基本介紹
- 中文名：石機
- 外文名：無
- 類別：科技共次奧
- 同類型：“膽機”電子管功放等
歷史發展,改良方法,改良分析,功放製作,膽石混合,石機混合,電流反饋,電壓反饋,前膽後石,電源影響,變壓器,後記,
歷史發展
甲類功放
石機最初的功放為甲類功放，這類功放的功放管的工作點選在管子的線性放大區，所以就算在沒有信號輸入的情況下，管子也有較大的電流流過，且其負載是一個輸出變壓器，在信號較強時由於電流大，輸出變壓器容易出現磁飽和而產生失真，另外為了防止管子進入非線性區，此類放大器往往都加有較深度的負反饋，所以這種功放電路效率低，動態範圍小，且頻響特性較差。
乙類功效
對此人們推出了一種乙類推挽式功率放大器， 這類功放電路其功放管工作在乙類狀態，即管子的工作點選在微道通狀態，兩個放大管分別放大信號的正半周和負半周，然後由輸出變壓器合成輸出。所以流過輸出變壓器的兩組線圈電流方向相反，這就大大地減少了輸出變壓器的磁飽和現象。另外由於管子工作在乙類狀態，這樣不僅大大的提高了放大器的效率且也大大的提高了放大器的動態範圍，使輸出功率大大提高。所以這種功放電路曾流行一時。但人們很快發現，此種功電路由於其功放管工作在乙類工作狀態，所以存在小信號交越失真的問題，而且電路需使用兩個變壓器(一個輸出變壓器，一個輸入變壓器)，由於變壓器是感性負載，所以在整個音頻段內，負載特性不均衡，相移失真較嚴重。
放大電路
為此人們又推出了一種稱為OTL的功率放大電路。這種電路的形式其實也是一種推挽電路形式，只不過是去掉了兩個變壓器，用一個電容器和輸出負載進行藕合，這樣一來大大的改善了功放的頻響特性。電晶體構成的功放電路有了質的飛躍，後來人們又改良了此種電路，推出了OCL和BTL電路，這種電路將輸出電容也去掉了，放大器與揚聲器採取直接耦合方式，由電晶體組成的功放電路，其結構基本上是OCL電路或BTL電路。OCL電路與OTL電路不同之處是採取了正負電源供電法，從而能將輸出電容取消掉。BTL電路是由兩個完全獨立的功放模組搭建組成，如圖C所示。IC1放大輸出的信號一部分通過IC2反相輸入端，經IC2反相放大輸出，負載(揚聲器)則接在兩放大器輸出之間，這樣揚聲器就獲得由IC1和IC2放大相位相差180度的合成信號了。
改良方法
綜上所述，電晶體功放要得到好的放聲效果，就必須要有較低的輸出阻抗，較大的電流增益，電源方面要能提供足夠大的工作電流和較高的電源電壓且瞬態效應好。
為了使放大器具有較低的輸出阻抗和較大的電流增益，功放的後級我們可用多對功率管並聯來實現，並且選取耐壓值儘可能高的功放管，使其能適應不同阻抗的負載。不過此舉就要增加推動功率了，一台好的功放對電源的要求的苛刻的，為了能提高瞬態回響和提供足夠的電流整流管要採用大電流開關型整流二極體(有人稱為高速整流二極體)，另外濾波電容要採用萬μF以上的。由於功放在工作時產生的瞬態電流達10安(視功放機的功率而定)以上，後級的接觸電阻和連線電阻均不能忽略，例如：電路存在0。1歐的交流阻抗，那么在10安電流的作用下就在其上產生1伏的交流電壓，這個交流電壓會藕合到前級，輕則產生交流干擾，重則會使放大器產生自激而損壞功放管。我們曾維修過多台大功率功放機，因整流二極體接觸不良或濾波電容虛焊而造成燒壞功率管的。
另外，由於大功率的功放機均具較高的增益，所以電源的去藕電路就非常重要，否則很容易產生交流聲干擾。一般的功放機均要兩級以上的LC濾波電路，且濾波電容的接地點的選取均有講究。最後就是電源變壓器了，功放機其總體效率大概在50%--60%左右，所以所選擇的電源變壓器的功率的選取應為： 擴音機的最大不失真功率/0。5 例如：一台最大不失真功率為100瓦的功放機其電源變壓器的功率應是100/0。5=200瓦。另外為了減少電源內阻和漏感對放大器的干擾，在電源變壓器的設計上應儘量減少每伏匝數和選用高磁通率的鐵芯。環牛(環形鐵芯變壓器)就是一種性能較好的變壓器。
功放機另一個參數---動態範圍也關係重大。高檔的數位化音源如CD機，DVD機由於採取了高比特率的數字量化，其輸出的音源的動態範圍達90db以上較傳統錄音機（40--70db)大。所以，功放機如果沒有足夠的動態範圍與之相配就很容易產生切峰失真（削波效應），在切峰失真的信號波形中包含了極豐富的功率能量很大的高次諧波成份，它們加入到音箱中，其能量就極可能超過揚聲器的承受功率而令其燒壞。所以在功率放大電路中，為了防止放大器進入削波狀態，在電路上都加入了負反饋電路。負反饋電路雖然有效地防止了削波的產生，但它也使信號產生線性失真（幅度失真）和非線性失真（相移引起）。半導體器件製造已經有了很大的進步，大動態範圍的半導體器件已經問世，在此前提下，人們提出了無負反饋功率放大器的概念，由於不存在負反饋，放大器的保真度將進一步得到了較大的提高。
