A30線路分析 (中)by Captain
 
  • 我一開始就避開A-30不談，而先談其他動態A類，和我學習的過程是一樣的，A-30是唯一成功的A類，但是對於線路看了再看，依然不懂，一直看到多年後的某一天，腦袋突然清楚起來，當然也可以套一句流行用語”笨蛋！問題不在偏壓，而是在不必換手”，從A類、AB類、動態A類，我們都在偏壓上打轉，處理音頻的放大器中，基本的要求功率晶體至少是導通狀況，偏壓不是問題，換手才出問題，A-30只有單端動作，跟本不必換手，比起對稱互補功率晶體要換手的結構，有絕對的優勢，記得之前對於A類的定義：只要在處理音樂的過程中，負責的元件”不會截止”，A-30能輕易達成不截止！
 
 
 
  • 圖1-a是原始單端的圖，如果希望輸出有最大的擺幅，在靜態工作時，通常控制在交連電容之前的電壓為1/2 Vcc，如果在加上一些周邊，這個電路就可以動起來，但是喇叭前串了一個影響音色的交連電容，當然要去之而後快，如果我們改變供電方式以雙極電壓即圖1-b那樣，就可以合理去除交連電容，在靜態工作時，控制輸出電壓為 0 V。以下以圖1-b，供應電壓 +/- 30 V，輸出30W-8Ω來說明。
 
 
  • 這樣的線路，我們要先考慮的是什麼，首先Tr3要有一些偏壓以保持微微?動，一般AB類放大器靜態電流約十幾到幾百mA，設圖1-b中Rc為200Ω，靜態時輸出要控制在0V，流經上面電阻的電流，全數流到下面的晶體，這時靜態電流是 30V/200Ω= 0.15A。
  • 依圖1-b的架構推演動作如圖2，Tr3的基極輸入一個負半波，晶體將截止時等效電阻大，Rc將輸出上提，產生正半波，電流是由V+流過Rc，流過喇叭後到0V。Tr3的基極輸入一個正半波時，晶體導通電阻小，Rc電流量大增產生壓降，將輸出下拉，產生負半波；電流是由0V流過喇叭，再流經晶體後，流回V- 。
 
 
  • 線路看來已可以動作了，但是不可能達到30W-8Ω，因為正半波的電流是由Rc供應，Rc頂多只提供0.15A，要推動 8Ω負載，最大功率為 (I2R)=0.15A*0.15A* 8Ω=0.18W，0.18W能做什麼，5687後級至少還有1W咧。
 
 
  • 我們再試用傳統A類30W來帶帶這個架構，一個30W的放大器它的電流是( )， ，?值是 = 2.7A，它要流過?值電流的一半即1.36A，可以提供(I2R)=1.36A*1.36A* 8Ω=14.8W，功率只有正常A類的一半。
 
 
  • 看來單端線路中第一個問題出在Rc，它不能提供喇叭足夠的電流。Rc另一個問題是，如圖2，當輸出 + 10V時，Rc可以提供的電流反而減少了 20V/200Ω= 0.1A，當輸出-10V時，Rc可以提供的電流卻增加了 40V/200Ω= 0.2A。哇！Rc是來亂的嗎？一直在逆向操作，在正半波我們希望Rc提供多一些電流時，它卻變成限流器，而且輸出電壓愈高，電流愈小；在負半波我們希望Rc流少一些電流，以免晶體難以處理時，它卻”大量”供應電流，而且電壓幅度愈大，電流愈大：這個兩頭作亂的情形，使的放大器幾乎無法動彈。
 
 
  • 單端放大看來比起傳統的放大器，要解決的問題更多，而且Rc是一戳就死的罩門，如何提供喇叭足夠的電流，更是關鍵中的關鍵，高貴幾10K的PASS單端後極和低廉1K的A30都要面臨的課題。
 
 
  • 一個所謂的放大器，當然是放大啦，如唐凌前輩說要先”會響”，我認為30W就應該有30W的樣子，然後再要求”響的好”，否則您只追求A類，那好辦的很，找個阿狗阿貓的推挽放大，管它AB、B類，管它對不對稱，互不互補，調一調偏壓，隨便就是幾W的A類。
 
 
  • 圖三:RC放大器的動作原理
 
  • 對單端放大的Rc我們的要求是：
    1. 正半波時希望Rc阻值變小，能夠提供喇叭足夠的電流。
    2. 負半波為了效率減少一些電流，希望Rc阻值變大。
 
  • 其實我們真正的要求Rc是：一個與Tr3完全互補的元件，但是即使以現代科技看來，仍很難完全實現，PASS先生的單端利用類似真空管SRPP(註)的做法，也許有類似的目地，只是筆者學藝不精，無從置喙。
 
