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專題報導：E-2 綜合擴大機作者原文(中)
CatKing (貓貓站長)
2020/01/10 18:33 #1
專題報導：E-2 綜合擴大機作者原文(上)連結：
http://www.hitonaudio.com/forum_oneissue.php?category=diy&mi=2258
專題報導：E-2 綜合擴大機作者原文(下)連結：
http://www.hitonaudio.com/forum_oneissue.php?category=diy&mi=2265
站長代PO，本文作者：風清揚 <=(此乃筆名，不是華山劍宗那位...轉貼請註明出處，謝謝~^^)
E-2 綜合擴大機作者原文(中)
(文/風清揚)
E2：一個超過
10
年的計劃！
延續
傳承，精益求精。
1，我希望有精緻細膩的高頻。
2，我要低頻準確，不拖泥帶水，而且力道十足。
3，功率足夠。提供350W的高功率。
4，寛頻，至少是5Hz～100kHz，以應付愈來愈多的高解析度音樂。
5，線路穩定，經得起長時間的使用。
就醬！
説起來很簡單，但是整個線路規劃，零件收集，缐路微調到反覆試聽卻是超過10年的努力！許多零件的收集，甚至超過20年！
先談第一項：如何能夠做到高頻細膩？
從我實際的聆聽經驗：我覺得好聽的晶體擴大機幾乎都是採用FET，不論是JFET或是MOS FET，例如Audio Research D240，Mark Levison JC3(輸入級是FET)，Goldmund(輸出級是L-PowerMOS)，或是PASS A類(全機MOS)，甚至Ayre採用JFET輸入的OP⋯當然，最好能有兩級的FET採用，可以達到Cubic-Law transfer (如前所述：真空管或FET是屬於Square-Law transfer function，採用兩級自然就變成了Cube-Law 了)！而有關Cube-Law amplifier ，在網路上也可以找到一些論述資料，但是不是很完整，請小心閲讀之！比較完整的可以看一下Linear Audio 期刋。
很令我驚訝的是：當無意間研究我覺得比較好聲的晶體擴大機，竟然都和
FET
有關係！這就很耐人尋味了，是不是！
接下來談線路，晶體式放大器的線路通常大致分成幾個重要的組成架構：
1
，輸入的差動放大器：
E-2採用串疊式互補FET雙差動架構
，
穩定，效能好且低失真。
其實互補的FET非常難找！我曾經試過高價的超低雜音NPN/PNP複合互補型電晶體(THAT340)，但是不論怎麼調整，聲音都＂淡淡的沒有滋味＂！顯然的是規格上的性能並不能完全代表實際上的聽感，所以放棄採用bipolar transistors 做為輸入的差動級的作法。
我們採用了四顆超級配對的互補對稱MOSFET，由於在單晶上生成，因此配對性佳，溫度耦合也很好，低漂移，高穩定度，而且其Vt很低，只有0.6V左右，和一般的MOSFET 3～4V的Vt不同。這是專門給微小信號處理用的MOSFET，低雜訊，尤其是沒有POP-NOISE，和一般用於工業控制的VMOS不同。我在每顆的Source(源極)串聯了一個小電阻，以增加其線性區域，實際量測也證實這四枚源極電阻可以降低失真。
加上了串疊(cascode)放大：在MOS之上加了電晶體組成串疊放大，將這一級的頻寬延伸到最大，而且降低了輸入差動級MOSFET的工作電壓，可以避免MOSFET因為熱而產生熱躁音(不過在功率放大器好像並不嚴重！)。
至於串疊的理論，可以翻一下電子學，或者，讓我告訴您：Dr.Leach 的 Super amplifier，Audio Research，Goldmund，⋯通通有串疊。
雙差動採用了恆流源供電，以提高整體的信號及電源的共模拒斥比(CMRR，PSRR)，我認為這是成就一個好的，穩定的機器所必須要的。本來我設計了一個複雜的帶溫度補償的恆流源，後來覺得沒必要，就採用簡單可靠的架構吧！
這一級的電流設定在4mA，根據其gm推算，本級的増益大約是4倍左右(12dB)。
