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

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電晶體A類設計範例

談到晶體設計就不得不談到Nelson Pass,他的PassLab和FirstWatt品牌都是知名度極高也很受好評,手上也有許多的設計專利,所以小編就先談談Pass先生的一些技術性文件讓大家有點概念。

在FirstWatt Zen系列A類單端放大器技術文件中,Pass大師談到他注意到某些新製程,可以忍受大功率的FET功率晶片。當然,對於用慣真空管的人來說,FET的特性圖會讓人感到不適應,它綜合了三極管和五極管的特性,可是又不完全是上述兩者。就如同我們的圖B所示。Pass大師想要利用的工作點,正好就是Vgs=-1V這條。但是這條曲線如同前述,如果我們在通道二端真的加上了12V的壓差,包準一陣青煙燒掉。Pass大師在文件中竟然也真的惡搞了一次,他把這顆晶片接成範例圖D中所示的架構。

他老人家還很幽默地上了大大的字標寫著:插上電後我們看看會發生什麼事。不必看他的答案,小編的讀者們都可以知道了:當然是整組燒了,所以他又用了另一種方式來惡搞一下:

好的,這裡大師做了幾個改變,首先,他把輸出變壓器給拿掉了,因為電晶體的電流變化量大,工作電壓低,所以根本就可以直接推動喇叭。那這個輸出怎麼辦呢?他用了1顆交連電容,這樣在輸出端就只會看到Q1的D(Drain)極的電壓變化。這個電壓變化自然是由D至S間的電流變化產生而來,但是它的變化量,受到了V+到D之間的那顆限流電阻的限制。簡單來看,只要Q1放過I的電流,這顆電阻就會吃掉I x R的電壓,所以除非I和R都同時很小,否則這顆電阻一定會讓Vout的大小有限,因為Vout=V+-VR這當然是不可能的,我們就是知道I太大了才會加上這個R,怎麼可能讓兩者同時都很小呢?

大師說當他加上一點電壓,系統有聲音了,但是會很悶,這當然會很悶,當我們加上的電壓不足時,Vout和Q1 VDS的工作範圍都很小,無論是靜電流量和電流變化量也會小到不像話,整個系統基本上是處在一個放大倍率不足加上導通量不足而產生的不線性狀態。

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D

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▲圖E

解決問題靠Cascode

所以大師把V+拉高到他覺得聲音很好為止,但是很快就聽到嗶嗶啵啵的熱雜訊聲,然後1分鐘內就燒掉了!其實小編也常常在線路驗證時聽到這個熱雜訊聲,都練成了神手了,在晶片燒掉前就先關了電源。這個是當然的,因為當Q1發出我們要的聲音時,V+都不知道拉到幾V去了,而此時Q1的工作範圍和圖D是相當接近的,為了解決這個問題,幾乎所有的專家小編們都會使用串疊式的操作(Cascode)。

在Q1上加了Q2電晶體,這顆Q2電晶體加上來後,就產生了幾個作用。首先,能夠流經主路徑的電流量就會被它給限制住了,所以Q2的工作點也不能搞錯,如果掐太小,Q1也會無法工作,因為電流會不夠。第二,Q1的VDS就和V+以及Vout無關了,如果我們用可變電阻的觀點來看Q1Q2,他們都是電阻值非常小的可變電阻(當然還會有半導體介面壓差),所以吃掉的壓差都很小,所以當Q2加上來後,Q1的VDS會變成它本身的介面電位差,因此為了讓Q1工作在聲音好聽的工作點,必需再加上VSOURCE這個電位差。

Pass大師在這款產品是用了VSOURCE=3.2V的壓差,它讓Q1工作點放在Vgs=-1而VDS=3.2V附近,回頭看看圖B,Q1放出的電流約有2.5A,功率約有8W。Q2就沒有放大的功用了,但是就交流訊號路徑來說,Q2其實是有貢獻的,因為Q1看到的輸出阻抗會被Q2放大,所以才能用較低的工作點和電流去匹配輸出。

聰明的讀者一定會問,那麼Pass先生用的電阻R難道很小嗎?Q2就不怕燒壞嗎?事實上Pass在V+用的是50V,而Q2上方的R只用了11歐姆(其實他用的是2顆內阻值22歐姆的燈泡),經過Q2的Drain的電壓剛好是25V,Q2不是FET而是耐熱度極高的其它種類功率晶片,同時必需貼散熱片。其實也就是本來所有的熱能會集中在Q1,但我們利用了Q2來分擔的意思。而交連電容則用了10000muF的大顆電容,以產生較佳的低頻反應。

