SEA型前置擴大機的試作－老音響資料庫/蘇桑部落格

前　言

　　SEA可以補償音響組件的響應缺陷,修正欣賞環境所造成的響應不平坦,已成為音響體系不可缺少的重要組件。本文所介紹的前置擴大機,是為上篇「電子分音揚聲系統」而設計的,可充分地發揮電子分音的優點。

系統簡介

　　本機不再接續功率擴大機,因此增加了一個輸出緩衝級推動耳機與低阻抗電子揚聲器;其次使用飛利浦專用的動態雜音抑制器DNL(Dynamic Noise Limiter)取代一般擴大機的Hi-Filter,更能保持原音; RIAA磁頭放大器直接裝入唱盤之內,不僅有效提高了S/N比,並且延伸了唱頭的高頻響應。

　　全機共分電源、穩壓、峯階指示、輸出緩衝、SEA、SEA緩衝、DNL與前置八大部分(圖一),磁頭放大器與其電源穩壓亦加說明。

線路介紹

一、電源: (圖二、三)

　　唱盤、調諧器、錄音座等低耗電組件之電源由本機開關控制之插座供給,兩隻耗電最高達三百餘瓦的音箱由繼電器控制供電,繼電器本身電源由耳機插座控制。

　　磁頭放大器之電源供給著重外來雜波之防止,使用扼流圈的LC濾波器,變壓器初級次級繞組間並加隔離。

二、穩壓:

　　傳統設計,輸出使用RC降壓消除各級相互影響,並可抑制來自功率晶體的雜音。

　　磁頭放大器使用uA723,再以電阻電容分壓取出零電位。

輸出緩衝級: (圖四)

　　OCL恆流源甲類放大,簡單卻很少見的設計,輸入阻抗9KΩ,輸出有-22Ω電阻保護,增益為兩倍。輸出晶體的工作電流由33Ω電阻設定在80mA。

四、峯階指示器: (圖五)

　　輸入靈敏度由47KΩ電阻設定在2V rms,臨界鑑別值小於百分之一。在信號的負半週電壓峯值到達3V左右時,Q1的集極電壓上升到10V以上,Q2的基極電壓也上升至導通,於是0.33uF電容器被短路,Q3 Q4截止,LED閃亮。

　　信號峯值過後Q1集極電壓下降,Q3截止,電容器由2.2MΩ電阻充電,十餘毫秒之後Q3 Q4再度飽和,LED熄滅。這種設計法使線路在各種情況下都有接近的耗電量,不會引起雜波混入電源的困擾。

五、SEA: (圖六)

　　線圈式SEA的最大優點是線路簡單,不論分多少段頻率控制都只要一個放大器,同時零件容許誤差較大,10%的誤差對電路幾無影響

失真方面除最低頻線圈使用鐵心之外,全部使用空心線圈,加上使用極低失真的線路(回授濾波式SEA所需的放大器極多,成本及體積均不允許選擇較複雜的線路),其性能也不差。

　　本線路簡單到兩聲道只共用一隻RC 4739的程度,讀者亦可使用前置級的線路(圖七),僅在Q5射極電阻上並聯一沒47uF的鉭質電容提高開環增益即可。

　　控制頻率的數目視實際需要及使用便利而定為五個,更多的控制點雖能作較仔細的響應補償(只要你有標準頻率產生器或信號源),使用上卻增加了許多麻煩,比如說: 在欣賞音樂時,你能像坐電椅一樣地不動嗎?你不妨試試看把身體或腦袋向左右移動幾十公分,甚至只把方向轉一下,你就會覺得除了樂器位置移動了之外,音色也不相同了。使用麥克風就可測知,某些頻段響應已改變了一、二分貝甚至更多,在此情況下使用十段或更多段的頻率控制,徒增調整上的困擾而已(多段專業用等化器之主要用途仍在錄音、混音等音響工程方面),是故本機採取最實用的五段調整:

