SPEEDO高速併联稳压
这几天,几乎每天都在MSN Messenger上跟美国的Steve Sun兄讨论DZ未来的设计走向,有时Steve会贴几张管机电路来一同讨论,这些电路,大量的使用了串叠Cascode、差动、恆流源、恆压源,几乎所有「现代晶体」电路上会看到的东西都出现了,只是主动元件从晶体、FET改成真空管罢了……正当我笑着说这些电路真是用尽了现代晶体电路的设计手法时,赫然发现电路的设计年代可是早得很,早在1940年左右,这些我们眼中非常高竿的电路设计技巧就已经诞生,而且,用得还非常好!
只是,很多人根本没看过,还以为自己看遍天下的电路,唯有自己拥有最好的创意与规划,殊不知,所谓的创意,或许早就在几十年前就已经被使用,或者讽刺的说,被淘汰……真正禁得起岁月淬练的好电路、好架构,从真空管到电晶体、FET、MOSFET、OP,始终存在,所不同者,如何善用这些架构,设定最好的工作点,更进一步的,利用手边可以取得最好的零件,想想该怎么调理、调理,进行最大效益的发挥。
四年来,我们花很多的力气去试着扭转DIY圈子过度依赖发烧零件的观念,DZ的立场,从来不排拒发烧零件,但我们更期待DZ的读者能够懂得基础的重要性,一部好的扩大机,优异的设计佔去了90%的要素,而剩下10%的变异性,则有赖于零件的运用与调校,但别忘了,这10%也跟每个人的品味有关,并非昂贵的零件就能产生优异的声响,不是吗?
千万别低估经典电路的能力
从DZ推出第一个套件开始,就不断的有读者批评「DZ的设计缺乏创意」、「那是几十年前的老电路」,对DZ来说,当然可以推出更多奇特诡异的电路,并自以为创意,但一如我们四年前担心大家光是玩发烧零件而忘记电路的本质,此刻的DZ,也忧心DIY玩家(特别是刚玩没多久的朋友)误以为电路非得诡异创新不可,而忽略许多真正优异的经典设计,而一味盲目追求这些所谓创新复杂的设计,恐怕也只是损伤荷包,对于把玩音响功力的提升,毫无助益。
DZ的立场,一直是非常明确的,我们鼓励各种声音的出现,无论你是电路玩家或发烧零件的爱好者,都欢迎利用这个园地发表心得、互相切磋,获得彼此最大的提升,但是,我们更期待无论是哪一边,都别轻易低估另一边的实力与经验,DZ是个音响玩乐的地方,不是金庸笔下的华山派,可别为了剑宗、气宗的意气之争伤了彼此和气,大动干戈!
SPEEDO高速併联稳压为什么快?
从我开始玩音响DIY开始,併联稳压一直就是一个很大的梦想,不过以当年的经济能力来说,实在无力负担这个高档次的东西,让我们先看看下面这个电路:
最早期的併联稳压,多半出自下面这个版本,也就是STAX在Hi-End机上使用的稳压电路:
这是併联式稳压第一次出现在「音响技术杂志」,这个电路来自STAX的Hi-End机种,据说当年售价高达4000美金的等级的前级。当这个电路公布在日本MJ无线与实验杂志后,曾经在全世界掀起一股仿制的热潮,时至今日,那个前级的放大电路几乎没人提起,反而是这个併联稳压,成了最多人讨论的重点。
併联稳压跟串联稳压(DZ的MOSFET、LTPWR、OPPWR、DAC稳压,都属于串联稳压)的差异在哪里?光看电路可能不容易理解,如果告诉读者要看「负载与稳压」的关系,可能更模煳,我一直想啊、想啊,要怎么来解释呢?想了很久,突然想到最近的梨山大火(森林火灾):
要扑灭森林大火,你觉得应该怎么办?是拿一个消防水管拼命的沖吗?如果拿消防水管来灭森林大火,这个速度可能真的很慢,因为你得靠消防车上的空压装置(PUMP、帮浦啦)来送水,这个帮浦的力道,决定扑灭大火的能力,如果帮浦的力道不够强劲威勐,那这把火可能永远浇不熄。
不过还有一招更厉害的,用洒水飞机!有没有看过Discovery上的影片?洒水飞机先飞到河边、海边去大量汲取水量,然后很努力的的飞到森林上空,趴搭一下,把所有的水倾盆而下倒入森林,没两下子,这个森林大火就会扑灭了!
