SAE等化器之設計與製作－老音響資料庫/蘇桑部落格

前言

　　最近,連續好幾篇探討SEA等化器的文章,在「音響技術」刊出,掀起了一陣熱潮。SEA等化器的最大好處,就是能隨心所欲改變音響的效果,修正欣賞環境造成的頻率響應不平坦。如果在已有的一套普通音響系統中,增加一部SEA等化器,相信一定可以聆賞到更美好的音樂。對於音響器材製作有興趣的朋友而言,看了幾篇有關SEA等化器的文章之後,一定會細心的比較各種電路效果的好壞,及製作上的難易,作為自己製作的選擇參考。筆者在公餘之暇,便是拿起烙鐵,動手試作各種音響器材,對於SEA等化器,自然不曾忽略,早就想試製一部來玩一玩。因此,研讀有關的文章,收集有關的電路,互相比較,成為動手之前的主要準備工作。

　　不久之前,在通俗電子學(Popular electronics)雜誌,看到了一篇SEA等化器的製作專文,發覺其電路結構簡單而合理,用途廣泛,非常適合自己動手試作。利用幾天的空閒時間,試製了一部。經過了實際的測試及試聽,對於其效果非常滿意。唐老編知道筆者的這項試作成功之後,一再的催促筆者,希望把有關的資料,以及製作的經過,提供給音響技術的讀者盟友。為了共同探討與研究,筆者願意把一切心得奉獻給所有的朋友,但是也希望唐老編,能在編餘之暇,設計一個精美的機箱,為嚐試自己動手製作的朋友,提供另一項熱忱的服務。

SEA 電路的選擇

　　音響技術第十三期裡面,小方先生對於SEA的動作原理,有很詳細的說明與比較。總而言之,SEA等話放大器與普通音質控制放大器的最大不同,就是利用分段頻率控制來改變音質。所以,每一頻段的頻率選擇,必須使用共振電路(或稱諧振電路),它就成為SEA等化器的心臟。一般常用的共振電路,概括可分為兩種,一種微電阻電容(RC)共振,另一種則為電感電容(LC)共振。如果劃分的頻段數目多,我們對共振電路的設計要求有二點,首先其Q值要高,其次其共振頻帶要窄狹,不可太寬。針對上述要求,LC共振電路比RC共振電路要佳。如果採用LC共振電路,對於一個音響器材的專門製造廠來說,或許所遭遇到的困難不多,但是,對於一個業餘的愛好者來說,真可謂困難重重。以國內目前的環境,大家都清楚,市面上現成的電感零件非常缺乏,即使能在少數賣舊貨的電料行找到一些,其數值也僅有少數幾種,能不能用得上還不知道,若運氣好,能派上用場,其電感量的誤差有多大,也是一大問題。用在共振頻率低的部分,L值必須很大,線圈的外形與體積也就很大,在應用上,可能使裝機與機內電路的配置,發生種種困難。同時,大型的電感線圈,很容易揀拾到交流及雜音信號,假使屏蔽不良,哼聲或交流聲就很難避免。萬一找不到合適的現成電感線圈,要自己動手繞製,這就牽涉到更多的問題了,很多人遇到這種情形,就會知難而退,放棄試製的念頭,這是意料中之事。

　　RC共振電路,在零件的選擇與取得上,當然比LC共振電路簡單多了。可是,這種電路的缺點很大,因為其共振點的Q值太小,而要提高Q值非常困難,故頻帶變寬而不適用,另外,由於阻抗不匹配而造成的插入損失,也會使信號受到不同的衰減。綜觀上述理由,RC共振電路不能應用於SEA等化器上是非常明顯的。

　　最佳的方法,就是引用活性濾波器(active filter)設計原理中所談到的迴旋器(gyrator)。所謂迴旋器,就是利用電阻電容網路,配上演算放大器(Operational amplifier),形成一個具有電感特性的電路,這種方法造成的電感,邊稱之為模擬電感(Simulation ieductor)或仿效電感(eguivalent inductor)。然後,再選用一個適當的電容,與模擬電感配合起來,便可組成LC共振電路,筆者在本文中要向各位朋友推介的SEA等化器,就是應用這種模擬電感的原理。本文後面,對模擬電感的設計原理將詳加討論,作為提供讀者自行設計不同的等化器電路之參考。

為何稱之為圖示型等化器

　　較常見也較為簡單的SEA等化器,是把整個城音頻段分為五個或七個中心頻率。本文介紹的電路,分段比較詳細,採用octave頻率分段方式從31.25Hz到16,000Hz共分為十個選擇中心頻率,分為31.25, 62.5, 125, 250, 1000, 2000, 4000, 8000, 16000,後面一個頻率是前面一個頻率的2倍,這也就是octave分音方式。例如,125Hz到250Hz或1000Hz到2000Hz之間是為一個octave。根據聲學原理,我們知道,一個octave是為一般人所能分辨得出的音程變化。依照octave來分段,在音調控制上可以有很豐富的變化,因此是一種最經濟也是最有效的分段法。

　　等化器十個中心頻率的響應,利用十個滑動的電位來控。每一個電位以中心點為基準,可分別提升15dB或衰減15dB,也就是總共30dB的變化。如此一來,滑動電位器操作鈕的位置,連貫起來看,顯示出一條曲線,此曲線就代表整個頻率響應的變化。要得到任何一種頻率響應,只要依照自己的想法改變電位器,很容易就可獲得,因此稱之為圖示型SEA等化器。