　　50Hz 供補償喇叭在此處開始的響應低落。

　　200Hz 供消除音箱與房間產生之共振甕聲。

　　800Hz 供調整人聲及主奏樂器的遠近感。

　　4KHz 供減少刺耳聲、唱片吵雜的雜音,軟化音色。

　　16KHz 供補償高音喇叭、唱盤之頻率響應不足、諧振峯起及唱片、調頻廣播的嘶聲等。

RCL網路的Q值設定係參考下式:

　　由(4)、(6)兩式可知,線圈本身的Q值對整個網路Q值有著直接關係。若已知線圈Q值,則整個網路Q值即可求得。

　　實際的線圈各層繞組間均有電容量存在,因此在不同頻率下其Q值變化並非線性,低頻較高而高頻較低。

　　使用的電容器內部耗散因數的影響亦使Qc'值產生偏差,但是使用Mylar及鉭質電容後此項物差可忽略之。

　　測量線圈的Q值需要頻率產生器(僅用簡易之正弦波振盪器即可,最好是1KHz的)、阻抗電橋,其製作請參看本刊13期。對不想裝這些測試儀器的讀者們,筆者已經將使用的線圈規格化──儘可能採用都可買到的代用品──並把其特性列於表一。

這些代用品,在各地舊料店很容易找到,其中4KHz及16KHz使用的磁簧開關在中華商場二樓舊料店尚餘數十只,希望搶購的人手下留情,給別人留個機會。

　　本線路RCL的數值計算列於表二,計算程序如下:

求出Qϒ值,應在0.5到1.5之間,如果太高,增加R的數值到接近1為止,低於0.5則須更換線圈。

⑤ 各頻率的Rϒ值愈接近愈好,否則增減量會不同,最好相差在25%以內(2dB)。如果Rϒ值接近後導致Qϒ值無法接近1,則可按下文方法改變Qϒ值。

⑥ 決定電位器的阻值: VR≈10Ri=10Rf

一般Ri多在3~5KΩ,可用50KB型電位器。Ri及Rf值係按增減調整量及各頻率的最大Rϒ值而定: Ri=Rf=Rϒ max (G-1),G為增減之倍數,對±12dB調整量而言 Ri=Rf=3Rϒ max

　　關於線圈之挑選與線路零件數值的計算有很大關係,在此先行討論:

① 型式:

　　有鐵心的線圈電感值較大,但高頻響應不良,會發生飽和、失真的現象,因此除了50Hz低頻使用外,其餘頻率一綠使用空心圈。

② 線阻:

　　太高的Ri值會使引線易受雜訊交流聲感染,穩定性亦降低,最好不超過5KΩ,即Ri<5KΩ。

　　　　∵ Ri=2Rϒ max

　　　　∵ Rϒ max<2.5KΩ

　　　　∴ RLmax=-Rϒ max<2.5KΩ

　　所以凡是線阻超過2.5KΩ者均須淘汰。

③ 電感值:

　　由(5)式可知,同一線圈用在不同頻率其Q值亦不同,再由(6)式及(4)式可知對Qϒ值亦有關係,因此,在特定的頻率下,Qϒ值若加限制,則L值亦有一定的範圍。依照線圈可能的Q值大小而列出的電感範圍表三,相差過多會使Qϒ值太大或太小。

　　最後再討論一下如何補救Qϒ值的偏差: (表四)

① 相差在20%以內時:

　　在L值已經固定的情況下想改變Qϒ值,只有變動f了。舉個例子來說: 如果你的800HzQϒ值太低,何妨把它移到1KHz?(Qϒ增加25%)甚至1.2KHz(Qϒ增加50%)?這對你的使用來說,影響並不大。同理,4KHz也可變化至6KHz。但200Hz請勿超過250Hz,以免失去修正房間頻率響應之功能。50Hz亦勿提高超過60Hz。16KHz可在15~20KHz範圍內變動。

② 相差較多時:

　　線圈串聯兩個後L值加倍,RL減半,QL不變;若改用並聯則L值減半,RL加倍,QL仍不變。因此對於Qϒ值太高的網路,可並聯一相同的線圈於原線圈之上,C值使用原來的兩倍,R值增加½RL使Rϒ不變,於是整個網路Qϒ值便降低了(最多可降為一半),但其他特性均未改變。