在上面这个例子中,森林大火,可以想像为音响中的「负载」,而用消防水管的灭火方式,就是串联式稳压,至于那种飞机载水灭火的作法,则是併联式稳压。併联稳压的「灭火」效果一流,不过想想,实在很喘,你得很努力的去汲水、很拼命的花许多汽油飞到森林上空,但想到那痛快的「浇熄森林大火」,这些努力,显然值得。
如果你是一个不计任何代价,觉得浪费一点电力也无所谓、觉得功率电晶体热唿唿也不要紧的人,请继续看看这个併联稳压,利用这个又吃电、又发热的併联稳压,将可以让扩大机或DAC工作于最优异的电源下,获得最佳的声音素质。
简单快速电路分析
刚刚提到,在音响技术杂志第一次提出这个併联稳压电路时,我实在没有能力购置装配,那仿造呢?也很难,因为当初就已经引进了LM334这个恆流元件,偏偏这可不是一般人能够买得到的东西,所以还是只能看着电路发呆。
大概过了两年后,音响技术重新改版併联稳压电路,以FET取代了LM334,乍看之下解决了找不到零件的问题,不过挑起FET却很辛苦,我们得乖乖的挑选足够Idss电流的FET才行,如果差异太大,也会导致正负电压的调整幅度差距太大。尽管如此,我当时还是弄了万用板硬是搭了几个併联稳压来用,嗯,快速俐落,音质表现一如其客观特性,难以忘怀。
最后一次玩併联稳压,则是在大学时,刚巧碰上音响技术的作者黄世昌(DZ收录不少黄先生的作品,都非常的精彩,推出一个併联稳压套件,价格合理(其实应该说是因为大学兼家教的收入多了),更特别的是,他採用了OP来作为误差放大(我比较喜欢称为「误差校正」,机动校正输出电压,这样比较容易理解),实际聆听起来也不错,但给我一个感想:「误差放大」的形式将会主导放大器的音质走向,当误差放大使用OP时,整体音色走向比较倾向OPPWR那种稳压形式。
既然DZ要推出併联稳压,如果搞出来的声音跟OPPWR差不多,那意义可能并不是很大,如果要追回我当年的美好回忆,那种几乎没有毛边、清新明快、低频实体感完整的声响,我想还是得以「差动架构」来作为「误差放大器」比较适合,提供另一种不同的风味。
决定架构之后,我们将电路绘制出来,分别针对正电压与负电压绘制这个电路,注意,这个电路左侧的整流与滤波并没有标示出来,在实际的电路上,我们採用正负电压独立滤波整流的作法,也就是所谓的「双桥整流」,因为接地处也经过了滤波整流,而非直接从变压器中点直接拉出,因此可以获得很低的杂讯与涟波干扰。
正电压端的电路如下
负电压端稳压电路如下
相较于过去DZ的几款稳压,这个电路略微复杂,不过当我们切割起来看时,就很容易理解。稳压区隔为两大部分,第一部份是所谓的恆流电流,这部分提供一个稳定的电流,电流当然是要给负载,也就是稳压后面接的DAC、前级….使用的,不过,在串联稳压中,是负载要多少、稳压给多少(想想用消防水管灭火的观念,火多大,水就得浇多少,但要是帮浦不够力?);但是在併联稳压中,却是一开始就把电流准备得好好的,你要10mA,我就先准备100mA,就算你一瞬间需求爬上30mA,我还是游刃有余。
但话说回来了,如果负载只要10mA,稳压却提供了100mA,那多的90mA怎么办?总不能逼负载吞下去,于是乎,我们利用Q7来吞下这个多余的电流(以正电压电路为范例讨论),因此Q7跟负载(再强调一次,稳压的负载,就是前级、DAC)是併联的,反正一共就是100mA,要嘛就是Q7吞下去,要嘛就是负载喝下去,反正大家轮流吃来吃去,但因为电流已经准备得好好的了,所以随要随有,不像串联稳压,要吞下几mA,还得先去开开水龙头……..
