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March 30, 2017

SFX-301 的設計與製作

SFX-301 的設計與製作 (文/李孟育) 本文經原作者李孟育先生授權刊載，轉貼請註明出處，謝謝。

如何評斷擴大機聲音的好壞？知名品牌的擴大機聲音一定比較好嗎？摒除品牌價值外，＂以聲論價＂真的值這麼多錢嗎？還是你付担了他們的廣告費，通路費，經銷商和代理商的利潤…。

不管怎麼說，廠機也是人組裝的，最好的機器當然會強調全手工。賣你那麽貴，打開一看沒有什麼High-End零件，他們解釋說：其實那是調音秘密⋯⋯
既然如此，那麼為什麼不能自己＂純手工＂打造一台High-End的擴大機？用自己覺得好聲音的零件裝一台理想的機器，不但好聲，重點是不需要花到6位數新台幣。

真空管好聽，因為有其特殊的韻味，學理上，真空管的轉換函數是平方型，其二次諧波較奇次諧波多，相較於晶體是指數型的轉換函數，奇次諧波較多！而偶次諧波一直被認為聲音較為柔和自然。

好吧！我們設定此大功率管機的條件如下：
1：聲音好為第一考量。
2：至少要有30W以上的輸出功率。足以應付一般的中效率的揚聲器。
3：採用常見的管子。讓大家容易換管，也比較有可玩性。
4：儘可能好組裝。提供高品質PCB，而不要用搭棚的方式。
5：提供4，8，甚至16歐姆阻抗輸出。可以配接LS3/5a之類的高阻抗揚聲器。
6：精挑的零件。

管機的聲音要好，有幾個重要的因素，撇開線路(其實管機的線路大同小異，各種不同線路都可以調出好的聲音)，變壓器的品質很重要，真空管的挑選很重要，主要電阻電容的品質很重要，PCB佈線很重要，當然，有龜毛者，焊錫的品質及烙鐵的溫度也很重要。

功率管的選擇：
比較KT77，KT88，6550及KT90，甚至KT120/KT150的聲底，坦白說：我偏向喜歡EL34/KT77的聲音，整體而言比較細緻，當然KT88比較有Power，KT90好的管子太難找⋯(我喜歡的EI，卻已經停產多年，二手價太貴了)。

而KT120/150則偏向於更大功率的訴求⋯⋯想來想去，決定了EL34/KT77，當然您也可以換KT88或6550體驗看看，只要更換陰極電阻即可。

輸出採用推挽式的結構提供了大的輸出能力，通常以2隻EL34採用超線性的方式可以做到25W~30W的輸出，若是採用KT88則可以達到40W，甚至Mcintosh 275 採用特殊的變壓器加上陰極廻授的方式可以做到75W的輸出！然而線路太過複雜，回授加得很深，聲音則是見仁見智了！
先選定功率管是很重要的，這決定了全機的線路架構、輸出功率、電源容量⋯等等。

電源容量：
由於採用AB類的設計，因此靜態消耗不至於太大(其實還是很大)！但是為了應付穩定的全功率輸出，電源的設計同樣很重要，最重要的是變壓器的容量要足夠，在應付大動態的輸出時也能夠維持相對穩定的電壓，如此一來因為電壓變動而引起的失真就會降低；在理論上如果有個無限大容量(內阻為零)的變壓器，那麼無論電流如何變化，電壓都不會改變⋯但是這不可能，因此在無限大和＂剛剛好＂之間只好做一個選擇。何謂＂剛剛好＂呢？以本機來預估，大約是160VA，我則希望採用將近2倍的電源容裕度(最後決定用310VA)！
採用高一點的電源容量也考慮到萬一您想換用更大功率的KT88，也不必耽心電源不夠力。

線路圖：

線路圖如Flg1，這是一個聲道及電源部的圖，坦白說這樣的線路網路上到處都是，真空管擴大機已經發展了超過70年(1947～The first Williamson amplifier)，而自從第一個三極管被發明至今，已經110年了(1907~)，這麼長久的日子裏，什麼樣的線路都有人作過⋯但是要如何逐一測試/修改線路及元件以取得最佳化的設計？那就要耗費時間去了解，去電腦模擬，去實作測試了。在High-End的音響系統，往往改一個零件就會對聲音有決定性的影響！
好聲音是每一個元件都要經過仔細的考慮，要考慮很多客觀環境的變動對音質的可能影響：例如振動、溫度、電壓變動等，除了音質之外，還要考慮元件的可靠度(reliability)，尤其是高溫度下元件的變異，很多的電容器，在高温的情形下，其耐電壓/容量及使用壽命都會大幅減少，我也儘量不去採用一些難以取得的怪異的元件以免形成獨一無二的詭異的聲音⋯。

