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  近年來大功率擴大機十分盛行,從廠製或業於製作所發表的線路中,我們可以發現為獲致大功率輸出,大致有以下幾種方法: 

增大功率的方法

  一、乙類推挽式輸出: 現在我們所看到的功率擴大機,幾乎99%都是用兩個真空管或電晶體做為輸出管,因為看得多了,便容易產生這是理所當然的錯覺。其實,用兩個輸出管其主要目的是在獲得更大的輸出。如何獲得更大的輸出呢?譬如兩人合力鋸木,一拉一推,一推一拉力量倍增一樣。但這推拉之間仍有兩種不同的著力方式,第一是保持著你拉我推,我拉你推平均用力的方式,這種著力方法,所獲得的力,實際上是一個人自己推拉的兩倍; 另一種著力方式是,我拉的時候你休息,你拉的時候我休息。就電路工做的狀況來說,後一種著力方式所獲得的力為單端輸出的四倍。而且,不僅這樣,我們還要特別注意,不管是一人或兩人平均用力的方式,當他們在休息或接近休息狀態時,是不能鬆懈的,也就是說他們實際上並沒有休息的機會。

  以上諸種輸出的方式,一人鋸木可比擬為單管甲類(隨時都在用力之謂)輸出,二人平均合力鋸木比擬為甲類推挽式輸出,二人交互鋸木則比擬為乙類(有一半時間休息之謂)推挽輸出。

  以上三類輸出中,第二類較第一類輸出大一倍,但效率並未提高,而第三類則不僅輸出較第二類又大一倍(計為第一類的四倍),而且效率上也大大提高了。所以在實際運用中,雙管乙類推挽放大,通常可以較單管甲類放大,有四倍以上到八倍左右的功率輸出。及已YAMAHA CA-1000來說,CA-1000是可以由乙類放大轉換為甲類(仍然是推挽)的一個特殊擴大機,當它在乙類工作時,可獲致75Wx2 RMS的輸出,而由乙類轉換為甲類推挽時,輸出力及低落到15Wx2,而且它所發散的熱,和該機在做長時間75Wx2連續輸出時相仿。

  由此我們可以知道,乙類推挽放大,實在是今天設計製造大功率擴大機的第一關。

  二、串併聯推挽輸出: 為了獲致大功率輸出的另一問題是放大元件的限制,如果不是目前難以造出想像中的大功率真空管或電晶體,那麼製造一部超大功率輸出的擴大機,實際上並不會發生任何困難,問題只是我們無法任意獲得所需要的大功率元件。在此限制之下,唯一可行的方法,是使用兩個、三個直到多個元件,以代替一個元件。在前述的方法中,由單管甲類到雙管乙類,主要的改善在效率,經此改善,效率已可高到70%以上。現在所面臨的問題是如何在這已接近極致的效率上,使它有更大的輸出。而在這方面,若僅從改進線路上著手,顯然是行不通的,但相反地,如果換用大功率元件,也非易事,因此目前所慣用的方法,乃是串併聯方式。

  所謂串或併聯方式,其意義實際上就等於把許多個放大元件串或併在一起,當成一個元件使用,這種情形很像好幾隻馬兒併排著,或者好幾頭牛兒前後排列,齊力拉車的方法一樣。

  那麼在什麼狀況下,需要串?什麼狀況下又需要併?這就是設計上的問題。由於目前擴大機多採行SEPP電路,SEPP電路在輸出方面的主要特性,乃是最大輸出功率受到供給電壓及輸出晶體所能容許的電流而定,換句話說,如果想提高擴大機的功率輸出,第一要提高供給電壓,第二是增加輸出晶體所能容許的最大電流,就以電晶體元件本身的特性來說,耐壓不足的情況,總是比電流不夠的情形要多,所以在初期的大功率擴大機中,通常以串聯方式者採用較多,當然所謂串聯事實上包括了比較少見的放大元件串聯以及實際上是輸出串聯的所謂橋式或平衡接法(Briged or Balansed Transformerless簡作BTL)接法在內,BTL的最大優點乃在於它可當成BTL的二聲道,也可以當作四聲道使用。至於在特性上的改進,恐難有比較確切的依據。

  近些年來,由於功率電晶體的發展,已經逐漸突破耐壓的過份限制,而有少數高耐壓且特性良好的電晶體生產,在此情形上,遂有功率晶體併聯的擴大機設計出現。其中比較典型的,例如本刊前期介紹的ESS功率擴大機,以及有名的大功率BGW等。

