擴大機特性比較

 

最近擴大機的分類,名目可愈來愈多了,甚至有些擴大機製造廠商,對產品總喜歡強調具有 A、B 類可選擇輸出的裝置,早期大家比較熟悉的有 A 類及 B 類擴大機,而後相繼出現的有 C、D 兩類,最近我們又常聽到一種最新的 G 類擴大機出現,類似這些不同類型所代表的特別意義是什麼?他們除了表示各擴大機的電器工作情況不一樣以外還指示些什麼?以下介紹的方式, A、B、C、D、G 各類都具有獨立性的,讀者可單獨看,也可作為連續性來看,主要在使各位讀者能領略到各類的主要特性。
 
放大器的工作分類是由產生放大作用的主動裝置之電流導通的週期與輸入訊號週期之比較而決定,而在音頻放大電路里,根據電晶體的工作點不同主要可分為 A 類放大與 B 類放大,當然這也是指比較流行的二類放大,尤其 B 類廣用於功率輸出放大電路上,不過這裡還是按照 A、B、C 的順序,先談A類放大。


A 類放大

(1)A類失真低效率也低:

A類失真低效率也低
圖一


一般裝機或電路設計者,在設計低頻線路,尤其是功率放大時,總要先決定採用哪類放大,然後決定使用什麼編號晶體來擔任放大元件,而晶體的轉移特性曲線是否優 良,亦是決定晶體是否被採用的主要參考依據,現舉某一典型的中等功率晶體管的轉移特性曲線為例(如圖一),此轉移特性曲線即代表著輸入電壓 VBE 與輸出電流 Ic 之間的關係,如加在基極電路的直流偏壓為 900mV,那麼當疊加一峰值為 50mV 的訊號電壓於晶體管的基──射極結上時,由於圖一中輸入訊號(a)整個波形的振幅內,均工作在特性曲線的直線部份,因此引起的集極電流 Ic 的變化是完全與輸入波形相吻合,在輸入訊號為零時,集極靜態電流為110mA,如輸入的訊號為正弦波,集極電流的平均值仍等於 110mA,所以不論有無訊號輸入,由直流電源供給的電功率都是相同的,這就是典型的單端 A 類放大級的運用情況,由於 A 類操作的工作狀態均在特性曲線的直線部份,所以具有最低失真的優點;但由於需要加入偏壓,使工作點才能偏置在特性曲線的直線部份,如果想要求輸出集極電流 的振幅愈大,則須相應地提高靜態集極電流;而由於無訊號時,仍流過較大的靜態電流,所以 A 類放大的效率由直流功率轉換為交流功率是較低的。

全對稱a類推挽電路
圖二

在聲頻放大里為了經濟及提高功率輸出起見,一般實用的輸出級均接成推挽電路,及兩功率晶體管的輸出均接在同一負載上,如兩晶體管分別接入適當相位的訊號,那 麼負載上所獲取的功率,將分別由兩晶體管共同作所供給(如圖二)即為全對稱 A 類推挽放大級的電路,在簡圖顯示兩晶體管均接有適當的偏壓,以確保訊號的振幅均落在特性曲線的直線範圍內。在無訊號輸入時,兩晶體流過相同的靜態電流,所 以輸出端的中點電壓為零值,負載 RL 上也就沒有電流流過,亦即處於平衡狀態,因在兩晶體輸入端雖然接入相同的訊號,但在圖二中上面所安置的晶體管為 NPN,下面則為 PNP,故當輸入訊號為正半波時,顯然將使上面 NPN 晶體管或的較大正向偏壓導電作用加強, Ic 增加,促使 VCE 下降;對於下面 PNP 晶體管來說,由於訊號極性使其正向偏壓受到削弱,導電減少, VCE 增加,由此可見由於正半波訊號加入,雖然將引致一晶體導電加強,另一則削弱,但兩晶體的作用都是有使原來平衡的輸出端電位有上升的趨勢,即所謂一推一挽, 而輸出電壓的產生,即為由於兩晶體的合成作用形成不平衡狀況時發生,一般推挽電路的輸出功率其容量幾較單端放大級大一倍,同時具有更低諧波失真,所以這就 是為什麼差不多所有真空管或半導體擴大機,末級強放電路接採取推挽式。