管機的設計必須要考慮剛剛開機時，所有真空管都尚未導通工作時各點的承受電壓及工作一段時間後高温對所有元件的影響。而這兩點，電腦模擬都不容易做，很多零件更是沒有提供高溫的參數⋯因此，不斷的實驗及測試就非常重要。

第一級採用ECC82(12AU7)，放大10倍(20dB)左右，第二級是ECC83(12AX7)，放大30倍(30dB)左右，這樣的架構也有笫一級採用ECC83而第二級是ECC82的做法，各有好處。
最後一級功率管是EL34(或是KT77)，採用超線性(Ultra Linear)接法，在功率和失真上求取一個平衡。而偏壓的方式則採用了自動偏壓(自給偏壓或稱為陰極偏壓)，雖然，採用柵極固定偏壓的方式可以提供較高的輸出功率，但是當真空管不斷的老化，或者是換新管時，此柵極的負偏壓都需要不斷的調整！這似乎不是一般人做得到的，奇怪的是，科技如此進步，怎麼沒有人做個自動偏壓偵測/調整的線路⋯這樣不管用什麼管子或老不老化，偏壓一旦設定了，就能夠自動調整⋯多棒！

言歸正傳，雖然是自給偏壓，也有不同的接法：第一種是兩個陰極各自接一個陰極電阻然後各並聯一個旁路電容再下地。第二種是兩隻功率管的陰極直揞相連，再接一隻電阻下地，當然這個電阻也要並聯旁路電容。

第一種做法號稱管子不用配對，反正有各自的陰極電阻。但是事實上由於推挽式的輸出變壓器能夠容許兩個屏極的直流偏差非常有限，通常在7～10mA而已！我們假設功率管的偏流設定在60mA，則兩個功率管如果超過12%的特性偏移就有可能會超出變壓器能夠容忍的規格而造成磁飽和！而很不幸的是，那隻高功率的陰極電阻通常只買得到誤差為5％的等級，也就是在最糟的情況下，兩隻電阻的相對誤差10％就已經逼近最大誤差12%的規格了，真空管必須配對在2％以內，且隨著時間的衰老其誤差要維持不變才行！因此這樣的設計，並沒有考慮實際製作時面臨的零件極限。

第二種方式由於只有一隻陰極電阻，因此電流的誤差完全取決於真空管特性的差異，因此大約可以容忍10%左右的管對管誤差，缺點是這隻陰極電阻會很熱，因為兩個管子的陰極電流都流過它！粗略的計算這個電阻會消耗3.5W的功率，如果只用一個10W的電阻，勢必燙到可以熟蛋！但是並不會馬上燒壞，但是長時間的可靠度卻是很有問題！很多便宜的管機，通常就便宜行事，賭您不會在保固期內燒了它⋯我採用了2支10W的電阻並聯，功耗分散到2枚電阻，增加了一倍的散熱面積，也減半了每個電阻的熱消耗，因此降低了溫度，提高産品的可靠度，付出的代價當然就是＄＄＄。

如果採用KT77(EL34)，這個電阻上的電壓大約是28V，以兩個470歐姆的電阻並聯可以得到235歐姆，28V/235=120mA，分給兩個功率管，每個功率管為60mA，如果屏極電壓400V(假設嘛！)，減掉剛剛陰極對地電阻的28V，400－28=372，因此功率真空管的屏耗(其實正確的説是屏極+簾極的總消耗)=372x60＝22W，距離KT77(EL34)容許的最大屏耗+簾極損耗=>25W+6W=31W還有一段距離(只用到70%)，足夠安全。當然，這是靜態消耗，當大輸出功率時，屏耗還會再增加一些。

本機採用AB類工作，20W以下是A類，超過了才是AB類。

另外，功率管的柵極(Grid)輸入，我加上了防止振盪的電阻以及簾極(Screen)也串聯一個電阻以保護功率管，確保簾極的電壓不會高於屏極。功率管是很昂貴的元件，需要好好保護。而這個電阻的大小，和失真有點關係，1K歐姆左右應該是最小失真的數值。

燈絲：
功率管的燈絲該用直流還是交流呢？坦白説我偏向於交流點燈(交流燈絲的聲音比較活)，有一些理論談到燈絲以交流供電的好處，包括燈絲的電位不會偏一邊，燈絲的電位和聲音有絕對的關係，將燈絲接上不同的電位，可以測得失真不太相同！而燈絲相對於陰極偏壓也影響了真空管的壽命！想不到吧！