 
  • 期待一個與Tr3完全互補的Rc是不可得的，而且 Rc不能只是單純的電阻，有一個直接的想法，如圖3，在線路上以一個開關代替Rc，在正半波時?動開關，用來供應喇叭的電流，而負半波時，開關不動作，此時等效的電阻高，這種的方式是否可行？我們再檢驗一下於Rc之要求：
 
  • 1. 正半波時開關閉鎖，Rc阻值變小能夠提供喇叭足夠的電流。
    2. 負半波正半波時開關開?，Rc阻值變大減少一些電流。
 
 
  • A-30中的Rc就是圖4中的Tr2，接近Rc的理想，30W就可以是30W了，至少是音”會響”了。然後我們再討論如何讓它響的好。
    A-30和其他動態A類一樣，要求是-靜態時提供足以使晶體待命的電流，動態時提供足以使晶體不截止電流。線路中Tr3是唯一的主動元件，只要Tr3始終流有電流，不截止，就是A類動作。
 
 
  • 對這種要求筆者看來有兩種方法，一種是A-30方法，餵Tr3一個恆流，讓Tr3在任何時候都得處理恆流；另一種是PASS較傳統的方法，乾脆給Tr3一偏壓，使它工作在A類。這兩種方式，當然以PASS的聲名早就佔盡勝場，但是以線路簡單、動作合理來看，筆者還是欣賞A-30。
 
  • A-30的恆流源，如圖4中的R9，R10，C5隨時充飽電在1/2 V+(約15V)的電壓，可以這樣說，有一個電壓固定的電池在R10上面(其實有許多電子電路之運用，以大電容代替電池)，電壓固定、電阻固定、所以電流也固定，這就是恆流，順便一提的是R9，R10只有在靜止時所承受電壓是一樣的，動態時兩者不一樣，在此簡化不提C5充放電的動作；線路中R9承受電壓不變約15V，R10承受電壓在正半波時是(V+)-(輸出電壓+15V)，但輸出超過15V後，C5上的電壓已超過V+，所以反過來向R9放電，這時R9承受電壓是(輸出電壓+15V)- (V+)。R9在負半波時承受電壓是(V+)+(絕對值輸出電壓)-(15V)，所以R9在負半波承受電壓較大，在動態過程中3/4時間R9承受電壓都比R10大，這是R9功率會較大的原因。
    。
 
 
  • A-30的恆流源只提供偏流(還提供Tr2基極電流)，與Rc(只提供喇叭電流)，二者的角色，明白的切割開來，各自做各自的事。因此這時的恆流源，早就脫離Rc的角色，單純的只供應Tr3的?動電流，而且巧妙的利用二極體D1，與輸出端隔離，因為恆流唯一的路俓是流向Tr3，所以強迫Tr3非處理恆流不可，如此Tr3的動作如下，在靜止時流過全部的恆流，負半波時要流過恆流加上來自喇叭的電流，正半波時也要流過恆流，Tr3在任何時候都要處理恆流，將不會截止。
 
 
  • A-30有三個版本，為稱呼方便，分別為A-30(原音技60期)，A-30 II(音技63期、69期)，以及A30 AN(音技97期)，其實架構幾乎都一樣，不同的只在偏壓方式，這裡所展示的圖4，應是掃描自已裝專頁而來，是來自diysong網友的相簿中，抱歉的是忘了大名，借此機會在此道歉及道謝。
 
 
  • A-30，A-30 II，以及A30AN如何分別，以圖4來說明，圖中是A-30 II，A-30是把D4、D5短路掉，而A-30 AN是把D4、D5拿掉後裝上類似恆壓源的晶體線路
 
 
  • 圖五:A30
 
  • 圖5 是A-30的偏壓線路，Tr2的基極和D1的陰極和Tr3的集極連在一起，恆流源的電流全部流向Tr3，靜態時Tr2是完全截止的(只有極少的洩漏電流)，設Tr3和D1都是0.7V導通，靜態時Tr3的集極可能在+0.7到-0.7之間，當Tr3的基極有訊號時，Tr3的集極達+0.7V時Tr2導通，如同圖3的開關被按下，Tr2供應電流給喇叭，此時的D1是反向截止，您可以根本的忘了它的存在；當Tr3的集極達-0.7V時D1導通， Tr2反向截止，您可以當Tr2是一個阻值極大的電阻。
 
