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  你想製作主動分音器、音調控制電路或等化器嗎?只要幾枚電阻、電容和一只IC運算放大器就可完成。而且作出來的成品不僅是暫時的代用品而已,就靠著一些零件和一只IC,在很短的時間內就能有你所想要的功能。

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如果使用圖一所示電路加裝於前級或音調控制級之後,就可直接來推動喇叭而勿須再接額外的功率放大器。你可將本文所介紹的電路與其他類似的運算放大電路做比較,你將覺得本文的電路最值得來製作。首先將其特性與一般通用的IC 741來做比較:

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  本機電路從DC到100KHz(±0.1dB內)均能保持平坦響應,總諧波及內調失真低於0.1%,雜音抑制-95dB而且有完備的電壓──電流安全工作範圍保護裝置;最大輸出電壓、電流和耗可依需要而改變。還有一優點就是整個電路只使用6只半導體元件,大大的降低裝機的困難和修理的麻煩。(通常裝一片不用一個小時)就可完成,且成品尺寸不大(3½"x4"),很容易找到適合的機箱來容納。性能極佳的安全工作區域回授限制,只須加裝小型的散熱片即可而不必擔心電晶體過熱的危險。整體線路可視為一只純粹的運算放大器而可適用於各種頻率削減(Frequency-Sharping)電路內,且低失真、低雜音的優良性能,在一級電路內可連接兩級、三級甚至四級來構成一聲道而不必擔心失真與雜音的倍加。此IC亦可用來設計優良的音調控制電路與等化電路。本文的主題是以IC 540運算放大器來作一耳機放大電路,首先來看一些設計的範例。

設計原理──

  有很多人包括我自己,都相當喜歡真空管擴大機無拘無束與寬闊的聲音,這似乎不是儀器測出的失真與頻率響應值能夠解釋的。真空管的線性轉移特性可能是使真空管能具有此種幾乎魔術般優點的原因。三極管的電壓──電流曲線與電阻非常類似──初階線性(First order),因此真空管主動元件特有的低階諧波性能使其勿須任何回授就能產生清澈的聲音。最重要的,當真空管放大器因突發信號或過載現象使正常工作點偏移時也只是比原設計的中心點偏離一些而已,這也是真空管的輸入電壓範圍能較廣闊的原因。

  現在來討論雙極性(Bipolar)電晶體,它是以電流為驅動的元件,以電壓的觀點來看,基──射極順向偏壓不到一定值,電晶體是不會導通,在這一點(矽質晶體為0.6V)附近到未飽和之前約有300mV的範圍較為線性,且此範圍內之轉移曲線並不很線性,實際上看起來一點也不直(如圖二所示)。以差動放大器的兩只晶體來看,其線性範圍只有20mV左右,在此範圍以外曲線即成指數型(如圖三所示)。

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所以萬一有瞬間電壓或過載時,電晶體的正常工作點非常容易超出範圍而變得不線性,因而產生高階諧波與內調失真而壓制正常的訊號。縱然如此電晶體仍有許多優點(結構堅固、省電、修護容易和體積小等等),所以設計人員還是樂於適應(甚至不顧)電晶體的缺點。

回授與內調失真──

  解決非線性轉移特性的方法一般都是加上大量的負回授,其原理是非線性是回授增益的反函數。但這是一種東借西還的方法,也就是加上大量負回授就必須加上大量的補償,故而降低了迴轉率,如果電路不能反應迅速,則電路的前端問題(窄的輸入範圍),將會更惡化。最好的方法就是設計一種電路具有真空管寬廣的線性轉移曲線,可用少量的負回授來減少失真,也就是說可允許少量的補償以提高迴轉率。另外,少量的回授再配合一種可允許較大輸入範圍(在可容忍之內)的網路組合,亦可避免誘發非線性TIM的產生。

  如果電路輸入前端為差動放大方式,可藉射極電阻加入的方法或其他技術來改善這種問題,不過這種改良方式,以單晶IC如540而言將損失某些優點(熱追蹤、電流源隔離問題等),比較起來所付出的代價似乎太高了,所以無法在540 IC內部作這種改善。另一種較好的方式就是從IC的外部電路來改善整體的線性,也就是寧可嚴格地限制電路的頻寬而少用一點補償,我使用單晶橋式二極體IC CA3019和輸入電阻R6、R7來構成。這網路的效能是降低整體電路的轉移電導(Transconductance)及限制頻寬而可保留高的迴轉率和改善前端輸入過載現象,如此可擴展輸入範圍從典型的0.1Vp-p到2~3Vp-p(類似於真空管的特性)。