(2)A 類放大的輸出諧波成分

A 類放大的輸出諧波成分
圖三


A 類放大器的主要特點就是諧波失真較小,如果我們由放大器的輸出諧波成分來比較,不難發現 A 類放大時較 B 類失真低(B 類下文將述及),現在我們不妨將放大器接在一失真度極低的音頻振盪器,那麼放大器的輸出波形主要的除了有與輸入相同的基波外,還含有其他高次諧波成分,這 視放大器的失真程度而定。現如將輸出波形的基波成分濾去,我們比較一下放大器的殘餘諧波成分,就可找出令人信服的根據,由圖三可以看到,A 類放大器的失真主要為二次及三次諧波,而 B 類放大器的失真則含有由高次奇數諧波所組的方波,我們都知道,偶數諧波在樂聲上是有關聯的,大部分的樂器連續存在大量的二次及四次諧波,否則音色就過於單 調,但奇數諧波和樂聲並沒有任何關聯,只是在極短時間出現在一些敲擊聲上。所以含有高次奇數諧波的方波失真,是非常難聽而刺耳的。

(3)使用 A 類放大的反應如何:

從過去的電子管以至現在的晶體管擴大機,無論是商品或業餘者的製作中,對於 A 類放大電路感到興趣的並不太多,其原因可能受了「效率太低」的緣故。近年來 Hi-Fi 擴大機的設計者漸漸回覆到使用 A 類放大電路,甚至目前有些市售音響產品更裝置了 A/B 類轉換開關(如 YAMAHA CA-2010 等),可做 B 類高功率輸出及 A 類小功率輸出兩種方式,由此,我們可看出,A 類放大器「失真最低」的優點,仍舊受音響製造廠家所重視,而認為值得在其 Hi-Fi 產品的設計中採用。同時在晶體管的製造技術發展過程中,過去生產的大功率晶體管,以鍺質為原料,而鍺漏電較大,同時極間溫度不能超過 75℃,因此它不能適應 A 類放大時巨量的靜止電流所產生的熱力,但從矽質功率晶體管問世後,同時散熱器的設計也有了很大的改進,所以現在對於使用 A 類放大的熱耗損處理,也絕不成問題了。但 A 類是否從此就反應熱烈了呢?並不盡然,A 類放大器的低效率問題,仍然不為人們所樂於採用,通常在同等的電力消耗之下,假定用其他類的放大時可獲得輸出功率 30 瓦特,但使用於 A 類放大時,僅得 10 瓦特而已。這就是我們認為 A 類擴大機的優點,仍不能蓋過其缺點,但其實 A 類除了具有低失真優點外,我們不妨從另一角度來看,其恆定電流對於晶體管擴大機的保護作用,將會有更多的好處。舉一個例子,通常一部 10W 其他類的擴大機,其靜止電流僅有 50mA 左右,但當最大激勵訊號輸入時(亦即最大的功率輸出),其電流提升至 500mA 至 1A 之間,變動率相當於 10 倍至 20 倍,而同等 10W 輸出的甲類擴大機,其靜止電流通常維持在 700mA 至 800mA 之間,當最高激勵輸入時,電流變動範圍不會超過十分之一(在理論上是恆定的),由這一點,無疑是對大功率的晶體管產生了保護作用,不怕因湧入的瞬時電流太強而燒燬了晶體管。

B 類放大


(1)B 類為交替擔任放大的工作:

圖四


如 果設計線路時,我們仍採用如前述 A 類同一中等功率晶體管,但卻讓其工作於零偏壓情況下,則結果由轉移特性曲線(同圖一),我們可看到圖一中的輸出波形(b)所示,不只有一半波形因晶體管截 止而被削去成如半波整流器那樣,同時如輸入為小訊號時,由於晶體管的半個週期內,皆工作於特性曲線的彎曲部份,所以在這半週的輸出電流波形也將被嚴重畸 變,這就是典型的單端 B 類放大級的運用情況。實用的 B 類輸出電路,如圖四所示為全對稱 B 類推挽電路簡圖,當訊號同時加在兩晶體的基極上,則 NPN 晶體管在訊號正半波時導電,而 PNP 晶體管則在負半波時導電,利用兩枚晶體管交替輪流工作,結果在負載上合併成的輸出波形將與輸入波形相同。

