K及1K的接點就有一分壓的信號存在,這分壓的信號就會進入TIS91的基極。假設輸出電壓在20V時它的分壓點電壓是1V則表示放大器的放大率是20倍,以增益來講就是26dB。大概的算法是以20KΩ+1KΩ+100uF的電抗然後除以1KΩ+100uF的電抗得出來的就是放大率。但實際上以前自己製作放大器時並不怎麼符合。可能因為TIS91的基極本身也有電阻性存在,而且和電阻電容並連,因此而使計算發生誤差。對於負回授比例,我們可以先考慮差動放大的特性,差動放大很明顯的表示信號是必須有差異才會有放大,也就是兩個積極輸入端如果同時輸入同相位,同樣強度的信號時,則集極輸出端將沒有信號輸出,因為輸入信號都被對消掉了。這種情形就等於一個是輸入信號,一個是輸出信號回授回來的分壓信號。假定放大比例是20倍時,則回授的分壓點應該是輸出電壓的二十分之一。當一伏特的電壓輸入,放大到二十伏特時,差動回授電晶體的基極電壓剛好分壓到一伏特使得和輸出的一伏特信號對消掉,因此2N5401的集極將停止輸出。筆者曾經這樣子向別人說明,但對方還是不太了解,可能是因為沒辦法想像一伏特時會停止放大的情形。我們可以這麼推想,假定信號從輸入到輸出為一個很短很短的時間,而當輸出信號放大為輸入信號的十倍強度時的時間把它定為一個單位時間T,這時我們在輸入端輸入一伏特則在一個T的時間時輸出端將有10V的輸出電壓這時回授的分壓點為二十分之一,剛好0.5V。而0.5V和輸入一伏特對消的結果,差動放大的輸入只剩下0.5V放大,0.5V在一個T的時間裡又被放大10倍也就是5V,這時表示2T的時間時輸出端將有15V的輸出電壓,15V的回授分壓為0.75V,和輸入的一伏特對消的結果,差動放大的輸出只剩下0.25V放大,如上述再經過一個T時間的放大和回授就只剩下0.125V了,再來就是0.0625V 0.3125V......,當經過20個T的時間時輸出電壓已經達到19.999981V而差動放大已對消到只有9.5×10-7V的電壓在放大了。我們假定一個T等於1uS(百萬分之一秒)則20T時即表示十萬分之二秒的時間,也就是說回授控制也是有時間性的,只是非常非常短。另外它是連續性的,並不像以上說明的一次又一次的對消,而是連續性的對消,當我們把T單位時間分的更細時,就可顯示它的連續性來。以上的說明我們可知假如有2V的信號輸入時,輸出是從0V開始放大到40V的,0V到40V的放大過程中回授電壓是漸漸增大(這個漸漸只有萬分之一秒),到最後和輸入信號平衡。
電路細述
圖二的簡化大致上已經說明過,現在我們重新回頭來看圖一。筆者最初在看圖一時,看到強放晶體40327射極下面22Ω電阻及兩個串聯二極體中間有個12K的電阻,看了半天分析不出來,後來認為它應該是在負電源穩壓(Zener)二極體及50K半可變電阻的後面,3.3K電阻的前面的。筆者曾請教過朋友,結果他們也是這樣子認為。(因為12K是Zener的降壓電阻)
另外圖一最前面有兩個穩壓二極體並沒有標明出穩壓的電壓是多少？因此只好用推算的方法求出來。首先在前文已經說明過強放晶體40327在無工作時必需保持3.6mA的電流量,使工作點歸零電位。由於已知的電流是必須經過強放晶體40327及下面的22Ω電阻,因此知道22Ω電阻會有約0.08V的電壓(3.6mA×22Ω=0.08V)加上強放晶體的基射極偏壓0.6V則大約有0.7V的電壓,而這個電壓就是由差動輸入晶體2N5401的集極負載電阻3.3K所供給,由0.7V÷3.3KΩ則得到約0.2mA的電流。差動放大的特性之一就是差動的兩個射極電流是共用一個固定的電流源,在平衡時,兩個電晶體的電流應該是相等的,因此可知兩個電晶體的總店流應該是0.4mA×47KΩ=18.8V,我們可以得知47K會有18.8V的電壓存在,再加上差動晶體的偏壓0.6V則為19.4V,而平常穩壓二極體的規格應該是18V 20V或者22V,因此我們可以判定這兩個穩壓二極體應該是20V。