併联稳压的第二部分,就是所谓的误差放大,说真的,我比较喜欢用「误差校正」来称唿,因为你讲误差放大,很容易造成误会,我们稳压就是要稳、稳、稳,怎么会弄出一个放大误差的东西?这个翻译可能并不是太好。
误差校正,顾名思义,就是要把输出电压的变化抓出来,然后快速的修正,这才能称为稳压。注意,电压之所以会变化,有几个可能性,除了墙壁上的AC电压会波动之外,负载也会造成电压的变化,而误差校正电路,就是会随时追踪输出端负载对电压的影响,然后进行快速的平衡、维持在一个原始的设定点上。说穿了,其实稳压就是一个放大DC直流电压的放大器(这对刚玩扩大机的人来说可能无法理解),而这个误差校正放大器,也就会决定稳压的音色表现。以本电路来说,採用差动放大+电流镜的架构,提供相当高的增益来负责放大直流的工作。
电压的调整幅度
对DIY玩家来说,最关切的,应该是SPEEDO高速併联稳压能够提供多少的电压调整范围?首先我们看看,SPEEDO高速併联稳压的输出电压调整机制在哪里?请参考电路图中的R17与R7。R17是一个500欧姆的可变电阻,利用这个可变电阻的调整,我们可以控制LM334的输出电流,而这个输出电流就会反映到R7这个电阻上,当LM334的电流提高时(VR的电阻降低),R7上的
电压降提高,而R7上的电压提高之后,输出电压也就会随之升高了。
调整的关键在哪里?就在LM334。过去,我们可以使用许多方式来控制电流多寡,譬如FET,但FET必须先挑过,或者使用晶体搭配二极体、电阻构成的恆流源,但这会造成电路的复杂化,衡量目前能取得的电子元件,LM334应该是最容易取得、性能优异,价格也合理的,一个电子零件能存活十年之久而依旧被广泛的使用,必有其道理。另外,因为在讨论区公布时,也有网友提到LM334会影响併联稳压的速度?其实这是一个绝对错误的观念,刚刚提到了,基本上稳压可以视为一个直流迴授放大器来看待,而直流放大器的速度(Slew Rate迴转率)其实决定于放大器的架构与设计,在这边,放大器就是差动+电流镜,LM334仅是提供参考电压所需的电流,要求是够高的阻抗(理想的恆流源,追求高阻抗;理想的恆压源,追求低阻抗)。
LM334原厂资料连结有兴趣的朋友,不妨去下载LM334的相关资料,就会发现这实在是一个非常好用的元件,只要用一个小电阻就可以获得你想要的电流,而且还非常的稳定呢!假设跨在LM334上的电阻为R,则LM334能提供的电流为68.1/I=R,其中R的单位是欧姆、I的单位是mA,所以当我们使用R为34欧姆时,可以获得2mA的电流。我们可以发现在DZ的稳压中,使用不少的34欧姆,其实就是用来让LM334提供2mA的电流。
立民兄,LED怎么不亮了?