圖五


以 上說明可能讀者並不能理解,為了便於解說 B 類放大的工作特性,我們不妨把輸出級的合成轉移特性曲線理想化看成一直線,即如圖五所示在 A 點上,當輸入訊號電壓 Vin 為零時,輸出電流同樣為零,當輸入電壓向負半波變化,PNP 晶體開始導電, Ic 一直增加至輸入電壓達到峰值 B 點為止,此後由 B 點變化至零,輸出電流 Ic 亦逐步減少至截止;當輸入電壓向正半波變化時,NPN 晶體亦將開始導電,一如 PNP 流向負載的集極電流隨輸入訊號的大小而變化,像這樣,兩輸出晶體管永遠是輪流交替工作的,這就成了 B 類推挽放大器的主要特徵。

(2)B 類交叉失真雖大但效率相對提高:

圖六


由前述得知,晶體管是交替工作的,但在實際情況,我們曉得晶體管的轉移特性曲線的起始部份相當彎曲如圖一,一直至 VBE = 0.6~0.7V,所以我們不能予以忽略的;此時輸入波形由零向正負方向變化時,在 +0.7V 範圍內,輸出波形都會引起嚴重畸變,這種畸變如圖六所示,即是所謂的交叉失真,亦即輸出波形在 1.4V 之間是不連續的,很明顯在小訊號輸入時,交叉失真部份將在放大波形上佔較大比例,所以總諧波失真在小訊號時反而較大,但 B 類放大級也有它的好處,就是效率較高,在無訊號輸入時,靜態工作電流一般只有幾十毫安(mA),由直流電源供給的平均電流將隨訊號增大而加大,但一般擴大 機播放音樂節目時,其平均輸出電平僅為峰值的十分之一左右,所以輸出晶體管的平均功率損耗是較低,即使長時間工作,也不會產生過熱的現象。

(3)B 類加入適當偏壓成為 AB 類操作:

圖七


如果在 B 類放大加入適量偏壓以供給晶體管起始導電電壓 VBE (約0.7V),那麼就可避免上述交叉失真,由於此類放大工作特性,在無訊號時晶體管流過少量靜態電流,而在全部輸入訊號內,由於輸出級兩功率晶體,沒有 一個是在全部導電的狀況,而僅在超過半週時期內繼續導電,它的晶體管偏壓的工作點應如圖七所示,及輸入訊號由正端轉變到負端臨界點上兩晶體管皆導電,這種 工作狀況跟 A 類和 B 類都扯上一點關係,故又稱為 AB 類放大,而 AB 類電路的效率也在 A 類和 B 類之間,這是介於 A 類和 B 類之間比較特殊的運用,故在此附帶一提。

C 類放大

圖八


至於C 類放大的操作情況不適合聲頻放大電路上,這是由於此類放大器工作時,甚至在小於訊號週期的一半內傳導,因為這种放大器是無法精密地跟隨聲頻訊號的複雜波 形,而將之再重現出來,這就意味著,若將它運用在聲頻上,就會使重播訊號產生整個的失真,此類放大的轉移特性曲線,請參照圖八所示。但若將 C 類放大運用在產生射頻能量的用途上,單單放大單一的頻率,而它反而能完美的達成任務,這是因為 C 類在射頻單一頻率放大時,其輸入和輸出端用 LC 諧振電路產生「振擺效應」,能將輸入訊號週期中失去的部份使其再生,況且它的效率很高,一般總在 65%~75% 之間,比 A 類及 B 類更高,所以 C 類放大目前是廣泛地用在無線電射頻之中。

