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  在一套完整的音響器材中,它至少應該包括有唱盤、卡式座、調諧器、放大器和喇叭。當以唱片為音源時,你就需要唱盤、放大器和喇叭;當要聽卡式錄音帶時,你就需要卡式座、放大器和喇叭;當要收聽籃球比賽和颱風消息時,你就需要調諧器、放大器和喇叭。所以不管怎麼樣,放大器和喇叭都是不可少的。

  有一個情況是不可能發生,那就是要「同時」聽唱片或聽籃球轉播;不過唱盤和卡式座卻可同時使用──一面聽、一面錄。目前少數有Rec. Out選擇控制器的放大器,卻能依面聽唱片,一面用卡式座錄製FM電台節目(但絕不能同時欣賞兩種音源)。

  前述的唱盤、卡式座、放大器和喇叭,就是一套完整音響設備的基本組件,當然你也可以另外加上盤式座、等化器、DAD、切換箱......等。在這裡我們將用較長的篇幅詳細討論放大器,而其他組件則留待以後再談。

一、何謂放大器?

  顧名思義,放大器的主要作用就是「放大」,將低的電平放大成高的電平。它的英文名稱是Amplifier,亦稱擴大機或擴大器。它通常以三種面貌出現:一是前級放大器(Pre-Amp.);二是功率放大器(POWER Amp.或Main Amp.),或稱後級放大器;三是前後級放大器,或稱綜合式放大器(Integreated Amp.),也就是前兩者之和。

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  放大器像個中介者,它左手拉著音源設備(唱盤、卡式座和調諧器),右手牽著喇叭;沒有放大器,即使將音源設備與喇叭硬靠在一起,它們也「不來電」,迸不出愛情的火花。因此有人說:放大器是音響器材的心臟,真一點不為過。

  再說的詳細一點: 在10平方呎的房間內,我們需要喇叭發出的音樂功率是100mW(100毫瓦),假定喇叭的效率是1%(相當於92dB聲壓水平輸出,事實上大多數喇叭的效率都低於1%)。那麼放大器的輸出功率至少是100mWx100=10W。放大器的輸出功率是10W,換算成輸出電壓就大約是9V。

  如果你聽唱片,而使用動磁式唱頭(MM),由於其輸出只有5mV,故要放大1800倍才能推動喇叭!如果使用輸出僅0.3mV的動圈式唱頭(MC),那就要放大30000倍!而調諧器和卡式座都有200mV左右的輸出電壓,故只要放大45倍就行了。由此可知,放大器的主要任務就是將來自音源設備的輸出電壓「做不同程度的放大」,然後去推動喇叭發出聲音來。

(a)前級放大器

  前級放大器應該能接受各種音源設備的輸入,好比唱盤(視使用唱頭而異)、卡式座、調諧器,並做「預先的處理」。這裡有兩點非常重要,一是上述的「做不同程度的放大」,和此段的「做預先的處理」。動磁唱頭和動圈唱頭的輸出比較低,它不但需要「較大的放大倍數」,同時還需要經過「RIAA等化網路」。而動圈唱頭輸出更低,它另外還得先加個「前──前置放大器」,但這個錢──前置放大器由於售價較高(因動圈唱頭的價格就是很高),再加上不容易處理,故通常都是另外裝箱、另外購買。

  假設音源是卡式座或調諧器,那就不必經過「RIAA等化網路」,而放大器的放大倍數也可以略低些。由此可知,如果前級放大器內的設備愈多,則它的功能也就愈完整。

(b)後級放大器

  後級(功率)放大器是把前級放大器的輸出電壓再加以放大,然後去推動喇叭,所以後級放大器的功能比較單純。而將前級放大器和後級放大器兩者合一,就成為綜合式放大器。

二、放大器的歷史

  這得先回到愛迪生的時代,愛迪生(Edison)曾經有一項發明:在圓筒型機器上播放錫箔發聲;大家也都知道「瑪莉有一隻小羊」的故事。不過愛迪生係利用號筒(horn)來發音,基本上還是屬於「機械振動」,無論是錄音或放音都未用到放大器。

  放大器的開始加入工作,是1906年以後的事,因為Lee De Forest在1905年發明音頻用的三極管真空管。而在那個時代還沒有麥克風、喇叭、唱頭這些玩意,放大器雖然有了,但並不是用於Hi-Fi(二十世紀初恐怕還沒有Hi-Fi這個名詞),而是用於工業及廣播方面。1925年左右,放大器慢慢熬出頭,開始進入電影院,與Audio扯上關係。

  隨著唱片製造業的發展,放大器一開始步入家庭中做純Audio的使用。1948年,美國哥倫比亞公司宣布生產LP(即長時間播放,Long Playing)唱片;至此由於唱片壓製、錄音技巧的成熟,高傳真時代即將展開!