  • 如何？Tr2和D1動作合理而優雅的換手，唯一的主動元件Tr3並不會截止，這是A-30令人讚賞的地方。但是令人置疑的是，在+-7V後?動換手的機制，會不會聽的出來？所以這就是改成A-30 II的主要原因，筆者以為不必如此，如以0.7V起算，A-30它在0.06W(W=E*E/R,0.7V*0.7V/8Ω=0.06W)時就完成啟動，0.06W對喇叭而言是有看沒有到，尤其是低效率的喇叭，搞不好平常您的擴大機的啍聲就已經大過它了。
    音技在60期發表A-30，音技63期就把它改成A-30 II，我聽到及裝機成功的都是A-30 II，反正也沒有能力分辨出好壞。依當時說明A-30會在 +-0.7V切換，如果事先崁上1.4V(如圖6的D4、D5)，那我們就可以使Tr2和D1在大於0時(Tr2導通)或小於0時(D1導通)切換，因此改善了讀者對A-30在 +-7V切換的疑慮！依音技97期的說明A-30 II 約賣出600片，不知現在多少片存活？
 
  • 對於二極體1N4001(D1、D4、D5)普遍的認知是順向偏壓大於電晶體順向偏壓，在圖6中假設D1和D5的順向偏壓相抵，D4上的順向偏壓大於Tr2的B-E間的順向偏壓，所以Tr2應該是導通的，那Tr2流過多少電流呢？可以從R13的壓降算的出來，如果D4上的順向偏壓大於Tr2的B-E間的順向偏壓0.1V，這0.1V就是R13的壓降，Tr2流過0.1V/0.22Ω=0.45A，這0.45A在靜止時全數流向Tr3，再加上恆流源的0.15A，共有0.6A流進Tr3，靜止時Tr3就消耗0.6A*30V=18W，如果反推它大約是一個”正常” A類5W，可怕的是那麼小的散熱片，又沒有溫度補償的機制，晶體容易熱跑脫，今天不掛明天掛，如果沒掛那恭禧，您不見得是運氣好，也有可能是Tr2基極供電不足的原因，容後再討論。
 
 
  • 圖6 A-30 II
 
  • 從A-30到A-30 II改進了什麼，我覺得最大的成就是心裡的改善，實際上只是0.06W！？但憑空又消耗36W(18W*2)，比原來9W還多3倍，並帶來隨時燒毀的危機。
 
  • A-30 AN是一個實驗中的線路(如圖7)，在期待中卻一直沒上場，在音技97期，梁老大並未勇於為音技官方說法-A-30是新A類辯解，反而乾脆說它不是A類。
 
  • A-30 II確實是A類！它傲人的是恆流源方式及漂亮的切換動作，儘管也因此發生許多的缺點，但是不能因為它長的不像傳統A類，就說它不是A類。
 
 
 
  • 在音技60期介紹A-30的譯作中，曾說這個放大器可以放在戲院中播音，可見穩定性應該很好，怎麼A-30 II的穩定性反而變差了？那A-30 AN有改善嗎？我斗膽的認為沒有，但是A-30 AN提供一個方法，調整Ra，Rb兩個電阻可以改變崁位晶體Trb的CE間電壓，如果可以調到使Tr2差不多截流了，而崁位晶體又有一些溫度補償的作用，那才是一條正確的路。
 
  • 其實我並非不能接受梁老大認為A-30 II不是A類的說法，而是我覺得從音技60到97期，時間長達3年，版本經歷3代，只對於A-30是不是A類，有太多的著墨，但是對於它的致命缺點，卻隻字不提，放了一堆謎團，從此煙消雲散！唉！除了A類外還有更重要的東西呀。
 
  • 1.A-30很容易振盪？
    一般推挽放大在靜態時，所有的靜態電流從V+流向V-，如果中間電壓不是0時，差動放大就會檢知，調整負責V+的或負責V-的功率晶體，使它增流或減流，A-30的Tr2靜態時是完全截止的，只有極少的洩漏電流，但是只要有電流流向喇叭，中點的電壓就不是0而是偏正，於是IC將會檢知而使Tr3增流，奇怪的是，一定要等到D1順偏了(-0.7V)，Tr2的電流才有可能流向Tr3，天下那有那麼恰好的事，Tr2洩漏電流加上恆流”剛好”等於Tr3集極在-0.7V的時候，可能一調整又過頭了，產生暴衝，又趕緊調回去，所以整個放大器調來調去的，這也算是振盪吧。
    2.A-30 II的線路實際上Tr2不能提供足夠的電流：
 
 
  • 主要原因是出在Tr2的電流放大率(hFE)，圖8中MJE3055的規格中(hFE )，最大是100倍最小是20倍(在VCE=4V，IC=4A時)，如果遇到一更慘的情況下，例如溫度過高，或是喇叭阻抗小於 8Ω持， hFE 可能下降，30W的放大器?值是2.7A，Tr2基極至少要供應2.7A/ hFE 的電流，R10供應的恆流源最多是0.15A，在hFE 下探為18倍以下時(2.7A/ 18=0.15A)，Tr2就不能提供足夠的電流。
 