  輸出電晶體的交錯點(Cross Point)也是非線性訊號的另一來源,我提供一極高的靜態工作電流以消除之,使電晶體工作點達A類1W以上,阻值低的射極電阻能改善輸出級的線性而不致影響輸出級的電流增益,避免使540 IC輸出過載。

動圈式耳機──

  大部分品質良好的耳機只要不到1W的功率就能產生震耳欲聾的音量,很不幸地,大部分的功率放大器在這麼低的功率下無法發揮應有的優點。以200W的後即直接推動1W的喇叭時,縱然很小的雜訊也可能造成很大的損害,所以一般解決的方法就是在耳機套內加上一只100Ω的電阻與喇叭串聯以減低音量和雜音。但是這枚電阻會減低放大器的輸出阻尼,意思就是說放大器無法很緊地控制耳機喇叭隨心所欲地隨輸出訊號來回推動,怎麼辦呢?設計一片純粹的耳機放大器能直接推動喇叭且具有快速、靈敏的過載保護功能,當然,輸出功率不用那麼高。

  如果電晶體功率夠大再加上適當的散熱片,540IC本身就可以工作於A類1W(3V RMS到8Ω負載)。工作電壓±12V,靜態電流50mA使輸出晶體每只產生約0.6W的消耗,只要將輸出晶體鎖在機殼上或加上小型散熱片就能在此情況下工作勿須擔心過熱,短路情況下,輸出電流約0.7A,功率晶體每只消耗4W也仍在安全範圍內。

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  電源輸出前應先穩壓處理,為使電路簡化起見,建議採用如圖四之線路使用穩壓IC,雖然只用簡單的電容作輸出濾波,即能有90dB的漣波抑制比,大大地改善放大器的雜音,IC為三端接腳型,每一聲道需用兩只,一只LM340T-12(或7812)負責正電源部分,另一只為LM320T-12(或7912)擔任負電源部分,穩壓IC本身若功率消耗在2W以上時則必須加上墊片鎖在機殼上或散熱片。輸入端的鉭質電容能短暫儲存電能以避免振鈴(Ring)訊號出現在輸出線上,你可以另加一只0.47uF聚丙烯電容與鉭質電容並聯,這樣可改善音頻範圍內之雜訊。放大器加上穩壓電源後,輸入端並聯600Ω電阻測得輸出雜訊為150uV,哼聲成分也大大的降低。

  放大器電壓增益為5倍,輸入0.8V可得4V輸出,由R23/R5決定,輸出端保險絲的阻值可能有1Ω或更高,會影響放大器的輸出阻尼,為避免此問題,將保險絲安排在回授網路內,經過保險絲被取回60dB以上的回授,將阻值降低1000倍以上,也就是將保險絲的有效阻值減少至0.001Ω以下,如此就不會影響輸出阻尼了,輸出保險絲的功用是萬一零件損壞可保護喇叭不被燒毀。

靜電式耳機──

  驅動靜電式耳機與動圈式耳機有很大的不同,大部分的靜電式耳機均使用音頻昇壓器以獲得200~400V的百幅電壓來推動之,變壓器的輸入電壓需有10Vp-p或更高。不過因放大器的輸出負載不是耳機而是昇壓器(約40Ω的線圈等效阻抗),需要的推動電流不大,所以輸出阻尼的影響甚微。故將電路略為修改成高電壓、低電流輸出型,始能有23Vp-p電壓輸出能力,THD低於0.1%。電阻R23改為10KΩ,使電壓增益為10倍,輸出功率限制在10W,短路電流0.5A。穩壓電路與圖四相同,不過正電源IC改用LM340T-24,負電源為LM320T-24。電源變壓器為24-0-24V抽頭型,容量0.5A,濾波電容2500uF/35V電解質。為安全起見,540 IC需加上TO-5型散熱片,以免過熱,加上穩壓電源後,放大器輸出雜訊200uV。

功率放大器──

  如同一系列使用兩片後級分別放大高、低音,或三片後級放大高、中、低音,則負責低頻部分將需較高的功率,簡單地說:正常音樂節目的播放,在使聲音重現時期低頻訊號將占總輸出功率的大部分,就我所知,一只中效率的低音喇叭要能產生清澈而圓潤的聲音,推動功率須達100W之高,而像這麼高的功率對中音及高音是非常不利的。舉個例子來說,Electro Voice公司之ST350A號角型喇叭,推動喇叭後級的輸出電壓就不能超過6Vp-p與4Vrms,就也證明了這種喇叭的效率和敏感性了。所以本文所介紹的電路來推動中、高音喇叭是最適合不過了。只要將本文所介紹的靜電式耳機放大電路輸出保險絲改用1A型,就是一部質優的15W後級放大器了。