  De Forest發明的真空管風騷了半個世紀,但在1955年,它的勁敵──電晶體誕生了;到1957年,立體(Stereo)錄音也被發展出來,人們的聽覺享受又得到大幅度的提升。往後的10年裡,真空管有逐漸衰落的趨勢,因它不但會發出高熱、使元件容易老化,而且機器的體型甚大,在市場上競爭往往比不過電晶體放大器;1965年的時候,生產真空管的廠家已是寥寥可數。

三、放大器的今天與明日

  音頻(Audio)用放大器發展到今日實已是相當完美了,FET及IC也被大量運用。但Audio是相當主觀的,雖然放大器的某些規格可以用儀器測量出來,可是有些特色卻非得以耳朵來聽才足以表達。是故雖然各種元件的製造愈來愈精緻、品質愈來愈優秀,但新的電晶體與老的真空管依然可以並存,因為它們各具特色。

  去年年底,日本開始推出最新的「數位唱片播放系統」──DAD。它所使用的CD唱片與現行的LP唱片完全不一樣,生產及製造程序也大不相同。不論CD未來的發展是如何,但是它的特優性能卻震撼音響界──90dB的訊號雜音比、立體分離度和動態範圍!同時它也使得某些傳統器材不足以應付其優秀的特性。在以後的日子裡,為要迎接CD的來臨,放大器勢必要做局部的變革才行。

第一章:放大器的工作元件

  前面很簡單的談到放大器的歷史及放大器的用途,但從現在起,我們要詳細討論有關放大器的一切,首先要探討的放大器的工作元件。在一部放大器裡有各種元件,我們常將它們區分成主動元件(要吃電的,例如晶體、IC二極體等)和被動元件(不必吃電,例如電阻、電容與電感)兩大類,我們只討論主動元件部分。

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一、真空管(Tube)

  真空管(Vacumm Tube)最早出現於世上是1902年,那時候的真空管沒有「放大」作用,而已有「整流」作用,故被稱為二極管。四年之後,De Forest發明三極真空管,那就具有放大的作用。何謂三極真空管?它的結構及動作情況又是如何?請看以下說明。

  所謂三極真空管(Triode)即表示此真空管具有三個電極;一個屏極(Plate)、一個陰極(Cathode)及一個控制柵極(Grid)。圖一是三極管的結構圖,它有直接加熱型和間接加熱型兩種。其中P代表屏極,G代表柵極,K代表陰極,而H(Heater)和F(Filament)代表燈絲和熱絲。

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  三極管的動作可以圖二來說明,陰極受熱後釋放出電子,屏極則吸收電子,而柵極則司控制。當加大柵極電壓時,陰極發射出的電子會受到柵極的反彈而無法到達屏極;如再增加柵極電壓,則流向屏極的電子將更減少。故改變柵極電壓,就能改變陰極與屏極間的電流;換言之,小電壓的波動造成大電流的變化,這也就是真空管為壓控元件的原因。

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  就結構來說,真空管尚有四極管(Tetrode)、五極管(Pentode)、束射管(Beam)和七極管(Heptode)......等多種款式。它們的功用和結構固然有所不同,就是外型也有甚大的差異;由於真空管是屬於落伍的元件,故不宜以較長的篇幅說明,圖三即是各種結構的真空管。

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二、電晶體(Transistor)

  電晶體呈半導體特性,它是在矽(Si)或鍺(Ge)元素加入一些雜質而成,這些雜質有銻(Sb)、磷(P)、砷(As)、鉛(Al)、銦(In)、和硼(B)。當銻、磷或砷雜質摻入矽或鍺元素中就會形成N型半導體;當鉛、銦或硼雜質摻入矽或鍺元素中就會形成P型半導體。N型半導體具有剩餘電子(自由電子),N型半導體則有電洞(hole)。圖四的N型半導體是在矽元素中加入銻雜質,P型半導體是在矽元素中加入銦雜質。