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▲圖F

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▲圖H

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▲圖G

理想上內阻越小越好

以上都是很簡單的A類單端擴大機設計簡例,事實上在商品化這些設計時都還有很多的問題要克服,好比說輸出阻抗問題以及音質調整問題。我們先來看看輸出阻抗問題。所謂輸出阻抗有很多方式和模型可以解釋,如果我們把擴大機視為一個可變動的理想電壓源,那麼理想情況下內阻應該要愈小愈好,為什麼呢? 如圖G所示。

當內阻不為0時,我們理想的電壓原本為V,會因為內阻R1的串連效應,下降為V x R2/(R1+R2),所以R1愈大則負載能得到的電壓就愈小,相對而論,代表消耗在R1的熱能就愈多。要改善內阻有幾種可能性,第一是主動元件材料,好比三極管的內阻就比五極管小。另一種則是迴授控制,它是一個有利有弊的方式,我們以後會再討論。

而對真空管機來說,單端A類管機必然會遇到的就是輸出變壓器的問題,由於單端A類本來就有靜磁場,所以常常會造成磁場在輸出變壓器中飽和的問題,只要變壓器品質不對,馬上就會讓低音消失很多,造成聽感尖銳、聲音細薄、音場不寬大的問題。

靜電流抵銷法

解決方案也有不少,包括用大顆的變壓器,或者加了氣隙在鐵蕊的專用變壓器,或者小編的好友知名HiFi音響專家小編袁大倫先生在10多年前,就用過的方法,那就是用另一個靜電流去抵消。這個方式原本小編沒打算寫,但是近來看到也有人將它商品化了,同時宣稱是世界第一個使用,小編不禁啞然失笑,只好也和同好分享一下這個方式的好處和壞處。

這個架構中,我們用了B類擴大機用的輸出變壓器,B類的輸出變壓器在一次側有2個輸入,我們中間輸入V+,經過二組反向但同匝數的線圈流經二組管子,看起來和B類擴大機很像。但是左邊的管子我們拿來輸入音頻訊號,也就是來自前一級的訊號,同時右邊的管子,必需要用1個五極管。還記得A類擴大機在訊號為零時的工作點也會有個靜電流嗎?我們回頭查一下三極管的特性圖,假設這個靜電流為I,我們就將五極管的工作點,找一個在V+輸入的情況下,同樣會產生電流I的點來運作,把這根五極管當做定電流源來用。

這根安靜的管子,功用就是抵消左邊三極管的靜電流產生的靜磁場。如此一來,在輸出變壓器中就不會有太多的靜磁場占據。為什麼安靜的管子要用五極管呢?因為我們把它當定電流源用,所以內阻要比發聲音的三極管高很多才不會被三極管給拖動。還記得三極管那端的電流量會不斷變化產生電壓感應過來五極管這端吧?

架構有好必有壞

這個架構有幾個好處,首先是靜磁場被抵消掉了,所以低頻反應極好,而且聲音反應快速,聽感很有刺激性。其次是不必找特製的A類專用輸出變壓器,對材料的挑選沒這麼麻煩。最後是就算右邊的五極管沒辦法100%抵消靜電流I也同樣有明顯的效果。壞處則是吃掉了大量的電源,但是只得到單端三極管的功率,能源效率很爛,以及要多用1組五極管,得多花費不少錢。

上面的架構大多數是用在一些小功率的單端管機上,因為小功率單端管機特別講究音質,大多是用來推動極其敏感的號角喇叭,事實上小功率的管機是非常難製作的,但是做得好的,發出來的聲音不但清透,音相也很具體,是高段玩家專門在玩的領域。當然,小功率的晶體機也是有一樣的講究,從第一瓦發出的聲音就要是好聲音,代表著小功率機種要從小振褔到大振幅,從低頻到高頻都要非常講究超低失真,超高SNR。很多專家小編都各自有不同的秘招解決各種問題,本次講了2個範例,但其實也只占製作擴大器會遇到的問題的一半,為什麼呢?因為其實真正會影響音質的有五成因素在於理想電源,光是這點就可能占了所有成本的一半!待我們之後有機會慢慢來談談。(作者:台灣水電工)

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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)
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