電路分析

　　圖一所示為單一聲道的SEA等化器電路。IC1為輸入緩衝級,利用演算放大器的差動輸入,可以構成平衡式輸入方式,或不平衡單端輸入方式。使用於一般家庭中的音響系統,輸入方式是單端不平衡式的,此時可把倒相⊖輸入端接地,把輸入信號加於Å輸入端子。IC2的正相Å輸出與IC3的倒相⊖輸出,構成平衡輸出方式,應用於專業錄音,或是公共播音系統(PA)工程方面,具有很大的方便。在單端不平衡式的應用時,所要的輸出,可從任何一端取得,若同時利用兩個輸出端,還可「橋接式」(bridge)驅動兩部後級放大器。IC3的主要工作,是把IC2的輸出信號加以180°的移相,變成倒相的輸出。

　　R20~R23構成精密而平衡的輸入,使差動輸入具有很高的共通信號排斥比(C.M.R.R.),R29與R30則構成平衡式的600歐姆輸出阻抗,或不平衡式的300歐姆輸出阻抗。同時,它們還具有短路保護的作用,即使大多數演算放大器本身具有輸出短路保護的作用,為了安全起見,加上此一短路保護電阻,還是有必要的。

　　電容器C21 C24 C25 C26的作用,在於穩定演算放大器之工作特性。C20 C22及C23則對於成音頻譜以外的信號,產生必要的衰減,減小這些雜音信號的頻率響應,所以可防止雜音與射頻等各種高頻率信號的干擾。電阻R43使IC2等話放大器的正相Å輸入,取得一接地參考點。

　　IC4到IC12構成前面九個頻帶的迴旋器電路。最後一個頻帶所需的電感,不使用迴旋器來形成模擬電感,而用實際的線繞電感,這是因為其工作頻率很高,所用的電感量很小,這種電感器容易購買或自己繞製,而且在整個電路中,不容易引起哼聲或交流聲。當然,如果改用迴旋器來代替也可以,只是成本略為增加而已。

　　本機的電源供應器如圖二所示。IC演算放大器的正常工作電壓為±15V,最高不能超過±18V。每一聲道所需之電流約為50mA,立體雙聲道合起來則為100mA,因此,電源變壓器的選擇,次級圈的輸出電流,最好能在200mA左右,避免使用在極限上。假如輸出電壓會高過±18V,必須在正負電源的輸出端,分別跨接一枚16V左右然納二極體,作為穩壓之用,同時還可以防止開機時產生的瞬間衝擊電壓,進一步保護IC演算放大器。

零件的選擇

　　全機構成的零件,主要分為兩種,一為主動元件,另一為被動元件。被動元件只有電容與電阻,而沒有電感。然而,用於迴旋器中之電容與電阻之精確度,關係中心頻率相當大,最好事先加以測量選擇,誤差不要太大,±2%以內是為標準。迴旋器上之電容C1 C2及C3必須由鉭質電容(tantalum capacitor),不能用電解電容,其餘電容則採用聚乙酯膜電容(mylar capacitor)。電阻可用合成電阻或碳膜電阻,不可用線繞電阻。

　　主動元件有電晶體及IC演算放大器,晶體只用於電源供應器,選擇之條件比較簡單,Q1與Q3為中功率晶體,NPN型與PNP型互補,級級電流在200mA以上,功率耗散在1W左右就夠了,市面上可購買到的2N2905/2219似乎是最佳之選擇,MC6554/6551也適用,Q2與Q4則小功率的黑豆型晶體就能勝任,也是要NPN與PNP互補式的,大概以2N3569/4355最易購得。

　　IC演算放大器是最重要的元件,有如全機的心臟,其特性之好壞,代表SEA等化器的優劣,因此必須慎重選擇。原機線路中所採用者,為美國雷神(Ratheon)公司出品的RC4136四組式演算放大器,它等於把四個741做在單一晶體切片上,也就是說一個RC4136裡面,包含了四個741,其中每一個演算放大器之特性與741非常相似,但是其中某幾種電氣特性比741還要好,詳細的資料請參考附表一。採用此種四組式IC可以減少電路的複雜性,因為單一聲道的SEA等化器,總共使用了十二個演算放大器,所以只要三個IC就解決了。RC4136在市面上不常見到,即使有,價格也不便宜。如果要改用其他類似的IC,必須注意其特性中的迴轉率(Slew rate)及雜音。前者關係演算放大器的頻率響應,迴轉率愈高,頻率響應寬度就愈寬,後者則影響SEA等化器之雜音輸出之大小,當然是雜音愈低愈好。市面上容易購得的四組式演算放大器,筆者認為以美國國際半導體公司(National Semiconductor)出品的LM324為最佳,LM3900次之。上述兩種IC之特性可參考附表二及附表三,LM324的優點相當多,例如接腳完全對稱,對於設計印刷電路板有很大的方便。使用的電源,可用正負雙電源,也可使用單電源,簡化電源供應器之電路。同時,工作電壓的範圍很廣,從3V到30V都可正常工作。有意試製SEA等化器的朋友,除了選用LM324之外,大概不易再找到更好的代用品。或許筆者孤陋寡聞,未能知悉其他同類IC的,如果讀者朋友之中知道其他更好的代用品,希望能通知堂老邊轉告筆者以啟茅塞,筆者一定親函致謝。 (未完待續)