  二極體、電晶體或FET,在基本上都是屬於N-P半導體的接合型態。N半導體的極性呈負(陰),P半導體則呈正(陽)。在結構上,電晶體就像個三明治,它有兩種口味,如果中間夾層是N,那麼就是PNP型態;如果中間夾層是P,那麼就是NPN型態。

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   從圖五中我們可以輕易看出二極體和電晶體的電流走向,但若以電晶體做實際說明,大家應可發現圖五的電流走向除二極體為正確外,兩種電晶體幾乎都不可能。以NPN為例,我們加正電壓於最上層的N半導體,而加負電壓於最下層的N半導體,但此時卻沒有電流流通!我們必須在P半導體與下層N半導間再加一個電壓,如此就能使電晶體導通。其上層N半導體稱為集極(Collector)、中間夾心層稱為基極(Base),最下層稱為射極(Emitter);PNP晶體亦然。而在基極與射極的電壓(決定集極與射極的導通量),我們稱為偏壓(Bias)。

  再重複一次,NPN與PNP電晶體都具有集極、基極、射極三個接腳。在使用上NPN晶體的集極C腳)一定接正電壓,射極(E腳)一定接負電壓;而PNP晶體的集極則接負電壓,射極接正電壓,千萬不可弄錯。而不論PNP或NPN,其基極與射極間的偏壓(即VBE),若是矽晶體時為0.6V~0.7V,若是鍺晶體時為0.2V~0.3V;此電壓可由高內組的數位式三用表DCV檔直接量取。只要是矽晶體,幾乎都是0.6V,若電壓太低(低於0.5V)或太高(高於0.75V),即表示此電晶體有問題。

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  如同真空管一樣,電晶體的外型、功能、各項特性也大有不同,有小訊號用、有大功率用、有推動用、有高頻者、有低雜音者。在使用上,有的必須加散熱片,有的可承受大電流。而製造電晶體的廠家更是散佈全世界各地,其中以美國的Motorola廠最為著名。

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三、 FET

  FET的正式名稱是電場效應(Field-Effect)電晶體,它的結構和動作與先前討論的電晶體大不相同,它以電場效應來控制電流。

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圖六表明了FET的結構與電流走向,我們可以看到在半導體棒的兩端分別是源極(Source)和洩極(Drain),電流就在其間流通,此路徑就是通道(Channel);而在通道的外側就是閘極(Gate)。從圖六得知閘極可控制由洩極流向源極的電流;因此FET的閘極、電晶體(一般稱為雙極電晶體)的基極真空管的柵極一樣,都主司「控制」。

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  所謂N-Ch FET是表示通道為N型半導體,而閘極為P型半導體:P-Ch FET則正好相反。FET在工作時,洩極要加正電壓,源極要加負電壓,此時若在源極間施加反向電壓,就會像圖七一樣,在閘極的周圍形成沒有電流流通的空泛區(Depletion Zone);此空泛區的大小取決於源極與閘極間的反向電壓。並且由於在源極與閘極間要施加反向電壓,故輸入阻抗非常高,幾乎不需任何輸入電流。

  FET有兩種,一種是接合型(Junction),一種是MOS。接合型FET洩──閘極間之輸入阻抗有10.000~100.000MΩ,而MOS則在1014~1015左右,此點特性非常類似於真空管。在Audio市場上,接合型FET幾佔有率高達百分之八十,有些DUAL FET的價格還非常昂貴,例如2N3954;至於MOS FET,在全球音響製品上最出鋒頭的是日本HITACHI公司的功率管→2SJ134/2SK49。

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  MOS FET與接合型FET不同,見圖八,閘極與通道間由氧化膜(SiO2二氧化矽)隔開,而且它有兩個閘極,也用氧化膜隔開,在閘極與通道間會形成電容效應(Capacitor Effect)。使用MOS FET時要注意施加電壓不可太高,而且要防止受到靜電干擾,MOS FET在測試儀表和電腦上用的較廣泛,而後級放大器使用功率型MOS FET似乎是目前流行的趨勢。

  若干年以前,日本YAMAHA和SONY曾發展出一種垂直型FET(V-FET,或稱縱型FET),由於電流是在長而窄的通道中流動,故不能流過較大的電流,V-FET的發展就是用來做大電流放大用。見圖九,由於它的通道是垂直的,故稱為V-FET其通道可以用多個併聯以增加面積,故可以流過較大的電流(但也不超過10A)。