我們知道穩壓二極體的電壓後還必須知道它的工作容量是多少？也就是說到底要用幾W的才夠用?以免負荷不夠而不穩定。首先從圖一上可看到Zener前面有個10K的降壓電阻,有了它Zener才有穩壓的作用,不然Zener會燒毀掉。(只要電壓大於20V時)我們從正電源的80V減掉Zener的20V可知10K電阻會有60V的電壓,60V÷10KΩ=6mA。兩個50K半可變電阻兩端的電壓是40V(兩個Zener的電壓)。40V÷50KΩ=0.8mA,0.8mA+0.8mA+47K電阻上的0.4mA總共2mA。因此可知10K電阻的6mA電流有2mA經過兩個50K半可變電阻及47K電阻,剩下的4mA就從Zener經過。電流乘以電壓就等漁工率瓦特數,因此4mA×20V=80mA,由此可知用最普通二分之一瓦特的應該是沒問題。另外要注意的是10K電阻為6mA×60V=360mW。
現在我們在從頭看信號的輸入端,首先圖一的輸入端沒有交連電容,只有9K的電阻,表示直流信號是可以輸入的。同時TIS91基極回授網路那邊100uF的電容也並連了一個6.8K的電阻,也表示直流並沒有百分之百的回授,而具有直流放大的作用。因此可知這是一部從DC開始的放大器,本來一般的放大器不從直流開始是因為直流開始是因為直流不好處理,不穩定時,輸出點就不會歸零電位,而產生直流電壓,一不小心就很容易把喇叭燒掉。因此平常都是把直流百分之百回授使它對消掉。而在這線路上它卻用了兩個半可變電阻來調整,兩個Zener已經接地,然後50K半可變電阻又受兩個Zener穩壓,因此可以說是很穩定的。利用它們來調整2N5401及TIS91的基極電位將可使輸出端歸於零電位,不會因為電晶體特性的不同而產生輸出浮動的現象。
再輸入端的22K電阻並連有一220p的電容,它的作用應該是在消除超高頻的,以100KHz信號為例,電容對頻率的阻抗特性是2πfc的倒數。因此2π×100K×220×10-12=1.38×10-4,倒數的結果就成7.23KΩ。(寫到這裡,附帶要講的是文中很多用到K就是一千的意思,因為筆者平常就習慣於4.7K,82K,330K,20KHz等數字符號,所以就直接寫,希望讀者不要見怪,另外220p要乘以10-12是因為1p=10-12F(法拉),假如uF時就要乘以10-6),7.23K和22K並連就成5.4KΩ,可之100KHz時一大半的信號都在9K電阻上,22K及220p只拾取到約三分之一的信號,當200KHz時220p電容的電抗將只有3.6KΩ,信號將衰減的更厲害。
再來看強放晶體40327的前面有兩個二極體,我們可以知道當3.3K電阻的信號大過1.2V時將會從二極體通過,以避免信號過荷輸入而造成危險。另外56Ω和0.0015串連,應該是衰減超高頻的,以100KHz為例,0.0015將有1KΩ的電抗和3.3K電阻並聯則成大約800Ω,產生的電壓根本無法帶動40327。
強放晶體40327的工作點有一180p電容接地,另有33p接回授網路的分壓點。這也是一般的線路沒有的,猜想180p應該也是用來防止超高頻的,33p的接法則和ESS 500完全一樣。另外回授的輸入是經過22K電阻及0.01的電容的,作用如何?筆者不太明白,只知道22K電阻和輸入端的22K電阻是等值,使得兩個差動晶體的基極對地有同樣的阻抗特性。另外無編號電晶體的集基極連接有0.01的電容,猜想是防止超高頻用的。
保護電路