　　總之,最後五個頻率的Rϒ值相同,而Qϒ值接近1。Qϒ值的範圍,在0.5到1.5之間即可,對響應曲線引起之差異並不大,在實用上更無影響。但是Qϒ值太低時,調整某一頻率同時也會牽動同類的調整點太大; Qϒ值太高則響應曲線太尖銳,兩個調整點之間的頻率無法調整。

六、前置放大與SEA緩衝放大級: (圖七)

　　差動輸入、米勒電路,減少本質失真,故開環增益可減小,使回授量低,達到低TIM失真的目標。電壓增益為四倍,故Q1基極約0.1V左右的正電位在輸出端變成了0.4V。33KΩ電阻係直接接至正電源,在供電穩壓較差之情形下宜改為RC退交連網路。

七、低頻濾除器: (圖一)

　　單段RC濾波網路,截止點在30Hz,濾波特性相當緩和,低頻音色較為自然,如果再加串一級RC網路(電容0.47uF,電阻10KΩ),斜率就變成-12dB/OCT。

　　本網路目的在濾除良質唱盤的殘餘轆聲,沒有好的唱盤,實在不必花這大工夫裝SEA,因為50Hz的喇叭低頻將會變成「轆生放大」。本機再50Hz最高提升量為12dB,故使用唱盤的轆聲在未加權時應優於-40dB。

八、動態雜音抑制器DNL: (圖八)

　　本線路常見於Philips及一些歐洲製的錄音座內,它是利用雜音波形較樂音波型更銳利,不規則的特性把雜音自樂音中檢出消去。兩極晶體的導通具時間性,脈衝性雜波不易通過,本線路即是使用兩極晶體將雜音與樂音分離。Q1降低阻抗,並將高於七千赫的頻率移相九十度,Q2為一活性濾波器,通過五千赫以上的頻率,Q3基極的兩枚兩極管將樂音部份短路,僅放大雜音; Q4把放大後的雜音移相九十度,通過濾除樂音的兩極管網路後,剩下的純雜音送往輸出與信號中的雜音相抵消。

　　因為樂音的高頻部份與雜音區別較小,因此使用本電路雖可提高S/N比(6KHz增加10dB,10KHz增加20dB),但對高頻方面仍會略有損失。半固定的4.7KΩ電阻即為調整雜音消除量用的,阻值增加雜音消除較多,但高頻損失也增加了,因此調至你覺得折衷後效果最佳時為止。

九、磁頭放大器: (圖九)

　　本線路使用了四枚低噪音高壓晶體: Q2是Q1的活性負載,Q3再加一級電壓放大,Q4為輸出緩衝,開環增益80dB以上,因此失真極低。喜歡直接交連的讀者可以省去輸入端的交連鉭質電容及兩枚100KΩ電阻,改用一枚47KΩ電阻作為唱頭負載即可。輸出交連電容可以調整180KΩ電阻使輸出點電位為零而省去。輸入的負載電阻視使用之唱頭而定,裝在唱盤內因導線長度減短電容量降低,如使用較高之負載可以延伸唱頭的高頻響應,但須注意勿使唱頭、唱臂之電氣與機械諧振點特性惡化。

　　如果你不用交連電容於輸入端,最好勿在接通電源下取下唱頭,否則將損壞放大器。

零件選擇

一、電源:

　　SEA的線圈極易收集空間雜散磁場,因此變壓器要加外罩,沒有外罩的變壓器可用銅帶將其圍起,首尾焊接。

　　初級次級間予以隔離接地,可防止雜波混入供電系統。繼電器接點容量要夠(可並聯使用)。

　　磁頭放大器一方面靈敏度高,一方面在唱盤內,使用電源與馬達相連,因此對雜波的防止要求較嚴。除交流輸入使用兩段LC網路濾波之外,整流並用扼流圏; 變壓器亦加外罩及隔離層。

二、穩壓:

　　Zener管在買來後應先測其Zener電壓(10mA時),如果相差太多需更改8.2KΩ電阻數值,否則輸出電壓可能會調不到20V。供濾晶體最好用PD≥500mW的鐵殼。使用低噪音晶體可以減少電源雜音,這是一般穩壓電源的缺點。