改良分析
不論是OCL或BTL功放電路，由於其去除了輸出變壓器和輸出電容器，使放大器的頻響得到展寬。與揚聲器配接方面，當功率放大器連線一個標稱阻抗低於其額定負載阻抗的音箱時，理論上將使輸出功率增加，但這是有條件的，功放必須有足夠小的輸出內阻且必須有足夠大的電流增益，電源能提供足夠大的工作電流，否則不但不失真功率不能增加反而引致放大器性能下降。另一種情形是功率放大器連線一個標稱阻抗高於其額定負載阻抗的音箱，這時似乎功率放大器會輕鬆些，其實也不盡然，如果放大器的電源電壓容量不夠大，重放時可能未到其額定輸出功率就發生電壓過載失真。另外揚聲器音圈會產生感生電動勢，這個感生電動勢對揚聲器的運動有阻尼作用，放大器的輸出阻抗對揚聲器所產生的感生電動勢有旁路作用，從而能有效地抑制揚聲器的感生電動勢。
功放製作
膽石混合
原理圖如圖1所示，筆者選用和田茂士線路作電壓放大，場效應管作電流放大。其實，一些優秀的膽前級電路很適合作電壓放大，特別是和田茂士SRPP輸出線路，具有極低的輸出阻抗和較強的負載能力。末級僅作0dB線路放大，電壓放大級與電流放大級用電容進行信號耦合。
筆者仍採用《電子報》第1期膽機製作文章介紹的電源板，而重點改進在用料上，即把原高壓濾波所用全部電解用若干個1μF～10μF/400V的EC薄膜電容及金龍MKT電容並聯代替。主機板仍然可用國產電子管組裝(A型板)，發燒友也可用全新俄羅斯12AX7、12AT7(B型板)或歐洲管升級。信號耦合電容還可用維他命Q電容或其他頂級電容摩機。
製作時為便於裝配及摩機，共使用兩台機箱，膽前級與0dB後級各裝配一台，兩台獨立調試。其中後級每聲道使用了4對K1529/J200，每聲道各用1隻500W環形變壓器供電，採用外置散熱器機箱，尺寸達480mm×430mm× 150mm，為製作大功率甲類功放創造了條件。兩台機箱用信號線連線。當分開時，和田茂士電壓放大部分即可單獨作為一台膽前級使用。
該功放具有聲場宏大，定位準確，音色甜美，印證了“簡潔至上”這一名言。
該功放不足之處是成本較高，體積較大，一般通用機箱不易裝配，發燒友需量力而行。
石機混合
原理圖如圖2所示，該方案組合主要是從降低成本及減小體積方面考慮的。
由於大功率場效應管售價較高，業餘條件較難配對。為此，筆者採用了大功率場效應管推動大功率三極體。由於大功率三極體售價低，易配對，從而降低了製作難度。並且場效應管參與功率輸出，推動級靜態電流高達300～600mA，從推動級開始，功放便工作在甲類狀態。
同樣，電壓放大部分可選用圖1的和田茂士前級電路。從減小體積出發，筆者使用了專門針對SACD與DVD－Audio而製作的電壓放大模組，左右聲道各一塊，尺寸僅11cm×8cm，便於與末級電流板裝配在一個機箱內。該模組製作的功放頻寬達5Hz～150kHz，總諧波失真在0．01%以下。若發燒友不想投資過大，象發燒友手頭都有的TDA7294、LM4766、LM1875等功率運放，只要將其配圖1或圖2所示的0dB放大極，降低末級0dB部分供電電壓，即可製作出10～60W的純甲類功放，其音色定會給你耳目一新。
推薦摩機：若圖1中的和田茂士電路搭配圖20dB後級，0dB後級所用對管2SC3858/2SA1943(250W)增加至4對，提高0dB後級工作電壓為70～100V，那么，只要電源能量供應充足，散熱通暢，業餘條件下完全可以輕易製作出乙類300～500W(8Ω)、甲類：30～100W(8Ω)這類巨無霸功放。雖然大多數發燒友並不需要數百瓦的功率，但是只有儲備功率越大，靜態電流越大，功放的內阻才會越低。在額定輸出功率內具有較強的驅動負載能力和優秀的頻率回響，才更易推動音箱和控制音箱。特別是一些進口名牌頂級音箱，用巨無霸功放推動顯得更為重要。筆者認為只要功放輸出功率能達到150W×2(8Ω、乙類)、30W×2(8Ω、甲類)，就能推動好大多數名牌音箱。
另外，發燒友還可用其他靚聲功率管如K851、SAP15N/SAP15P、MJE15024/MJE15025作0dB放大。
電流反饋