  以功率晶體併聯作為輸出固然有許多優點,例如性能穩定、安全性良好等等。然而在實際製作上,在特性上需要選擇相當一致的方能使用,否則將如同大馬兒和小馬兒併肩拉車一樣,小馬兒根本用不上力,真正吃力的還是大馬。

降低失真的方法

  其實若僅就「加大功率」而言,在技術上的限制還是比較小,其中最簡便而實用的方法,就是使用輸出變壓器。然而今天逐漸增多的大功率擴大機,乃是供Hi-Fi上的用途,並不是供為露台歌仔戲賣藥或訓話的工具,所以還得注意它失真和Hi-Fi特性。

  誠如所知,A類放大的Hi-Fi特性,比起B類來,當然是優秀了許多,而很不幸的事情是純A類放大的效率太低了。於是通常便採取一種折衷的辦法,在形式上採用B類推挽的方法,而實質上則調節上下兩個輸出管「開始接替」的時間稍稍早一些,以使兩個力在接替的時候,有一個很圓滑的轉換曲線。這類放大方式我們慣稱為ABAB類放大,這也就是一般SEPP的OTL或OCL功率擴大機為什麼會有偏流(壓)調整電路的原因。

  但即使如此,一如接力賽一般,棒接的再好,接過棒續跑的人,仍有加速的可能,所以即使用偏流調整的方法,使得明顯的交越失真可以免除,而交越之後的線性,仍然是一個問題。

  由此,我們可能聯想到一個常為大家所疑惑的真空管和電晶體擴大機音色差異的問題。為什麼真空管和電晶體擴大機在音色上會有相當顯著的不同呢?最主要的一點,除去其輸出內阻的不同之外,真空管很少能夠工作在純乙類放大的狀態,而電晶體則很難能夠工作在純甲類放大也是它主要因素之一,當然,這是一個設計及校調技巧上的問題。

Quintessence 功率擴大機

  增大功率和降低失真,在零件運用及線路技巧上,既成互相矛盾的狀態,尤是乎便有人想出一個較「偏流」,更理想的折衷辦法,就是讓擴大機在低輸出功率時,工作在A類放大狀態,而僅在大功率輸出時轉換為B類。這類設計,在一般一百瓦以下的中功率輸出擴大機,也可能出現。附圖的60瓦功率擴大機便是屬於此類設計(蘇桑註: 原文並無附此圖),它用一對2N3055/2N2955去驅動另一對2N3055/2N2955,從它們射極上的電阻數值,我們可以很明顯地看出,在小信號輸出時,只有第一對2N3055/2N2955在工作,而且他們是工作在接近A類放大的工作狀態,當信號增大到第一對2N3055/2955的射極電壓足以去驅動第二對2N3055/2955時,第二對2N3055/2955才真正開始工作,而且是工作在乙類。

  但在大功率輸出擴大機方面,Quintessence擴大機堪稱是此類設計的佼佼者。從Quintessence線路中,我們可以發現其驅動部分和一般使用OP-Amp,為驅動的擴大機並無兩樣,其線路說明請參考本刊第四期58頁IC推動功率放大器一文(GROUND 2002亦用此線路),有人曾經懷疑,以一枚小小的uA709或uA741所加電壓僅±15伏,是否足以推動超過擺幅為±21伏的輸出級(約54瓦),有關這一點,你只要看完Quintessence的線路,就可相信它還能推動大到±67伏的輸出級呢?(理論上可能高到280瓦)。最主要的原因,是因為OP-Amp.對倒相級的驅動方式,屬於電流趨動,而非電壓驅動。而電流趨動方式和一般電壓驅動方式在線路結構上有何不同呢?那就是倒相級兩個晶體的射極並不接在輸出點而是接在地電位上,如此一來,使得倒相級的輸入阻抗變得非常低,但對輸出阻抗及低的OP-Amp.來說,絕對可以勝任愉快。

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  然而Quintessence擴大機的精華主要還是在四對類似併聯輸出的功率晶體的接法上,我們說它屬於「併聯」方式,當然是由於四對功率晶體的輸出,接成併聯狀態。說它併聯而又為「類似」,則是因為每一個功率晶體的基極並非併聯的。