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  第一個發明V-FET的是日本Tohoku大學的Nishizawa教授,然後經Yamaha改良,以數千個通道併聯,使其有輸出300W的能力,並正式使用在音頻後級放大器B1上;音響技術創刊號的封面就是V-FET,編號為2SK77。V-FET與一般晶體比較,它的輸入阻抗高、輸出阻抗低、低失真、低噪音都是特點;另外所有的FET的溫度特性都很穩定,而沒有熱跑脫現象。功率放大器使用FET做輸出管時,也不必做溫度補償,同時驅動級電路也可以簡化。

  在本地市場上的FET大多是日製品,其特色是價格低廉,往往不到美製品的三分之一;而且日製品較不會有缺貨之虞。其編號若是2SK,則代表N通道FET,2SJ則代表P通道FET;3SK和3SJ則常代表是MOS。

四、 電晶體的基本動作

  要使一枚電晶體能夠動作(有放大作用),除要加電壓於C極和E極外,在B極和E極間一定還得加上「偏壓」才行,但是這個0.6V~0.7V的電壓並不是真正的要加在基──射間,我們只要建立基極電流IB,就能在基──射間得到這個電壓。

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(a)固定電壓(Fixed Bias)

  圖十是最簡單的偏壓方式,採固定偏壓。這個圖可以使我們想起以三用表測電晶體的hfe:假設電晶體是2N5210(NPN),將黑棒(黑棒接電池的正極)量C腳,將紅棒(紅棒接電表內電池的負極)量E腳,並將三用表撥至歐姆最高檔(x10K)。

  如果此時指針已有擺動,即表示此晶體有問題;如果指針未擺動,我們以手同時摸晶體的C腳和B腳,指針就會擺動,擺動愈大即表示晶體的hfe愈大。

  在圖十裡有兩個電阻,R1接在C極,RB接在基極。當沒有RB時,晶體B極開路,任你在C、E間加電壓,此晶體都不會動作。但RB加上後,它提供偏流給B極(IB),就使得晶體C、E間有電流流過。上面所述量晶體的hfe,你的手就是圖十中的RB;RB也就是基極偏壓電阻。

  固定偏壓的集極電流Ic容易受到晶體溫度的影響,其工作點容易漂移(溫度會影響hfe,hfe則影響Ic)。

(b)自給偏壓(Self Bias)

  見圖十一,RB被改接到晶體的C極,比起固定偏壓來,它對溫度變化要穩定多了。

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(c)電流回授偏壓(Current Feedback Bias)

  但要求真正的穩定,那就得採用圖十二般的電流回授偏壓線路,這個線路較常用在音頻放大電路中。C1和C2是交連電容,隔絕輸入與輸出的直流成分;C3是旁路電容,接在晶體的射極,負責將交流成分旁路(電容器有隔絕直流之功用,但能通過交流)。

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(d)射極隨耦器(Emitter Follower)

  最近幾期的音技有連載「學習使用電晶體」,讀者若詳細看過則對射極隨耦器必不陌生。見圖十三,晶體的基極負責輸入、射極負責輸出,集極則與輸入輸出無關,故此電路組態是共集極組態,也就是射極隨耦器。

  前三個圖都是集極輸出,但射極隨耦器卻是射極輸出,其射極電壓是釘牢基極電壓,射極隨耦器的電壓增益為1(即沒有電壓放大作用),但電流增益卻高;另外一個特點是輸入阻抗高、輸出阻抗低,故在電路中常被當作「阻抗匹配」用。

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(c)達靈頓接法(Darlington)

  達靈頓的接法有好幾種,圖十四是其中之一,Q1與Q2合成一個晶體。達靈頓的特點是輸入阻抗高 、電流放大率高。市面上,也可以買到小訊號或大功率用的單只達靈頓晶體,要注意的是其VBE在1V~1.2V間。

(f)兩級串級放大(2-Stage Cascade)

  將兩個晶體已串聯接法使用,其目的是可獲得較高之電壓放大率(注意串級不是串疊)。但如果是採用圖十五的線路,則雖然可以得到好幾萬倍的電壓放大(因增益無窮大),但電路非常地不穩定,而且容易引起震盪。

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  當兩級串級放大電路應用在音頻放大器中時,通常都會師加適量的負回授(Negative Feedback,NFB)。而加負回授的方法不外乎兩種,一是「C-E負回授」,其接法是從第二級晶體的C極拉回到第一級晶體的E極。另一個方法是「E-B負回授」,由第二級晶體的E極拉回到第二級晶體的B極。

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  當加上C-E負回授後(見圖十六),電路的電壓放大倍數會降低,但電路會有較佳的溫度特性,而且工作也比較穩定;它的輸入阻抗高而輸出阻抗低,極適用於音頻放大器。

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  當加上E-B負回授後(見圖十七),電壓放大倍數也會降低,溫度特性也佳,工作也很穩定;而更佳的是:它的頻率響應在0Hz至數百KHz內都能保持平坦!