　　磁頭放大器電源使用的兩枚分壓電阻數值要接近,兩者相差最好低於1%。IC可用uA723或其他30至40V穩壓IC。

　　扼流圏最好使用空心線圈,線徑小無所謂(消耗電流低),繞阻在200Ω以下即可,電感值愈高愈佳。

三、輸出緩衝級:

　　Q2 Q3為小型功率晶體或推動管,PD≥5W、hfe≥30。Zener管能找到2.7V的更好,33Ω電阻即可減為27Ω,輸出電壓擺幅可以增加一些。

四、峯階指示器:

　　Zener管電壓勿低於8V,否則臨界鑑別值會降低。0.33uF電容器要用Mylay或鉭質製品(正端向上)。Q4的IC max要有30mA以上,不可用小黑豆。

五、SEA:

　　使用低噪音的IC RC4739,電容器全部為Mylar或鉭質(正端向上使用)。線圈選擇如前文所述。

六、前置放大級SEA緩衝放大級:

　　Q1 Q2 及Q3 Q4均為對裝管,Q3 Q4射極的濾濾兩枚2.2KΩ電阻亦須匹配至1%,以減少失真(因本線路回授量較少)。交連電容為鉭質,200PF為陶質。

七、DNL:

　　四枚低噪音晶體,Q2及Q3 hfe須大於200。兩極管是本線路的重要主角,原線路使用的BA217本地不易尋得,筆者使用特性最接近的IN4148(Trr相同,僅電容量較大)效果也不錯,但在選購時要注意店員拿給你的是不是這個編號(他可能隨便拿一只矽偏壓管給你)。

八、磁頭放大器:

　　使用最低噪音的四枚晶體(本機用高壓低噪音管全部統一,可以挑出最低的四枚來)。除27PF為陶質外,其餘均為鉭質及Mylar製品。RIAA回授網路中的三個組件要用誤差1%的,如果只有5%的可以用並聯方法來減低容差。

九、其他:

　　平衡控制使用MN型電位器,對於左右聲道音量分別控制的機殼可以省去。買不到MN型電位器時可以用B型附中央抽頭的那種,按圖一方法接續亦可帶用(此種方式在調向一方時,另一方音量亦會稍衰減,過了一半位置後才回升)。注意選擇連動誤差小的製品,否則不易平衡且會減低輸出。挑選有抽頭電位器的方法為: 自抽頭的開孔看盡去,兩聲道的簧片能同時掃到抽頭位置者為佳。音量控制A型電位器亦要選擇連動誤差小的,否則在低音量欣賞時要頻頻調整平衡控制。選擇方法為先把旋軸反時針旋到底,再順時針旋轉少許,以電錶分別測量兩聲道中央與右邊接點間的阻值,愈接近愈好,其差值不應超過25%(2dB)。

　　機殼切勿使用鐵製品,因為鐵製機殼會把變壓器的漏磁交連到全機各處,使線圈受到感染。

　　最後有一點是裝機老手很少注意到的,就是隔離線的遮蔽率問題。一般良好的隔離線,其遮蔽率可達90%以上,但粗劣的製品可能低到70%以下,也就是說,你的信號線有⅓係露天而宿,在磁頭放大器的使用來說,對S/N比就有很大的影響了,要試試看你的隔離線好不好,把它靠近濾波電容器就曉得。選購時切下一段,除去外層被覆,把鬆鬆的隔離層旋緊到線與線接觸無縫為止,空下來的心線部分所佔的百分比愈小愈好。通常網狀編織隔離線的遮蔽率較好,但焊接時剝除不易是其缺點。

　　電源線要負擔本機及兩只喇叭、唱盤、調諧器的供電,容量至少要10A以上。

裝配調整:

　　按照面板、機殼、電源、穩壓、輸出緩衝、SEA、SEA緩衝、前置、DNL的順序由後往前裝,同時裝好一部份立即調整並測試。接地方法可按圖一所示(使用這種接地方法時,線路板之間不可再有零電位相通,否則即形成環路)。本機一律使用玻璃纖維萬用板,DNL及前置、SEA緩衝放大電路的零件插法如圖十、十一所示。