  • 3. 恆流源不恆流：
    電流放大率延伸的問題，A30 II 傲人的恆流源，使Tr3不會截止，但是為了提供Tr2基極電流，不但電流變動大，產生另一種失真，而且有時Tr2的基極搶走全部恆流，以致Tr3截流，也就是說Tr3將在B類工作，所謂的新A類就破了功，實在是成也恆流敗也恆流。
 
  • 3. Tr1工作在B類？
    老實說原先我不太懂Tr1(圖9上面的晶體)的相關動作，結果用笨方法-老老實實的畫圖。圖9的左邊是Tr1相關結構圖，右邊的OP-AMP圖，是用來比對用；Tr1和Tr3(下面的晶體)及一些相關的零件，組成一個非反向的放大器，它的電壓增益是(R6+R5)/R6，((22Ω+220Ω)/22Ω)等於11倍。
 
  • 一下子不容易看出來Tr1流過多少電流，我們先從Tr3的基極看，因為恆流源的存在，Tr3要導通，基極的電壓至少是0.7V，那流過Tr1晶體的電流是0.7V/(R8)220Ω=3.2mA，此時R6上的壓降應該是0.07V，IC的第1腳之電位應該是-0.77V，這是一個平衡點，IC的第1腳之電位上昇時，輸出正半波，IC的第1腳之電位下降時，輸出負半波。
    A-30 II供應+-30V，最大輸出大約在+-27V左右，IC的第1腳最大輸出在+-13V左右，R6的壓降為輸出的1/11-也就是在+-2.4V左右，所以Tr1的基極的在1.7V到3.1V之間。所以 IC足以推動Tr1。
 
 
 
  • (1)當負半波Tr3導通時，和前面分析Tr2的hFE 一樣，我們發現Tr3的hFE 如果惡化到9倍時，Tr1要供應Tr3的基極是300mA(2.7A/9倍)，R7壓降是300mA*100Ω=30V，Tr1反偏截止了，遑論要提供Tr3電流，而且Tr3除了?值電流外，還有恆流源要處理。看來A-30 II的功率晶體的電流放大率是應該特別注意的問題，應該不能用2N 3055裝機，因為2N 3055 在大電流時hFE 惡化到5以下。
 
 
  • 圖10 IC反向放大
 
 
  • (2)為了說明方便，以左邊算起，圖4 中第1個放大稱為OP1，第2個放大稱為OP2； OP2和Tr1及之後的相關零件，組成一個反向放大，如圖10，(右邊的OP-AMP圖，是用來比對用)。OP2的負回授，是由圖中的 R3、R4 所組成，放大倍數(R4/R3)約6.7倍，與圖11中R6、R5 所組成回授並不同，圖11整體的電壓放大， 將會限於6.7倍，問題是兩者共用一個參考電壓(output)，會不會又是各說各話的情形，如果不幸言中，動作時IC的第1腳可能甩離範圍，超出Tr1射極的0.7V以上？
 
 
  • 圖11 IC反向放大結合Tr1相關結構圖
 
 
  • 例如A-30 II輸入+0.1V經OP1(7倍)放大，OP1第7腳輸出為-0.7V，再經OP2(6.7倍)放大，OUTPUT 輸出為+5V，OP2反向端(第2腳)為0V，所以輸出(第1腳)為0V，
    Tr1的射極為0.45V，Tr1是不是已截止？看起來是這樣，不過應該是一整體回授考量吧，我的能力僅止於此。人人會做事後諸葛亮，我事後多年了仍然不亮，這些疑惑及猜測，在死無對證的情形下，現在都已經不重要了，天知道我裝的二台A-30 II如今下場如何(其中有一台還是用2N 3055裝的)。
 
  • 經冗長的分析後您還敢用A-30 II嗎？如果我會再裝機的話(翻箱倒櫃，應該還有2片板子)，也許我會如下的改進：
    1. 找hFE 高的晶體，加大恆流，當然也可以考慮達林頓晶體或FET。
    2. 改為圖6，但是只要裝1個順向的二極體崁位(0.7V)，依前例計算可以在0.35V起算，它在0.015W(W=E*E/R,0.35V*0.35V/8Ω=0.015W)時就完成啟動，0.015W可能您的呼吸聲已經大過它了。
    3. 或改為圖6，但是只要裝1個小於 8Ω的電阻，這電阻將有約1.2V左右的壓降。主要希望靜態時Tr2只要有一些導通就可以了。
    4. 或；把二極體D4、D5、以中功率晶體(或用功率晶體)接成二極體(把CB短路)代替，這些晶體全部鎖上散熱片，以求溫度補償。
    5. 依A-30 AN的方法，調整兩個電阻，使Tr2有一些導通，然後恆壓晶體鎖上散熱片，也是為了溫度補償。