交流點燈最大的風險就是哼聲的問題，由於功率管本身的放大率不高，而且處於最後一級，因此預估影響不大，但是前面的2級ECC82及ECC83的燈絲就不能用交流了，為了哼聲的考量採用直流而且經過穩壓，本機更是每個聲道獨立穩壓。實測的結果很令人滿意的，耳朵靠近喇叭也不太聽得到哼聲。

整個線路的高壓電源由315VAC經橋式整流再經過CLC的濾波回路(大C小L)，沒有採用真空管整流是希望營造比較現代感的聲音，因此採用半導體整流，我採用了1000V/6A的製品，其瞬間峰值可以達到175安培，以承擔開機瞬間的高壓對空的大電容充電而産生的強大脈衝電流，而且加入了NTC，以減低開機時的衝擊電流。而且由於採用比較大的濾波電容，因此低頻的動態及能量感是可以期待的。採用半導體橋式整流的另一個好處是高壓變壓器只要一個300V的繞組即可，如果採用真空管的全波整流，往往需要2組500V(500V～0～500V)合計1000V)的高壓繞組，如此高電壓(Vpp超過2800V)實在對變壓器的絶緣度及耐用度是個考驗，而且對DIY的人身安全也要非常小心⋯。

回授的部分：
從輸出變壓器输出抽頭處接15k的電阻回授到至12AU7的陰極，整體增益為15k/470=31倍(30dB)。回授量為20dB左右，算是輕回授了。

為了控制整個增益的穩定性，以避免不必要的振盪發生，在回授電阻上並聯小電容(68pF~100pF)做一些相位補償！這個電容器不可因為小容量就品質隨便，要注意很多陶瓷電容，其容量會隨溫度及施加的電壓而改變，當然，最好的是雲母電容，只是有貴。本套件當然是用貴的。

我在輸入的部分加了一個平衡式的端子，當本機做為純後級時可以採用平衡式的輸入！這是非常高檔的機器才有的配備，但這時候只能當作純後級用，因為音量控制已經被旁路掉了(By pass)。由於RCA及平衡端子只能擇其一，裝之前必須先決定！裝好了就不能改了。

組裝：
提供PCB，因此組裝上是很方便的，從低矮的電阻開始裝，我的做法是正面先焊，這樣翻面時零件就不會掉下來，然後背面再焊一次，這樣兩面焊接可以確保焊點牢固。一定要注意電解電容器的極性，裝錯了會是災難，沒有把握就比對照片。儘量採用恆溫烙鐵及品質好的焊錫(WBT，Silvertec， Mundorf 都是不錯的牌子)。如果是採用無鉛錫，則烙鐵的溫度要高一些，大約380～400度C比較好焊，我的經驗中，採用含銀及銅的錫是比較好焊的，品質也很好。

輸出變壓器的抽頭部分，黑色地線當然一定要焊上，其餘的8或6或是4歐姆的抽頭則是選擇一個最適合自己喇叭阻抗的抽頭焊在板子上即可，而剩下的未使用的線頭，以電工膠布各自纏好並且固定好，彼此不要短路了即可。輸出變壓器的次級採用直接焊接而不採用連結器是為了降低接點阻抗，高功率的擴大機流經喇叭的電流很大，尖峰電流可能超過4安培！連接器的接點阻抗會造成不必要的損失及失真。

全部焊完後請一定要清一下PCB的表面殘留松香或焊錫屑。

整理一下焊接時的注意事項：
1：從低矮的電阻先裝，兩面焊。
2：4隻470歐姆/10W的電阻要架高焊，離開PCB 5mm。
3：電解電容的極性千萬不能裝錯。LED的極性不要弄錯，長脚為正極。
4：管座放平，先在正面(零件面)焊住，管座不平將來真空管會歪歪的。
5：橋式整流及LED也不要插到底，離開PCB 10mm的高度。
6：VR，RCA座要插到底，焊平。
7：MC7812穩壓IC一定要加上絶縁片再鎖緊散熱片，以避免散熱片和銅箔走線短路。
8：不要冷焊，根據經驗：80%的DIY不成功都是冷焊。
9：要清除殘留的松香及焊錫屑。
10：KT77的管座有方向性，確定再三後再焊。