2，
電壓放大級：
超級元件採用
第二級是傳統的共射級電晶體放大器，但是後來我多加了一個電晶體作為保護之用，當功率大到某個程度以上，完整的保護是非常重要的。
這一級的元件是非常重要的，因為它工作於非常寬的電壓擺輻(此處為～120V)，而且提供整個放大器的主要增益(約54dB)，所以必須要挑選高耐壓(>150V)，低Cob，有足夠的集極功耗(>1W)及高線性的電晶體。而通常，這些條件是互斥的！
我認為這一級的最佳選擇就是2N3439/2N5416，只是幾乎停産而且價錢貴到爆！(不要上eBay買，很多都是假的！)請吿訴我為什麼好聲音的元件不是停產就是天價！
這級的射極，被我拉回授到第一級差動放大的另一個輸出端，這個特殊的接法我在SF106N也用過，這樣算是最短距離的級間＂輕負回授＂，對於提升整體線性很有幫助。相信您也不會反對！
當然這一級必須要做主極點補償(dominate pole compensation)，從模擬來看，大約可以用22pF，這樣大概可以維持55度的 phase margin ，足夠的穩定，我必須要確保擴大機在任何情況下都不能產生寄生振盪！
以這樣的數值來計算本級的廻轉率(SR)大約在200V/uS 左右，非常足夠了！
您可知很多的＂名機＂，輸入端都是OP(例如Ayre採用OP445)，大量的負回授不說，SR也頂多15V/uS 而已！
3，
輸出晶體的推動級：
高線性高頻寛元件採用
我採用了連續兩級的晶體式射級隨耦器，然後推動輸出級的L-Power MOSFET，很多人都以為MOSFET具有近乎無限大的輸入阻抗，所以不需要所謂的驅動級，而我卻用了兩級(達林頓)來驅動！
我在模擬的時候發現：採用2級的驅動(加上功率級一共有三級)的方式有比較好的phase margin，這表示比較穏定，不容易引起高頻振盪。而且可以降低前一級的負擔。再者，如果您偏好電晶體的聲音，也可以把最後的PowerMOS 換成雙極性電晶體，以體驗不同的聲音(可惜腳位不相同，屆時會出另外一版本PCB)，不用擔心驅動電流之不足！
推動級必須要能夠承受很高的電壓及電流變化但是卻能夠維持很好的線性！而我偏向於採用歐洲或美國製的電晶體(ON-SEMI)，以期整台擴大機的聲底儘量偏向＂歐美之音＂！
4
，功率管：
Lateral PowerMOS
採用
這是推動喇叭電流的主要來源，我採用了很特別的水平型PowerMOS(Lateral PowerMOS FET)，而不是目前流行的各種垂直型MOS(像是PassLab的機器)。而且功率管採用兩對並聯，理論(Spice simulation)及實測的結果都顯示採用兩對並聯可以得到比較好的失真及驅動力！尤其是應付低阻抗的喇叭時。
Lateral PowerMOS 是專為音響而開發的MOSFET，其Vt很低而且具有正溫度係數(電流在100mA以上時)，Vt低，可以有較低的交越失真⋯不過，MOSFET在subthreshold 區域其導通情形是線性的(原則上是和Vgs成正比)，因此不會產生和電晶體那樣的交越失真，這⋯很可能是MOS和雙極性晶體聲音不一樣的原因之一。
正溫度係數則可以避免像電晶體發生熱跑脫(thermal runaway)的情形，因為溫度愈高，Vt卻上升而抑制了電流的上升，因此沒有一般的電晶體或垂直型PowerMOS 會發生熱跑脫的狀況！
另外一個重要的特性是沒有Second Breakdown( 二次崩潰)，這讓Lateral PowerMOS 在某些情況下的安全工作區SOA(Safe Operation Area)比高於二倍規格的雙極性電晶體還要大！在許多的參考文獻(例如：＂High Power Amplifier Design Manual＂一書)都表示Lateral PowerMOS 幾乎是不可摧毀的天生結構。參考2SK135的SOA在100mS的脈衝下100V時依舊可以容忍2A的電流，這竟然比2倍規格的MJE15024(16A/400V) 還要大1倍。所以本機採用了二對160V/7A的L-PowerMOS，如果改成電晶體，可能要用了3～4對的250V/16A的雙極性電晶體(MJE15022/MJE15024)來取代才行。