保護電路中用了不少元件,實在不太好分析,自己想了很久,最後只好分成兩部分來說。首先1304,1305應該是鍺晶體,這時它的基射極偏壓至要有0.2V時就能夠開始動作。在無信號時,大概只要有2.2A的電流流通時就會起限流保護作用,因為2.2A時表示三個909功率晶體各負責0.7A左右,通過0.27Ω電阻則產生0.2V左右的電壓,0.2V的電壓經過100Ω電阻使40uF的電容在短時間充電後馬上在經過100Ω電阻進入1304或1305的基極而使它的集射極導通,使強放晶體的信號無法推動兩個倒相晶體。有信號工作時,則電流會經過二極體,4.7K電阻,100Ω電阻,4.7K電阻會產生電壓,它的電壓再受3.3K電阻及100Ω電阻所分壓,這時40uF正負端的電壓必須比4.7K電壓裡的100Ω分電壓大0.2V才能使保護晶體工作,假設4.7K電阻有34V則100Ω電阻會有1V電壓,此時40uF必須有1.2V保護電路才會動作,但1.2V÷0.27Ω=4.4A,表示每個功率晶體有4.4安培則三個功率晶體共有13.2安培,13.2A乘以34V的工作電壓時,將有四百多瓦特。如果店呀在大電流將必須再大,因此覺得不太對勁,因為那樣子就變成沒有保護了,後來發覺兩個100Ω電阻上並連的270Ω應該也有作用,至少會使100Ω的電壓降低。至於正確的計算方法,筆者實在搞不清楚,因為整個系統又並連又串連,只可推知個大概。例如270Ω和0.05並連及12K和0.0015串聯,克之高頻過載時將可更快的使保護晶體動作,但真正的情形,因為功夫不夠算不出來,希望精通於此的同好高手能夠分析一下。因為如果不能計算則我們使用不同的電源電壓時,保護作用將不太準確,如果換成矽晶體時將更是走了樣,因此不得不搞清楚,不然裝了等於白裝。
倒相晶體4003的射極連接有150Ω,二極體還有串連的10Ω及0.01電容。150Ω的作用是對於準對稱線路(正負功率晶體都是用同類晶體的)的一種修正。至於二極體及10Ω還有0.01電容的作用則不太清楚,但相信仿製時照著裝應該是沒有問題。
圖二的最後在正負電源端接有兩個逆向的二極體,它的作用是防止電源接相反時保護用的,但它的保護必須電源部有保險絲裝置才有用,另外它的逆向耐壓也要有80V以上才可以。當電源接相反時,對二極體來說剛好是順向,因此首先燒斷保險絲,如果沒有保險絲則變成燒二極體了,二極體燒掉接下來就是燒放大器了。另外輸出端對地串連有0.1電容及12Ω兩個,作用是保護喇叭的,當有超高頻輸出時,0.1電容及兩個12將分擔大部分的功率,12Ω電阻應該用2W左右,如果會冒煙的話,那就表示放大器本身有高頻振盪。(如果用高頻信號輸入而冒煙或者發光那是當然的事了)。
後記
大致把整個線路說明過後,接下來就是找代換晶體了。首先功率晶體909及推動晶體2741可以用MJ410代替,40327可用2N3440代替,4003可用2N5415代替,這都是ESS500上所用的。唯獨2N5401是PNP,剛好和MPSLO1相反,因此必須直接找2N5401或者耐壓80V以上的小信號低雜音PNP晶體。圖三為筆者自己所排的底視印刷線路板,為了要漂亮些,花了不少時間去畫,但結果還是不怎麼完美。另外圖四為頂視的元件配置圖,大致上位置都已經表明清楚了。如果讀者製作時,應該是沒有問題才對。同時也希望同好製作後能寫成試製報告,因為製作200W×2的放大器已經不是小事情了,應該讓大家有觀摩的機會,如此將可避免重複的發生同樣的錯誤。有機會筆者也會寫個試作文章向大家報告,還有就是將來讀者服務部可能會供應線路印刷板,如果不想自己洗印刷板的讀者不妨等待。
以上所寫的是不太有次序,想到哪兒,寫到哪兒,但最主要的目的還是希望一般的讀者能夠看懂。因為自己也是從不懂看過來的,平常就是一直看,一直讀,到最後多多少少懂一點,錯誤的機會也就自然的減少了。如果文中還是有說明不當的地方,歡迎來信指正,以免筆者及讀者們不知道而將錯就錯。
轉載音響技術第20期AUG. 1977 線路分析 PHASELINEAR 400擴大機/呂慶祥
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