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  這樣一個類似併聯的輸出級,究竟是怎樣工作的呢?首先我們得看每一對晶體的射極電阻間的關係: 射TR1, TR2的射極電阻值為R,那麼TR3, TR4的射極電阻值就是,R/2,TR5,TR6為R/4,TR7,TR8為R/8(圖中0.05Ω值可能連配線之微量電阻均已考慮),而各級的基極又直接接於前一級的射極上。在此線路結構之下,設使TR1~TR8的VEB為0.6伏時,因R被安排為0.6Ω,所以,至少TR1或TR2要有1A以上電流流過,使R有0.6伏的壓降,TR3或TR4才會開始導電,依此類推TR3或TR4要有2A以上電流,TR5或TR6才開始導電,而TR5或TR6要有4A以上電流TR7或TR8才開始導電。假定此擴大機輸出負載為8歐姆的時候,依據以上推論,我們可以概算出: 

  約8瓦輸出以內,由TR1及TR2交替工作; 

  約24瓦輸出以內,由TR1 TR3及TR2 TR4交替工作; 

  約56瓦輸出以內,由TR1 TR3 TR5及TR2 TR4 TR6交替工作; 

  輸出約在56瓦以上,才輪到TR7 TR8加入工作行列。

  以上概算,雖然把TR1 TR2的直流工作點忽略,而且也將TR3 TR4導電到2A時,TR1 TR2之導電增加量略去,主要目的是在說明這四對晶體,是如何在「接力」工作著,一直要到輸出相當大的時候,最後一對晶體才能用得上。

  在這裡面,我們特別要注意的是TR1及TR2的工作情況。如果我們使TR1及TR2在無信號時,也無電流(或僅20~30mA的靜止電流),則當兩者平均有電流流過時,在8歐姆負載上,自然有8瓦的輸出。然而如果是這樣,在工作特性上實際和一般電路並無兩樣(工作於B類或AB類)。而本電路的最大特點乃是希望TR1 TR2工作在A類放大狀態。在此要求下勢須使TR1 TR2的靜止電流相當地大。然而它要大到多少呢?0.5A?此實TR1及TR2的平均集耗約為30瓦以上,似乎已經不能再大了。如果是0.5A,擇期實際的輸出擺幅只有4瓦,4瓦以上TR3 TR4便要開始工作了,但由於TR1 TR2後面有TR3 TR4......TR8之故,TR1 TR2之電流是當1A時TR3 TR4導電,2A時TR5 TR6導電,3A時TR7 TR8導電,由是各晶體的真正工作範圍便是:

      4瓦: TR1 TR2(A類)。

    28瓦: TR1 TR2 TR3 TR4(其中TR1 TR2有4瓦在A類)。

  124瓦: TR1 TR2 TR3 TR4 TR5 TR6 (其中TR1 TR2有4瓦在A類)。

  123瓦以上: 全部晶體工作。

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與ESS 500相較

  以上是Quintessence擴大機工作的原理,而此線路最大的優點,乃是在小輸出時為甲類工作,而大輸出時陸續地有乙類放大來助陣(並非轉換為乙類)。這一點著實是有效地避免了一般SEPP擴大機失真隨輸出之降低而遞增的弊端,然而,這個電路說來簡單,做來可就不簡單了。在本刊前一期所分析的ESS擴大機裡,最主要的特點,乃是它相當安全,因為完全併聯的電路,即使在10個晶體中,有一個晶體燒了,電壓不致完全偏到一邊去,甚至有時還要用比較技巧的方法,才能查出確有一個晶體損壞。由此我們可知ESS線路,關於晶體的選擇只重上下各五個晶體總平均特性的接近,而不是每個晶體的對稱。然而在Quintessence擴大機中就不然了。因為其TR1 TR2,TR3 TR4, TR5 TR6,TR7 TR8每一對晶體的選擇,都要力求其對稱,否則在接力的瞬間,就可能引起直流的漂移,這一點,固非用OP-Amp的反向輸入做100%的直流回授來彌補不可,而當其中有任一晶體出問題(短路)時,恐怕所有的回授都不足以產生有效的補償作用。

 

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  線路設計之無絕對優劣,本是常事,最簡單的電路往往是最Hi-Fi的電路。不過,我們在分析或評論兩種線路的好壞時,應從各個不同的觀點來看它,即以ESS 500和Quintessence而言,兩者都是當今大功率擴大機設計中的佼佼者,亦各有其優劣。當然這裡所謂的劣,或者僅僅是生產製造上的困難而已。天下無絕對完美的事物,由此可證之。

轉載音響技術第6期 JUNE. 1976 名機電路解析Quintessence功率擴大機/陳時英

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