DZ这个版本的併联稳压是由网友Johnson所Layout规划与试做,他的龟毛,相信大家都可以从PCB照片上的佈局看出来,兼顾工整与功能性,实在不简单:
Johnson试做版本的照片,绿色的端子比较丑,但这试制品,实际仍以下图的蓝色高品质端子为主:
当我们在DZ第一次贴出这个第一次贴出这个照片时,读者的反应很有趣:「那个绿色的端子台很丑」,哈哈,别担心,那只是一个试做,针对手边的零件进行初步的样品制作,而在我这边,也在取得样品后(其实也是试做了两次,所费不赀,套件啰,总得做到比较完美才行),动手造了一部SPEEDO高速併联稳压,顺便拍几张照片,作为网站公布之用。
SPEEDO高速併联稳压採用纯晶体设计,特别适合那些重度DIY玩家使用,使用弹性大,但装机并不困难,只要细心不弄错零件,大概花个半小时就可以装配完成了。整片PCB没有任何印刷上的瑕疵,不过,我们同时印刷了零件编号与零件数值,如此一来,我们如果针对读者的不同需求来设定不同的电阻时,也比较容易沟通(譬如有的读者可能希望要更大的电流,就可以把15欧姆电阻改为10欧姆,但就会更热啰)
SPEEDO高速併联稳压完整零件表(EXCEL档)採用LED担任恆压源,算是SPEEDO高速併联稳压的小小技巧,为什么使用LED,而不使用Zener稳压二极体?或者使用1N4148这种二极体来提供约2V的
电压降?理由很单纯,就是因为LED可以提供非常低的杂讯,远低于1N4148二极体,而Zener稳压二极体因为工作于崩溃区,所以杂讯更大(所以很多Zener旁边併联电容,就是考虑到杂音的问题,希望让电容吃掉这些杂讯,但却会让稳压的速度慢下来)。当然,照DZ过去设计稳压的玩法,也可以使用LM336这个恆压源,不过,这种搞法比较不好玩,有个LED发亮,其实还有不同的好处喔!
散热片旁边的LED,提供超低杂讯的恆压源!
话说SPEEDO高速併联稳压在我家快乐唱歌的某天,Johnson兄急急来电,说怎么玩到一半LED就不亮了啊?翻开电路看了看,注意到了没?其实LED是跨在输出与输入电压之间,所以,当输出电压与输入电压无法提供足够的压降时,就不能让LM334正常工作,提供足够的电流给LED,点亮LED,而只有LED顺利点亮之后,前面的恆流电路才能提供整个併联稳压所需的输出电流!发现到什么好处了吗?
许多人在使用稳压时,经常忘记「输出入压差」的重要性,只有输入跟输出电压维持一定的压差时,稳压才能真正的稳定工作。以LM337来说,输出入之间至少要有3V的压差才能让稳压正常发挥,而这个併联稳压也一样,当「LED」顺利点亮之后,也就意味输出电压够稳定了,而Johnson兄提到的LED没发亮的问题,就是因为输出电压调得太高的关系,所以没有提供足够的压差。我觉得,这个LED的存在实在颇有用处,他至少可以提醒玩家,这个电路的工作状态,还有,是否工作于理想状态。
SPEEDO高速併联稳压的应用场合?
最后要提到的,则是这个SPEEDO高速併联稳压的应用场合。基本上,在不需更改任何零件的前提下,本稳压可以提供约150mA的电流,取代目前使用中的所有DZ稳压,提供前级、DAC、后级驱动级、电子分音器所需的电压,至于输出电压的高低,则取决于输入电压。当搭配T96 O型变压器(也就是我们暱称的超级小馒头)的15-0次级时,最高输出电压约为正负18V,最低电压则可以低于5V。
所以用SPEEDO高速併联稳压取代DAC稳压应该是不错的点子,至少在正负12V电压那边(也就是类比滤波器那边的电压需求),可以完全替代,如果要给5V使用,那得将电流提高,怎么提高呢?简单,只要把输入端的15欧姆电阻降低到10欧姆左右即可提供更充裕的电流。或许读者会有一个疑惑,为什么不一开始就设定很高的输出电流?这是因为我们不希望併联稳压过度发高烧,随然我们使用了50W以上功率的晶体、虽然散热片面积远大于一般稳压,不过,有多少、吃多少,该吃几碗饭、就煮多少米,白白浪费电力也是可惜啦!
如果你嫌过去的稳压不够好玩,没有提供你充分的弹性调整空间,那就来玩玩这个SPEEDO高速併联稳压吧,光是DZ原始的设定,就足以让你的系统有惊艳的提升表现,如果有空调调不同的偏流设定,享受高温的热度,也是音响DIY玩乐的一大趣味!