原理簡圖如圖3所示，該線路採用了真正的電流負反饋電路，有別於報刊介紹的在負反饋環路中增加取樣電阻一類電路。眾所周知，電流反饋具有寬頻、高速、低失真的特性，所以日本金嗓子名機中大量使用此技術。這裡僅給出簡化示意圖，其末級採用三級電流放大，使用摩托羅拉專用驅動管MJE15030/MJE15031，驅動負載輕鬆自如。
電壓反饋
在這裡仍採用《電子報》第8期《輕鬆製作靚聲甲類功放》一文中的電壓放大線路，主要改動在後級電路，原理簡圖如圖4所示，在此用示意圖代替電壓放大部分。電流推動級採用了日立公司最新120W大功率場效應管K2221/J352，並且推動級電流高達300mA，反饋點改在輸出端，為大環路負反饋，選取合適的R阻值即是一部前饋式功放電路。該線路板包括的預推動級、推動級、末級電流放大級及溫度補償三極體，應全部固定在散熱器上。K2221/J352若不易購到可用K1058/J162或K1529/J200代換。該功放音色保持了MOS管的聲音特色，低頻力度強勁，解析力高。
以上四種後級電路均可在30～60V內供電，0dB後級可提升工作電壓。電流放大印板均為雙單聲道設計，每聲道預留有4對大功率管的位置，發燒友應根據散熱器面積、變壓器功率及所需功率(P乙=U2/2R，P甲=2I2靜·R)選取功率管對數及其靜態電流。對於63V以下的濾波電容，ELAN、松下、諾華當然是首選。對於容量10000μF耐壓100V的發燒電解，市面上選擇餘地不多，即使能購到某些音響專用品牌，其售價也相對較高，從性價比方面考慮，筆者選用若干ELAN470μF/100V、BENNIC 1000μF/100V、BENNIC2200μF/100V電容並聯使用，降低輸出容抗，其性能比某些音響專用大容量電解還好。
前膽後石
採用前膽後石設計的HIFI功放效果比單純的“膽機”或“石機”的效果要好。
闡述“前膽後石”的概念，要從功放的放大原理來入手，在功率放大器的設計中，設計者將其內部分為前級放大和後級放大，所謂前級放大，其主要作用是對信號源傳輸過來的節目信號進行必要的處理和電壓放大後，再輸出到後級功放。它就像鐵路岔道一樣，控制切換哪一路音源信號接入功放，哪一路音源信號與功放斷開；而後級放大則是單純的功率放大部分，它的作用就是儘可能原原本本地放大來自於前級的信號，我們對後級的要求是，放大倍數儘可能高，而放大後信號的失真程度應儘可能低。除放大電路外，後級放大器中還設計有各種保護電路，如短路保護、過壓保護、過熱保護、過流保護等。
理解了前、後級放大的概念之後，我們再來看看“前膽後石”中所指的“膽”和“石”，其實這兩者所指的都是功率放大器中所使用的功率放大部件。所謂“膽”，其所指的就是電子管，採用電子管放大的“膽機”所發出的聲音高音亮麗、中頻飽滿、低音醇厚且富有彈性，這種較為“溫暖”的聲音特點是在回放純音樂或人聲、等音樂時最為人耳所喜愛的，但是電子管功放最大的弊端就在於其聲音“速度感”不強，在播放節奏較快的音樂時並不能讓人十分滿意；而所謂“石”，其所指的就是電晶體，採用電晶體的放大器被稱為“石機”，石機最大的特點就是“速度感”較強，輸出功率強勁，但在聲音的溫暖度上不及“膽機”，音樂回放效果相比起“膽機”顯得生硬，並不是十分耐聽。
在功放的前級放大部分採用電子管放大聲音信號，能夠使輸入的聲音信號具有良好的聲音表現和高動態範圍，具有音色自然、逼真的特點，而在後級功率放大部分採用電晶體放大則能夠保證輸出的聲音信號的速度和功率，這種設計能夠集兩种放大技術的優點於一身，HIFI發燒友自然會對採用這種設計理念的功放產品情有獨鐘。
電源影響
若要挖掘以上功放的潛力，發燒友可試著從電源方面著手考慮，比如電壓放大部分和電流放大部分均用穩壓電源供電。音響器材中還可加入電源濾波器與高精度電源穩壓器，這些器材國產品牌眾多，選擇餘地較大，其帶來的好處是音響系統異常寧靜，還可增添許多音響細節，十分超值。
變壓器
對於電源變壓器，發燒友應選漏磁小、效率高、發熱量低、A級材料製作的優質產品。無論是環形還是方形變壓器，其售價都相對較高，市面上一些低價位通用產品應慎用，發燒友應購買優質產品或到生產廠家訂做。
後記
當然，如有條件，末級電容濾波可完全用數十隻乃至數百隻薄膜電容並聯濾波，但其體積是巨大的，成本也是驚人的，好在市面上有許多二手薄膜電容可供選擇，價格也在發燒友的經濟承受能力之中。薄膜電容所營造的聲場是許多號稱“音響專用”的電解所無法比擬的。