當然最重要的是：聲音非常好，非常細膩，具有管味而且出力十足！然而不幸的是，這種東東也是
貴，(n個貴相加)，而且愈來愈少了！
您聽過Goldmund 的聲音嗎？喜歡嗎？它就是用這樣的元件。
我手上有少量的
2
SK135/2SJ50
是
160V/10
0W/7A
的好聲極品，這些是我當年
(2003
年
)
買下來屯積的，早就停止生產了！網路上的
NOS
單價可能高達
2000
元一顆！可惜我手上數量不多，您可以在下單時註明，賣完就沒了。
(
每台擴大機需要
4
對，所以光是這
8
顆
L-
powerMOS
就價值不斐了
)
水平型的PowerMOS還有一個重要的特點，就是高頻，其互導(Transconductance)可以直達1MHz以上而不衰減！而且甚至隨著電流增加而增加，因此其等效的增益頻帶寛(ft：gain bandwidth product)非常的高，往往高達250MHz，幾乎是雙極性電晶體的十倍，而且其輸入電容Ciss也非常低(600pF，只有MJE15024的五分之1)，是一種頻寛很寛的元件。採用兩對並聯的方式，其輸出電流可以高達14A，暫態甚至可能高達30A，低頻絶對不是問題。
註
：雙極性電晶體的ft是電流增益和頻率相乘而得到的數字，而且ft通常會隨著電流而改變，例如MJE15024的ft＝4MHz，而當時的hfe=50，則表示其頻寛只有80kHz，這比起MOSFET是差很遠的。而MOSFET的截止頻帶寬，大約可以由以下的公式推算：ft=Gm/2丌C，MOSFET往往有電流愈大gm愈高的趨勢，因此其ft會隨著電流的增加而上升。
我將功率級的電流設定在0.2A(每顆晶體0.1A)，讓擴大機工作於低失真的AB類，當然，您也可以提高電流到每顆晶體0.3A，這樣可以讓5W以下維持A類的輸出，超過5W才會成為AB類，在一般的聆聽音量下擁有A類很好的聲音。
5
，
保護電路：
當擴大機的功率高到某個程度，您的喇叭貴到某個程度⋯完善的保護是非常重要的！
本機的保護措施如下：
1：開機緩起動保護，避免喇叭承擔開機時的衝擊聲
2：過電流保護，用來保護功率晶體免於過電流的損害(例如輸出不小心短路)
3：直流輸出時的喇叭保護。避免喇叭受到直流的傷害！
4：正負電源保險絲熔斷保護。(萬一機器內部發生了不正常的狀況，這是最重要且最可靠的保護)
5：PowerMOS Vgs閘極過電壓的保護(
12V)。保護昂貴的PowerMOS！
6：擴大機輸入端防靜電保護。防範cable discharge ESD破壞了輸入端的FET。
希望這麼多的保護能讓擴大機穩定如槃石，安全可靠。
線路結構：FIG1 是主放大器的線路圖(一個聲道)。不過不含電源緩起動及喇叭保護的線路。
我通常會在文章中公開線路圖，而且是正確的圖，只要您照著圖打造，是一定會工作的，致於效果如何？則牽涉到PCB佈線的方式及裝機的技巧，這是因人而異的！
而圖上的許多零件數值，我也不建議您隨意的更改，因為很多元件，都是深入思考反覆模擬，最後經過實驗的驗證才決定的，除非您有絕對的把握，否則不要輕易更換或是修改。
我是希望獨樂樂不如與眾樂樂！希望好的設計，讓大多數的人負擔得起。
我所認為的好機器是在最好的音質要求下亦要經得起時間的考驗！10年丶20年、甚至30年⋯機器的音質要能維持一定的水準品質。要做到這點，很多零件可能就必須採用長壽命或是軍規的製品！
有人說做這樣的機器是不會賺錢的，因為用不壞啊！消費者只會買一台！這是商業利益和道德良心間如何平
間如何平衡的問題⋯⋯(待續)
專題報導：E-2 綜合擴大機作者原文(上)連結：
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randy (randy)
2020/01/09 17:30 #2
這台擴大機不簡單....
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貴，(n個貴相加)，而且愈來愈少了！
12V)。保護昂貴的PowerMOS！