  所以加上負回授非但能降低電壓放大倍數,增加工作穩定性外,更能改善頻率響應和噪音的特性。而且更有甚者的是:如運用得法,頻率響應還可以由負回授元件來控制,像磁頭電路中的RIAA元件就可左右重播音色(指負回授型言),而負回授式的音質控制網路也是個例子。

(g)全對稱直接交連

  此電路係由一枚NPN晶體及一枚PNP晶體直接交連(Direct-Coupled)而成,所謂直接交連是指不介入交連電容,這樣的接法,電流增益和電壓增益都很高。而且由於沒有交連電容,頻率響應(特別是低頻段)也能獲得有效的改善。

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  但是像圖十八的接法也是有缺點,除非加上負回授,否則Q1集極電流有任何變化(即Ic)都會被Q2放大,這樣非常容易造成電路的不穩定。

(b)差動放大(Differential Amp.)

  差動放大幾乎是目前音頻放大器中最常用的電路結構,不論是前級或是後級,輸入端幾乎都是差動放大。

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  差動放大的兩個晶體是面對面接法,見圖十九,兩個晶體的基極都是輸入,Q1基極輸入是e1,Q2基極輸入是e2,差動放大器就是放大e1與e2的誤差訊號。

  當e1與e2輸入訊號相同時,由於e1與e2相位相反,故抵消後變成輸出等於零。同理,當e1與e2的輸入雜音相同時,它也不會有輸出;此項特性使得差動放大具有較高的雜音抑制力,並具有較佳的線性,而工作也非常穩定。

  為了增進差動放大器的特性,Q1與Q2最好使用複合管,以獲取兩枚晶體的最佳匹配。但在實際使用時,複合管亦非常理想,品質較差者不匹配情況甚為嚴重。美國Motorola廠有極高品質的複合管(例如LM394),其價格之高,連國外著名廠都用不起。

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(i)電流鏡(Current Mirror)

  電流鏡的基本結構類似差動放大,見圖二十,I1流向晶體Q1,I2流向晶體Q2,左右對稱如鏡子般。當應用在音頻放大器電路中時,常被接成推挽式架構;電流鏡電路的特點是維持差動晶體的直流平衡。

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(j)推挽式線路(Push-Pull)

  如圖二十一,兩個晶體垂直排列,輸出端則取自它們的中點,兩個晶體各負責正負半週動作,一個晶體導通(ON),另一個就截流(OFF),故為推挽線路。另有所謂單端推挽(SEPP),係相對於有輸出變壓器的雙端推挽結構而來,因為SEPP的動作元件是共同指向同一個中央輸出點;這在現今音頻放大器裏是常看到的電路。

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  推挽放大電路有全對稱放大及半對稱(或稱準對稱)放大之分,像SF-106N後級電路,輸出端是由NPN-PNP晶體構成,固然是全對稱推挽輸出,但由於其驅動級也是NPN-PNP組態,故其結構為互補式全對稱架構。如果功率晶體是NPN-PNP,而推動晶體則是NPN-NPN或PNP-PNP,我們稱之為準對稱。如果功率晶體是同極性者,那就稱半對稱;故準對稱與半對稱還是有些區別。

五、 FET的基本動作

  FET的動作很類似真空管,與電晶體差異較大。

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(a)固定偏壓

  要使FET動作,一定要在閘極(G)加上反向偏壓,圖二十三所示為FET的固定偏壓線路,偏壓電源與主電源是分開的,而其偏壓是加在FET的閘極與洩極(S)間。採固定偏壓方式,動作點不會因源極電流(ID)的變化而變動。固定偏壓常用在大輸出電路中,特別是當ID取的很大時。