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組裝──

   圖五為單聲道PC板,圖六為零件位置圖,零件表所列可適用動圈式耳機與靜電式耳機,只要適當地改變R23值即可。功率晶體以接腳直接焊在PC板,接腳盡量留短以避免感應高頻雜訊,焊接聚丙烯電容時需格外小心以免烙鐵頭的高溫損害電容。輸出晶體焊在PC板的銅箔面,晶體與機殼或散熱片必須絕緣良好並先抹上足夠的散熱油。安排與裝置PC板,輸出、入端子及110V AC電源線時須格外的留意以避免哼聲,AC電源線可從機殼後面板中間進入,變壓器愈近這個地方愈好,以免不必要的交流訊號感應入機箱內,全波橋式整流器直接焊在變壓器次級上,這樣也可減少交流聲的感應。

  信號輸入端子應盡量靠近PC板,並用隔離線連接,輸出可接到耳機插座端子或接一般喇叭用的端子。將穩壓IC所在與輸出晶體使用之同一散熱片上,這樣散熱片將晶體所產生的溫度傳到穩壓IC上,如果晶體溫度過高穩壓IC會將輸出電流降低,兩者盡量靠近以期能有迅速的熱傳導。

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圖七為本機的接地方法,可避免造成地線回路,只能以訊號輸入端子地線接到機殼接地,再用低阻抗導線接到電源供應的中心點(零V點),切記除輸入端子的地線外,其他地方都不可與機殼接地,如果不這樣,輸入與輸出的直流位準就會浮動而漂移。

測試──

  穩壓電源接到PC板前應先測試它的負載性能,以50Ω/5W的電阻短暫地接到輸出端子上,再以電表量輸出電壓應保持定值,注意電阻接通時間不可太長否則電阻會燙手。靜態電流調整用電阻在加電源前以電表調整到其阻值一半的位置。不管對直接耦合電路的爭論如何,大家對其優點的看法是一致的,以本機而言IC 540的輸入與輸出之間都沒有電容作耦合,所以頻率響應應由DC到100KHz均保持在±0.1dB以內,也就是說,在輸入端出現任何直流電壓都會經電路放大送到喇叭,如果前級放大器輸出有直流成分經本機放大後除了會降低喇叭的動態範圍外也可能造成損害,所以未接訊號源以前,務必先檢查訊號元的輸出值流成份不可超過0.01V以上。

  可變電阻R4用來調整電路本身的直流補償電壓。此電阻回饋一純直流至IC 540的反相輸入端,可有效地調整電路輸出直流至最低點,未加電源前先將R4阻值調到一半。

  將輸入端接上一只680Ω ¼W電阻然後接上電源,注意極性不可接反否則會損毀IC。以三用表量取輸出點到地的直流電壓應該不超過0.5V,不然可能電路有以下的問題:

  1.回授元件開路或短路

  2.訊號接地線開路

  3.電源接地線開路

  4.焊錫橋接短路或銅箔短路

  5.功率晶體短路

  假如輸出低於0.5V,調整R4使輸出達最低, 不過這只是初次調整,當溫度上升後須再調整一次,最好使用數字型電表調整最後輸出直流電壓直到低於0.001V以內。

  將電源關掉,以電流表串在電源輸出與放大器間,電源打開,電流表指示應稍低約20mA左右,在調整R10使電流表讀數達50mA,並且多觀察幾分鐘,以確定電路穩定。

  靜態電流穩定後,關掉電源將電表移開,再加上電源檢查直流輸出電壓是否正常,如果不是再調整R4。如果手上有示波器,則將輸出接到示波器上,應該不會有振盪現象,如果有則可能是接地不良,再檢查接線是否與圖七相同,另外也可能是焊接不良所引起,尤其功率晶體。

保險絲的選擇──

  建議使用¼A或½A型來做兩種耳機電路的輸出保險絲,雖然其容量比電路的最大輸出低了很多,不過低值保險絲也能容忍短暫的湧浪電流,而我們用來推動的是耳機,所以使用¼A的保險絲不但能保護喇叭線圈也能有足夠的容量讓我們享受音樂。

  本機為直接耦合,所以開關時可能會有「碰」聲,這種瞬間電壓(大約0.5Vp-p)雖然不大,聽起來總是很不舒服。建議戴上耳機前先開電源,如果認為有需要可另加上喇叭保護電路,這樣本機就更完美了。

轉載音響技術第89期MAY. 1983 簡潔質優的耳機放大器/張嘉雄 (原作者:James E. Boak 取材自 THE AUDIO AMATEUR)

 

 

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