科學角度看音響5:真空管、電晶體實作差異性,電壓、電流、電阻關係式

ADVERTISEMENT

電晶體與真空管配置不同

反觀電晶體,如果接成像真空管單端系統一樣,那麼問題就會有點大。首先,系統必需要有電壓,電晶體又沒有人在裝輸出變壓器,所以若是我們想做一台一樣約20W的系統,電壓就必需最少在12~15V之間。我們回頭看圖,Nelson Pass先生認為這顆電晶體聲音最好的區塊在Vg=-1V左右,我們看清楚來,Vg的變化只有0.5V就會讓電晶體的IDA變化從5A跳到20A,若是我們縮減Vg變化量,把輸入電壓先減小到0.1V左右,再接上電源,VDS=12V自然當場爆表。照筆者的經驗,電源一接上就會爆出一陣青煙,然後就再起不能,因為晶片燒了。

這是為什麼呢?因為Vg=-1V的時候,光是在VDS=4V的情況下,電晶體就會通過5A的電流,而電流的變化在Vg=-0.9V時僅僅為6A,也就是電晶體放過的電流比可用的電流變化區間還大得多。想想此時系統通上的電壓可是有12V,電晶體可能會放超過20A的電流通過,電晶體的功率可能會超過150W。這造成了一個大問題,我們要使用電晶體時,必然要加限制電流的電阻,但這個電阻又會吃掉不少電壓,造成輸出端無法有足夠的電壓變化,必需要用其它方法解決這個問題。

科學角度看音響5:真空管、電晶體實作差異性,電壓、電流、電阻關係式

▲圖C

A類單端真空管設計範例

我們就再以KT-88為例來經驗一下設計者要考量到的鳥問題:要如何選工作點?如何開始?如何選偏壓?如何推動功率管?小編再度把單端A類擴大機圖例拿出來,我們現在選定的等效負載阻抗是1500歐姆,用的管子是KT-88,高壓端一般都有500V左右。第二柵極按原廠指示使用300V,走五極管模式。

先決定工作點

首先,要決定柵極輸入電壓的問題,剛剛我們在圖A中看到了,線性表現最漂亮的一段在Vg=-20~-35V之間,所以我們決定使用Vg=-27.5做為訊號零點。當訊號為正則對映到-20V~-27.5,訊號為負則對映到-27.5~-35。此時的電流變化量約在145mA到55mA,總變化量=90mA。因此輸出變壓器感應到的電壓為135V,功率最高為12.1W。若是我們覺得這功率不夠大,就得再把使用範圍往上移一點,用到Vg=-17.5~-35V,此時電流變化是由160mA~55mA共105mA,功率就會變為16.5W。但此時若開很大聲就會有些許的高次諧波失真被聽到。

拉高偏壓的2種方法

那麼如何才能把真空管偏移到這個工作點呢?假設我們選定-20V~-35V的範圍,那麼在訊號為滿載時偏壓點X的電壓就應該為35V,同樣有2種方式可以拉高偏壓。第一種就是使用固定偏壓直接接上27.5V的電源,第二種就是用升壓電阻,也就是要在訊號為零,電流為100mA時,通過時產生約27.5V的電壓,電阻值就等於275歐姆等等。記得小編說過吧,這裡的電壓可是會改變。

因此在這裡的電阻值就看設計者的理念了。光是看小編的需求,小編希望在零值平均電流的情況下有27.5V的偏壓,但是在最大電流流過時其實會產生40V,而最小電流時則會產生15.1V。此時馬上看見大問題,原來利用電阻產生偏壓會產生這麼大的誤差。我們現在只能基於聲音產生的原理,也就是聲音沒有直流,每個波只要有+V的變化必然會伴隨-V的變化,所以可以假設電流經過濾波電容後,多半會停留在100mA的零點附近。

科學角度看音響5:真空管、電晶體實作差異性,電壓、電流、電阻關係式

▲表格

如何推動功率管

表格中有個欄位為輸入值,其實就是由前一級而來的輸入電壓值,由於輸出級的電壓都經過隔離,所以必然是以0為中心往正及負二端擴大。如果我們需要用到的電壓遠遠高於前面一級能輸出的,就必需使用另一組放大管先做一級放大。驅動功率管最方便的方式當然是再用1組真空管,一般而言我們買的小訊號管就是這種作用,它的放大倍率計算和功率管是一樣的方式。

唯一的不同在於大多是使用電容交連到下一級,而且在下一級看到的輸入阻抗是非常大,可達到約數百K歐姆之譜,因此沒什麼電流量大小和負載線斜率的問題。一般音響設備輸出電壓準位大多在2VRMS以下,也就是大多是介於+5.6~-5.6V之間,還需要稍做放大才能套用到我們現在使用的設定中。在這我們要的是+7.5~-7.5V的區域。在這裡要提一點,通常設計者不會只放大這麼剛好的倍數,因為我們看到的數值都是最大峰值,如果都用這樣子放大,那麼音響就都得轉到很大聲才會有聲音。很多設計者會弄成放大2~3倍以上,這樣帶來明顯的副作用,也就是音源轉到最大聲且音量控制旋扭也轉到很大聲的時候,聲音就會破掉。單靠音量旋扭轉到最大聲是否破音,藉此判斷音響好壞是很笨的事。

許多訊號小管都可以很方便地推動KT-88,如果用電容交連法,也就是用電容器做直流電壓隔離,就會需要交連電容,在此用的電容就會嚴重影響聲線。若是使用直接交連,那線路設計就非常困難,因為前一級的輸出大多會落在30V左右,偏壓點又得重新算過,同時也很容易因為前一級管子有問題就把後一級燒掉了。所以小編不敢搞直接交連。

相關文章:

科學角度看音響1:先了解聲音,再認識音樂,最後挑音響

科學角度看音響2 :頻譜到傅立葉轉換,再看失真4大主因

科學角度看音響3:真空管與電晶體之爭,談音響主動元件特性

科學角度看音響4:元件與失真關係式,泛談4類放大器原理

(後面還有更多詳細介紹唷)

使用 Facebook 留言

Genome Lee
1.  Genome Lee (發表於 2013年12月27日 10:54)
"靜電流抵銷法"的理論基礎應該發展了幾十年
印象中Lincoln Labs的那套電子學聖經裡面就有相關資料了
商品化用在Hi-Fi產品也有至少二十年的歷史
D.KLIMO Baltaine後級就是這樣的線路
(上個世紀91 or 92年上市吧)
300B功率管 用一隻EL34來平衡PP OPT的電流

發表回應

謹慎發言,尊重彼此。按此展開留言規則