一、電源及穩壓:

　　先調1KΩ半固定電阻至輸出電壓為20V,再調2KΩ半固定電阻至正負電壓均等。

　　穩壓最末端零電位以粗線拉到機殼輸入端接地(濾波電容接到穩壓線路的零電位線亦要粗,否則使用耳機時就會聽到交流聲了,因為耳機鎖在金屬機殼上,它的地回路經過這根線)。

二、輸出緩衝級:

　　M點直流電位應為零,如果功率晶體hfe相差太多使電位偏離零電位,可以微調39KΩ電阻修正。

三、SEA:

　　RCL網路的線路板須遠離變壓器,並以鋁箔封包。如果提升或衰減50Hz均使交流聲增加的話,表示線圈受到「污染」,必須變換線路板位置或加強隔離措施。

四、DNL:

　　4.7KΩ半固定電阻調至雜音消除最大,高頻損失最低之位置,再換成固定電阻。最好輸入調頻雜音幫助調整。

五、磁頭放大器及其電源穩壓:

　　使用兩小片鋁板,一塊上裝電源部份,一塊裝放大器。放大器整塊板裝好後以鋁箔封包(或用mini機殼),輸入線即鎖在此鋁板上。電源部份四枚0.1uF與變壓器隔離層接地合併鎖在該塊板上(勿與放大器鋁板相連)。唱盤的信號要與底盤切離,底盤直接以粗線接至放大器機殼的輸入端。隔離線最好再以銅帶包紮在輸入端接地,否則儘量避開電源部份。

　　兩塊板都裝好後接上唱盤電源,將SEA前置放大器的音量旋到最大,50Hz與16KHz亦向右旋到底,你所聽到的便是磁頭放大器的哼聲與雜音。把兩塊板子及各信號線、供電線在唱盤內更換位置,找出哼聲最低的位置予以固定,至此一切大功告成。

試聽調整

　　如果你有具各種頻率的唱片或錄音帶,調整本機就方便多了: 選定一欣賞位置,調整五個頻率至音量相近即可(音量不可太小,否則因為耳朵對高低頻較不靈光,你調的結果變成了Loudness),記下各頻率旋鈕的位置。

　　另一種簡易調整法,為播放一張音色較豐富的唱片,先調200Hz至低音清爽(房間共振聲消除)為止; 再提升50Hz,試低音喇叭特性而定,約增加5dB左右。有一點要提出的是: 本系統不宜用反射式揚聲系統,因氣墊式喇叭可填充隔音物質消除箱音,低頻衰落雖然較早但衰減緩和; 反射式揚聲氣低頻雖可延伸至較低,但衰減迅速,不宜用SEA補償。800Hz與4KHz不動,因為音響體系的這一部份響應都相當平直。16KHz視高音喇叭、唱頭、喇叭軸線方向而定,飛利浦高音喇叭在15KHz有尖峰,可將之衰減2至3dB,改善其較硬之音色。

　　喜歡聽「雄渾強勁」低音的讀友們可能會奇怪,為什麼把50Hz開至最大也不見低音加強了多少。那是因為咚咚作響的Bass頻率在100到150Hz,調整50Hz當然收效不大,但是氣氛可就差多矣。別以為耳朵堆30Hz以下的低頻聽不到,那是指正弦波而言; 可是這種低頻對中頻的互相調制所產生的音色改變,卻是人耳可以感覺出來的,這也就是頻率響應到20Hz的OTL機聽來仍與OCL機的低頻大有差別的原因了。(15KHz~25KHz的高頻對音色亦具相當之影響,大多數人雖然聽不到,但是可以「感覺」到)。

　　到此為止,我們已將在目前我們能力可以自己裝配得很好的音響組件都完成了,剩下的只有選台器與錄音座。這套音響系統全部花費,包含電子分音喇叭(含KEF、飛利浦喇叭單體),但不含唱盤馬達與唱頭,只有一萬五千之譜,的確做到以最低的花費收到最高的效果。筆者才疏學淺,又是半途出家的業餘漢,文中推證如有錯誤,敬希指教。