圖九



D 類放大

基於以上 A、B、C 類存在的低效率瑕疵,因而導致了 D 類放大器的產生,D 類放大器有些地方並不像普通線性放大器完全使用聲頻線性放大用電晶體,而取代的是開關電晶體,因為 D 類放大器必須首先運用調變手續,然後再經解調過程,將原始訊號再生過來,整個 D 類開關式功率擴大機的結構圖參考圖九所示,即 D 類放大器利用脈衝寬度調變方式,將輸入的聲頻訊號轉換成一序列的高頻脈衝,而脈衝的寬度則為輸入聲頻訊號瞬間振幅的函數,即當訊號向正方向增大的時候,其 調變器可以使脈衝寬度加寬,而當訊號趨向負方向時,它又可以將脈衝寬度變窄,因此最後產生了如圖九(c)不同波寬的脈衝,然後將圖九(c)的脈衝輸入開關 式的功率放大器內,將不同波寬的脈衝放大後輸入解調器,解調器再將脈衝積分成具有和原輸入訊號相同的振幅特性,復製成原聲頻訊號的波形,最後的過程就是將 高功率電平的訊號輸送至喇叭。由於 D 類放大器處理的訊號為一序列的窄脈衝,因此再生訊號波形的殘餘高頻部份並不影響聲音的重現,因此其頻帶範圍也超過了聲頻部份。

根據測試,D 類放大器的效率極高,可大於 90% 以上,除此;令人注目的該是,在一固定的輸出功率上,其設計得可比一般傳統 B 類擴大機重量更輕,工作溫度更低,就以美國 Infinity 公司所出產的 D 類擴大機為例,其體積僅為 43.2 × 28 × 7.6cm 它以每聲道 250W 連續功率輸出下,在使用較小的散熱片或甚至在不使用散熱裝置的情況下,其工作溫度仍低得可以用手觸摸,每聲道能在低溫下產生 250W 的功率,這與目前具有 40% 效率,且將殘餘功率消散在散熱片上的傳統 B 類放大器,形成了強烈對比,那麼 D 類是否該完全取代以往的傳統式放大器呢?其實 D 類擴大機首先由美國 Infinity 公司發展出來後,將 D 類擴大機的原始造型也展示了好幾年,雖然有好些製造商在這方面下功夫,但這類擴大機遲遲生產的主因,乃由於第一、高能量的高頻諧波脈衝的存在,使其造成的 射頻輻射,會使接收機及電視機受到干擾現象,第二、D 類擴大機目前造價在美金 1800~1900元之譜,價格偏高,因此只要諧波的放射干擾及其他製造技術上的困擾,一但得以圓滿解決,則 D 類擴大機即可廣泛地被運用。

G 類放大

除了 D 類擴大機能夠將體積縮為更小,增加效率,強化結構外,目前還有一種 G 類擴大機也面世了,它的最新設計是由日立(Hitachi)發展出來的,此類擴大機並不是有意跳過 E 類和 F 類二級,其實 Hitachi 首先即稱它為 E 類,不過後來發現已有若干擴大機的特性,已被命名為 E 和 F 類,所以最後改稱為 G 類了,雖然它的基本結構與其他各類大不相同,但它對聲頻功率放大器的效率,同樣地也改善了許多。

(1)G 類的原始構想:

圖十


G 類放大器提高效率的方法,係為有人構想為何沒一種擴大機,能於電路內採用一低功率及另一個高功率的輸出級一起操作,當低訊號電平來臨時,用低功率輸出級來 推動喇叭,而當訊號電壓升高時,需要高功率輸出級推動時,訊號自動地轉移到高功率輸出電晶體上來放大(當然,想像中它必然將由另一組高壓電源來供電),這 樣,有人認為將高、低功率輸出級的工作,分別由兩對晶體來獨自擔任,該由低功率輸出級工作時,即由低功率放大器來放大,該由高功率輸出級工作時,即由高功 率放大級放大,如此,設有專級,各司其職,這不就提高擴大機效率了嗎?G 類擴大的原始構想即源出於此,有此一構想,想在電路設計上完成並不是挺困難的事,於是乎有下列 G 類推挽式電路(如圖十)的出現。

(2)G 類推挽放大電路:

通過 G 類推挽放大級圖十,我們不難發現,每聲道輸出級,G 類放大電路需要二組大小不同的電源供應,在實際運用上,現以 Hitachi HMA-8300 功率放大線路取其推挽級為例,它在 V3、V4 上所運用的電壓,對地各為 +95V 級 -95V,這是供給高功率輸出的電源,而 V1、V2 上所採取的電壓值,對地可採 +40V 及 -40V,這是低功率輸出用的電源,由圖中可看出 Q1、Q2 為一組低功率放大,而 Q3、Q4 擔任另一組高功率放大,工作是這樣的:第一對晶體 Q1、Q2 能掌握低電平的訊號波形或提高高電平波形的先頭部份,故當輸入訊號電壓低於 V1 (或 V2)時,Q3、Q4 則在截止狀況,電流僅通過 Q1 和 Q2 而至負載,一旦輸入電壓超過 V2 預設強度時,Q3、Q4 開始導通,以高壓為電源即很順利穩定地接替輸出工作,電流徑路由通過 Q3、Q1 和 Q4、Q2 到達喇叭。以上是 G 類推挽放大的基本工作原理,而其他電路也是 G 類的原始構想圖,而且後來實驗上也能付諸實用,其測試結果獲知,G 類產生較傳統擴大機還高效率的輸出,只要經過適當的設計,擴大機 2/3 的功率都可在最佳效率點上工作,因此這也就可免掉 FTC 規則對傳統擴大機的散熱片所訂的過分設計要求。既然 G 類放大是解決了兩組輸出級一起工作的問題,但卻引來了失真,這是下面要討論的。

(3)G 類的轉移失真

圖十一

 

圖十二



此類輸出失真即是發生在;由一對輸出晶體轉移到另一對輸出晶體時,所產生的轉移失真,這正類同 B 類擴大機的交叉失真,但 G 類所不同的,即在於它不發生在零電壓軸上,按照 G 類正常的放大當輸入訊號的波形如圖十一(a)時,輸出的理想電流波形則應如圖十一(b)所示,但事實不盡然,因為圖十中 Q1、Q2 的集極輸出波形將如圖十一(c)表示,而 Q3、Q4 的集極輸出波形應如圖十一(d)那般,但兩對輸出晶體在工作轉移之處,則會產生像圖十二的失真。

圖十三


此種失真的造成原因,是由於輸入電壓 Vin 必須超過 Q1 或 Q2 的集極電壓及一個 Q3 或 Q4 的基射極電壓(Vbe)的大小時,方能使 Q3、Q4 導通,因此當輸入訊號電壓的大小,介於 V1 和(V1+Vbe)之間時,Q3、Q4 尚未導通而 Q1、Q2 卻已經達到飽和,這就使得輸出產生失真,為了防止這種因工作轉換時所導致的失真,於是可以另外加入二極體 D1、D2、D3、D4 來改良(如圖十三),它的目的即在使 Q3 或 Q4 在未進入導通之前,不會使 Q1 或 Q2 達到飽和,二極體 D1、D2 可以是 Zener 或者電阻也可以,因為它主要在維持一個等於 Q3 或 Q4 的 Vbe 電壓降,另外 D3、D4 的作用,當輸入訊號低於 V1 時,Q1、Q2 的基──射極間為逆向偏壓,但一般電晶體的基射級電壓都很低,因此為了電晶體的基射極能容忍逆向電壓大於 V1,所以就採用 D3、D4 的連接方法來阻止逆向電流通過基射極,一方面保護基射極接合面,另一方面可防止失真的造成。

(4)G類與A類B類比較:

G 類與 A 類 B 類比較起來,A 類放大器的全效率均在20~30%之間,雖然 B 類它的效率可高至 65% 左右,但這個數值也必須是擴大機在額定輸出下方能達成,而一般較低程度的輸出,則不可能保持這麼高的效率,但在 G 類放大電路中,由於電晶體通常總是工作在最佳效率點上,即對音樂的重播而論,G 類放大器大部分的時間,均工作在 V1 和 V2 (90%以上),而只有極少時間工作在 V3 和 V4 上,同時第二對晶體管在不用時,處於關閉狀態,像類似這種傳輸訊號的方式,即可使每對電晶體很有效地被應用,因此它的系統全部效率可增加到 70~80% 之間,較之 A 類及 B 類為高。

各類依所需而善於運用

現在談論 A、B、C、D、G 類擴大機是很熱門的題目,而以上對各類放大均做了進一步的探討,每類放大的主要優點和缺點都分析過,結果是;有一優點就可能有一缺點相應而生,所以我們在 設計電路或選用擴大機時,都要根據實際需求來配合正確的類別,當然在音響的重播上,總要選擇低失真高傳真的方式為主。

文章轉載自:音響技術第21期SEP. 1977 A. B. C. D. G 類放大的比較/丁琳

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