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  在圖二十四中我們要注意閘極電阻RG和洩極電阻RS的接法,由於ID流向RS,故在閘極與洩極間的電壓(VGS)就是-RSxID,而此電壓會隨著ID的變化變動。所以使用自給偏壓的場合是小訊號動作,ID不易變化,並且最好是恆流。

(c)共閘極接地(Grounded-Gate)

  一般雙極二極體有共基、共集、共射三種接地組態,FET也是一樣,前面所提的固定偏壓和自給偏壓,都是使FET的洩極接地,故稱為「共洩極接地」。採用共洩極接地線路時,要注意其輸出訊號相位與輸入訊號項為恰好相反。

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  共閘極接地則見圖二十五,我們可看出洩極為輸入,源極為輸出,而閘極「無所事事」,共閘極接地的特性是輸入與輸出同相位,並且也能得到較高的放大倍數。但是較不利的是輸入阻抗不高,故此電路常被用於串級電路的第二級。

(d)共源極接地(Grounded-Drain)

  FET的共源極接地很像是雙極電晶體的共集極接地(即射極隨耦器),它的另一個名稱是洩極隨耦器。如圖二十六,輸出是取自洩極,它具有高輸入阻抗、低輸出阻抗,而且電壓放大率也小於1。

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(e)串級線路(Cascade)

  串級線路是將兩個或三個FET以串連方式接續而成,而圖十五的電晶體串級線路是將兩個共射極接地晶體串接而成,但FET則常是將共洩極接地與共閘極接地的元件串聯,就像圖二十七所示。

  它的特點是減少米勒效應,並且增進高頻端的響應;屬於直接交連線路;它可以承受較高的電壓,並且不易受到電壓變動的影響;輸出阻抗高。但是在實際電路中,FET串級接法卻很少用到。

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  米勒效應(Miller Effect)又是怎麼回事?我們以共洩級接地線路做說明。見圖二十八,輸入阻抗會因電容CDG之介入而降低。並且高頻響應也會受到影響。當Vo大於Vin時,米勒效應就會增加;它除上述兩個缺點外,也會降低電路的電壓增益。

(f)洩極隨耦驅動線路

  這種接法就像是將兩枚晶體接成達靈頓一樣,功率FET與驅動級FET就常採用洩極隨耦驅動是接法(見圖二十九)。

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六、 放大器的工作點

  當我們設計一台放大器時,不論使用元件是電晶體或FET,「偏壓」都是其中相當重要的一環。我們可將輸入、輸出波形,以及放大元件的特性曲線繪出來,這樣就比較容易了解放大器工作類別與工作點(operating point)的關係。

(a)A類放大器(Class A)

  A類放大器的特色是:不論輸入端有沒有訊號加入,輸出晶體永遠處於導通(ON)狀態,亦即永不截流(OFF),在不加訊號情況下輸出晶體亦處於最大功率損耗狀態。

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  從圖三十中看出,輸出波形的最高點到最低點都在特性曲線的最線性區(Linear Section),故失真最低,但由於處於最大功率損耗狀態,故溫度甚高,而效率(efficiency)卻低。

  一台40W輸出的A類後級放大器,其靜態消耗功率高達96W,故電源變壓器至少要有140VA的容量;而其靜態電流(Idler Current)要調至1.6A。

(b)B類放大器(Class B)

  B類放大器是不適用於音頻放大器,在推挽式B類放大電路中,輸出晶體分別放大正負半週的訊號。當正半週晶體導通時,負半週晶體截流,反之亦然。B類放大器的特點是不需施加偏壓即可使電路工作,因此幾乎不產生任何溫度,並且效率也最高。但其缺點是:正半週與負半週波形在接合處會產生難聽的交越失真和轉換失真。

  交越失真(Crossover Distortion)亦稱交叉失真,是B類放大器所獨有,只要加大偏流就可消除交越失真。而轉換失真(Swicthing Distortion)則是由放大器的半導體元件的缺失造成,日本Pioneer公司最先提出此論點,並建議以Ft高達10MHz的RET擔任輸出晶體。轉換失真也與工作點的延遲有些關係,故現今音頻放大器都講求「速度快」。

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(c)AB類放大器 (class AB)

  由於AB類放大電路的動作點被要排在A類與B類間,故它具有A類與B類的特點:沒有交越失真,但靜態損耗低、效率較高。

  目前音頻放大器中,前級放大器幾乎都是A類放大,而在後級放大器中,AB類佔有80%,A類則佔15%,其他的則是D類或H類放大。但不論使用哪一類放大器,它的要求應該是效率高、熱消耗低、失真低,並且適用於大多數的原件。

七、 何謂DC放大器?