開機：
1：先不要插上真空管，接上直流電壓表(黑色探棒鎖在黑色喇叭端子上，紅色探棒去接觸TP)，然後插上電源後⋯開機再馬上關機！藍色的LED會被點亮，藍色LED代表高壓電的存在！電壓表㑹顯示超過400V的高壓，隨著LED放電，此電壓㑹慢慢下降，…
聞一下有沒有不正常的味道！如果沒有怪味，至此一切正常。
2：開機，量一下4個小真空管的第4及第5腳之間的電壓是否為直流12V左右，這是燈絲電壓。
3：以電表的交流電壓檔量一下KT77的第二腳及第七腳之間的交流電壓，應該是6V左右。
4：量測TP8及TP6的電壓，應該在450V左右。
關機，等藍色的LED熄滅(約5分鐘)，插上真空管，在喇叭端子上接上8歐姆/10W的假負載電阻並且將音量轉到最小，然後開機，藍色LED會先被點亮，約10秒後，琥珀色的LED會被點亮，這枚LED點亮表示小真空管已經正常工作。
5：以電壓表AC檔量輸出端的交流電壓，應該是0V，表示沒有不正常的振盪！再以DC電壓檔量一下確定也是0V，表示沒有直流輸出。
6：關機，拆下假負載，接上喇叭及訊號源，開機，轉開音量，應該可以正常唱歌。

喇叭阻抗的迷思：
喇叭的阻抗並不是一個固定的數值(除了一些很特殊的平面振膜系統)，通常是隨著頻率的改變而改變的。標稱的15歐姆只是個參考值！google一下LS3/5a的阻抗曲線就知道了，整條阻抗曲線只有在2kHz那一個頻率是15歐姆，其他頻率都不是，很多地方低於10歐姆，但是在低頻還高達34歐姆！

管機的輸出變壓器肩負著功率傳導的任務，只要選擇正確(譬如説接16歐姆的抽頭來推動15歐姆的LS3/5a，會相當於80瓦以上的晶體機去推動的感覺，這是由於晶體機的標示功率是以8歐姆的負載為基礎，阻抗加倍，功率就減半了。因此以80W的晶體機來說，接上15歐姆的LS3/5a，功率就只剩下40W，更糟的是LS3/5a在許多頻率的阻抗都超過32歐姆，80W的晶體機只剩下20W了。所以很多人會覺得LS3/5a很難推，用很大功率的擴大機才能推出低音！但是不要忘了其低音喇叭的承受功率也才30W而已。以現今的觀點來看，⋯唉！不提這個。

詳細的組裝說明在說明書內都有清楚的描述，我們把難以組裝的推挽式真空管擴大機經過巧妙的規劃安排後變得容易組立的DIY型態。讓裝機者提高成功機率。
由於本機完全無可調之處，因此只要不裝錯，一定㑹成功的。

更換真空管：
EL34可以直接以KT77替換，而如果要改成KT66/KT88或是6550，請將那兩枚470/10W的電阻換成820歐姆/10W。而第一級的ECC82可以換任何12AU7相等的管子，第二級的ECC803可以換ECC83或12AX7相等的管子。而套件附的金腳ECC82及長屏極的ECC803是很好的管子。管機迷人之處其實換管也是，找尋一個屬於自己的喜歡的音色的管子，也是一種成就。

另外就是4個0.22uF WIMA MKP的交連電容器，可以換成紙質油浸電容(paper in oil capacitor)，只是很貴，早年生産這類電容多採用＂多氯聯苯＂為其油浸材質，因為其品質非常穩定，耐各種高低溫⋯無奈毒性太強且對環境傷害太大而早已經禁用了。

Mundorf 有一款金銀箔油浸電容(MCAP EVO Silver Gold Oil)是我喜歡用的，聲音很好，價錢也在可以接受的範圍，以0.22uF/450V的來説，大約40美金一個。就這樣換換零件，換換線材，再聽聽看聲音有什麼差別，是音響有趣的地方，也是一種學習的過程。

試聽：
本機的性能非常的好(因為大部分時間都工作於A類)，在20W輸出時，失真仍然低於1%，而10％失真時輸出可以到達35W！以真空管擴大機來説，是非常優秀。

須留意的是接上喇叭後再開機，可以避免無負載下機器容易振盪而毀了功率管的危險，管機是需要熱機的，實測也顯示熱機以後的失真是比較低的！

我接上Dynaudio C1 喇叭，Linn LP12唱盤，光悅(KOETSU)的唱頭，MC唱頭放大器也是自己裝的，放上喜歡的黑膠⋯好好享受這迷人的頂級類比之聲。預祝大家裝機成功。

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