  一部放大器,如果能放大低至0Hz的訊號,那麼它就能算是DC(直流放大器。DC放大器的基本要求是:各級交連均採直接交連,甚至交流訊號路徑都不能有交連電容存在;±Vcc電源要非常的對稱,而且不能任意變動;放大元件的互補對稱要好,特別是熱補償特性;整個電路工作要非常穩定,在長久使用下,元件不應該變質。

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  圖三十一是DC化的放大器線路,左邊是平坦放大器(Flat Amp.,亦稱高電平放大器),右邊是功率放大器,訊號由輸入到輸出都沒有交連電容,回授端也沒有電容(回授直接經由電阻下地),因此是真正的DC放大器。

  要維持DC放大器的輸出中點等於0V是很困難的,解決之道是加入可調元件,例如可變電阻VR;加入伺服電路。前者線路較為簡單,花費也少,但VR品質一定要選用最佳者;後者是電路較為複雜(至少另外準備一組電源),但長期動作甚為可靠,不會有變質之虞。

  理論上A類放大優於AB類放大,DC放大優於非DC放大;但實際使用上由於電路的安排、元件的選擇,兩者有時不會有什麼差異;甚至在儀器測試和實際試聽時,AB類放大常有優於A類放大的表現,故電路理論不能決定一切。

第二章: 前級放大器

  前級放大器要能接受唱頭(唱盤)、調諧器及卡式座的輸入,經過適當的處理後再送至後級放大器。有些前級放大器設計得很複雜,面板上開關和控制一大堆,並且還泛著五彩的光芒。但有些前級就被設計得很簡單,就像音季的SF-2002無音控前級。不論是複雜或簡單,只要是前級放大器,就必須具有某些不可缺的放大電路。

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一、 磁頭放大電路(EQ Circuit)

  磁頭放大器有兩個重要的任務,一是將輸入訊號「放大」,一是將輸入訊號「等化」。在此我們要先明白唱片在刻錄時,刻片刀是呈「等速運動」。有關等速運動的重要公式是V(速度)=2πf(頻率)xA(振幅),從V=2πfA中得知,當V不變時,A會隨著f而變。

  設刻片刀之速度為5cm/sec,當頻率是1KHz時,振幅是0.00079cm;當頻率是20Hz時,振幅是0.0398cm;當頻率是20KHz時,振幅是0.000039cm。故以1KHz做標準時,20Hz與20KHz之振幅差異達1000倍!

  這樣有何缺點呢?當錄製高頻訊號時,由於振幅太小,故訊號易被唱片表面雜音所遮蓋。而在錄製低頻,則因振幅太大,將會佔去甚大的面積,使得唱針循跡困難,並且錄音時間大為縮短。怎麼辦呢?在錄音時,將高頻訊號的振幅(即電平)增強,而將低頻訊號振幅做適度的衰減;這個工作就是預行強調(pre-emphasis)。利用這個系統可以對所有頻率做「等幅響應」錄製,故使用晶體唱頭、陶瓷唱頭時,即可獲得平直的頻率響應;但使用電磁唱頭(包括MM、MI、IM、VM)時,就必先經過「等化」才能得到平直的響應曲線。

  目前通用的唱頭等化標準是由美國錄音工業協會(RIAA)在1965年所統一規定的,而所有的廠都遵循著RIAA這項標準。以RIAA錄音曲線言,它是將20Hz~20KHz頻段分成三個轉折點:50Hz、500Hz、2120Hz。在第二轉折點至第三轉折點之頻率(即500Hz~2120Hz)維持平直的響應;第三轉折點以上的頻率呈6dB/oct的斜率提昇;而第二轉折點以下的頻率則呈6dB/oct的斜率衰減,一直到50Hz。由於以前的錄音技術較差,50Hz已是低頻的極限;現今則技藝進步,使得RIAA在四年多前公布的等化曲線,將低頻轉折點降為31.5Hz。

  但是在電路設計及電路計算時,我們常以「時間常數」來代替「轉折頻率」:50Hz→3180uS、500Hz→318uS、2120Hz→75uS,這樣比較方便。

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  圖三十二所示是RIAA標準錄/放音特性曲線,實線是錄音特性曲線;圖示水平軸是頻率,垂直軸是等速振幅響應,以dB表示。我們可以看出錄/放音特性曲線是完全對稱的,但在實際上,要想完全等化錄音特性曲線也不是一件容易的事。

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(a)回授型RIAA等化網路(NF EQ)

  在磁頭放大電路中最常用的等化網路是NF回授型,其接法是把RIAA等化網路插入放大器的回授路徑中。圖三十三是回授型等化網路的典型接法,我們也可以看出等化特性與回授量有密切關係。頻率低的時候,回授量降低,使得放大器增益提高;當頻率高的時候,回授量昇高,使得放大器增益降低。回授量太低時,雜音會大量增加;回授量太大時,電路會不穩定,易產生振盪。

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  在回授型等化網路中,20Hz~20KHz之頻率,其電平擺幅在±20dB間。我們可以從圖三十四中看出RIAA放音特性,電平最高是20Hz的19.27dB,電平最低是20KHz的-19.62dB;故在實際應用時,我們要考慮回授型RIAA網路會產生40dB的等化損失。

(b)衰減型RIAA等化網路(CR EQ)

  如果要考慮放大器的失真、雜音特性,以及電路設計的複雜程度,衰減型RIAA等化網路就較少被使用。NF等化網路有低雜音的特性,但CR型等化網路則具有較低的失真,而且它也沒有等化損失。

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  圖三十五所示是CR等化網路補償特性,在FET差動輸入的磁頭放大電路中,常採用CR等化網路;通常這種電路都可分成兩「節」。

(c)RIAA等化網路元件

  不論是NF回授型(主動式)或CR衰減型(被動式),其等化網路不過幾個電容(C)、幾個電阻(R)串併聯構成而已。但千萬不要小看了電阻和電容,它的要求是數值精確,品質優良。

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  回授型網路的計算公式是:R1xC1=3180uS,R3xC2=75uS,(R1xR2)/(R2+R1)x(C1+C2)=318uS。依照這個公式,應可求出無限多組解,但所求值常是特殊值,這就需要串聯或併聯了。

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  CR衰減型網路的計算公式是:C2/C1=2.916uS,R1xC2=2187uS,R2xC1=109.05uS

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  典型而實用的NF回授等化網路如PRO-214N(當然還有其他的機種),典型而實用的RC衰減型電路則可參看PRO-212和PRO-218N。這兩種電路沒有絕對的實例可證明NF優於CR,或者CR優於NF,因為它們各具特色。

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  在品質的要求上,電阻宜用誤差低、溫度穩定性高的金屬膜質;電容移用無極性的塑料金屬膜型,其中以聚丙烯膜(PP)為最佳,而聚碳酸脂膜(PC)、聚苯乙烯(PS)則居次。這些元件在國內市場上已可輕易買到。

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二、 MC唱頭放大電路(MC Head Amp.)

  動磁唱頭(MM、MI、IM、VM)的輸出通常是在3mV~5mV/sec.間,這個電平可直接送入磁頭放大電路。但動圈唱頭(MC)則不一樣,它的特點是輸出電平低,只有0.2mV左右;直流阻抗低,其值不超過20Ω

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  因此在使用動圈唱頭時,得先經過MC唱頭放大電路,然後才能送入磁頭放大器。不過這個MC唱頭放大電路往往不是前級放大器的「標準配備」,單獨購買也常所費不貲。

(a)先端放大器(Pre-pre Amp.)

  先端放大器亦稱前──前級放大器,在使用時不論是AC電源或乾電池,它總是需要「吃電」。先端放大器的輸入電阻要與NC唱頭配合,其值是MC唱頭直流阻抗10倍以上,故常安排在30Ω~100Ω之間。

(b)昇壓器(Set up Transformer)

  將MC唱頭低輸出電壓放大,另一個方法就是使用昇壓器。昇壓器在使用時不必加任何電源就可工作,它是利用變壓器鐵心上線圈的圈數比獲得放大的目的。其初級圈輸入阻抗應與MC唱頭直流阻抗相配合,故其值常在3Ω~30Ω間。

  就音色言,先端放大器與昇壓器亦各有特色,殊難比較。但以哼聲及雜訊干擾言,先端放大器比較難處理,為此先端放大器常使用乾電池以獲取純正的直流電壓。

轉載音響技術第94期NOV. 1983 每月專載/看圖學音響 音頻放大器 前級 後級放大器 上篇/宋長波 譯述

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