ASW低音炮專用頻率均衡放大器的設計製作

    本放大器是為筆者的ASW低音炮度身定製的，具有簡單可靠、性能優良、使用靈活等特點。若將其均衡電路參數稍作修改，也適用於其他類型的超低頻音箱。現將其電路原理、製作及安裝方法等介紹如下。

一、電路工作原理
    本放大器包括頻率均衡、功率放大、電源等幾個部分。
1、頻率均衡電路
    10英寸單元ASW低音炮的低頻下限選36Hz，這一指標已很不錯，但重放36Hz以下的超低頻時份量仍感不足，若使用的是8英寸或6.5英寸單元製作的超低頻音箱，低頻下限一般只能達到42Hz以上，重放超低頻時更是捉襟見肘，力不從心。這時聽到的多半只是超低頻的諧音。故均有必要通過均衡電路預先對40Hz以下的超低頻份量予以適當提升，以充分發揮音箱的潛能，改善重放效果。此外，不同類型超低頻音箱的低頻上限也各不相同，與主音箱低頻下限的配合也就不一定適當，可能造成系統中低頻段的響應失真。故也有必要通過均衡電路對超低頻音箱的頻率上限進行調整，使之能與主音箱的低頻下限完美配合。而20Hz以下的次低頻人耳雖不可聞，但音樂信號中則可能存在(包括噪音)，一旦進入音箱，單元錐盆的振幅極大，會產生大量可聞的失真信號(如調製失真、二次、三次諧波失真等)，故也需要通過均衡電路予以衰減。
 
    具有上述多種功能的均衡電路通常比較複雜。為簡化起見，本均衡電路選用了最為簡單有效的高Q值高通有源濾波器加可調式無源低通濾波器的電路形式(見圖1)。圖中，L、R聲道信號經R1、R2相加(接解碼器超低音輸出端子時只需從一個輸入端接入)，再經音量電位器VR1調節后，送往IC1a與外圍阻容元件組成的高Q值高通濾波器。該濾波器在不同Q值時具有如圖2所示的通帶特性。
 
    當Q>0.7時，其轉折頻率fp處會形成一個峰，Q越大，峰越高(提升量越大)。利用這一特性，且Q值取得適當，便可按要求在提升超低頻的同時衰減次低頻，且電路十分簡單，該濾波器的電路特點是具有等值的濾波元件C、R和一定的增益，且Q值通過電路增益A來控制，其中
    A=1+R4/R3
    Q=1/(3-A)
    Q值決定后，fp處的提升量也就決定了。Q值和fp的大小應根據音箱的結構和低頻下限來選取，合成后的響應曲線才會平坦。由於ASW式音箱的低端下降斜率為15dB/oct，可取Q=5左右，這時濾波器的提升斜率約為14dB/oct,故本電路取R4=39kΩ，R3=22kΩ，這時
    A=1+39/22=2.77
    Q=1/(3-2.77)≈4.4
    若所配音箱為密閉式的，可取Q=4，提升斜率為12dB/oct，若所配音箱為倒相式的，Q值可取8～10，但不宜超過10，否則電路可能不夠穩定，這時超過20dB的提升量也是100W以下的功放和音箱難以承受的。
 
    fp值要取在音箱頻響曲線的低端轉折頻率fL的半倍頻處。本電路所配音箱的fL在44Hz左右(見圖3曲線1)。故取fp=22Hz，這樣濾波器的響應曲線(見圖3曲線3)，才可與響應曲線1對稱互補，合成的響應曲線(見圖3曲線2)就比較平坦，理論上可使音箱的fp由原來的36Hz擴展到22Hz，但由於揚聲器低頻端的效率較低，實際上只能擴展到28Hz左右，儘管如此，其實際效果已相當理想(一隻採用15英寸單元的巨無霸音箱，其fp也在28Hz左右)。fp確定后，濾波元件C1、C2、R5、R6便可由下面的公式確定，即
    C1=C2，R5=R6，
    fp=1/2πCR=159/CR
    式中，C的單位為"uF"，R的單位為"kΩ"，因受阻容件標稱值的限制，本電路取
    C1=C2=0.330uF
    R5=R6=220kΩ
    fp=159/CR=159/0.033×220=21.5(Hz)
    從圖2中還可以看出，這種高Q值濾波器響應曲線的低端下降斜率達24dB/oct，可大幅度衰減fp以下的頻率成分，故可在大幅提升超低頻的同時大幅衰減次低頻。
    信號經高通濾波器提升超低頻后，從IC1a①腳輸出，送到由R7、R8、VR2和C3、C4組成的可調式二階無源低通濾波器作進一步處理，該濾波器中的C值及R值也相同，其響應曲線高端轉折頻率
    fH=159/C3(R7+VR2)
    按圖1所示元件值，該濾波器的fH值可通過調節VR2在52Hz與185Hz之間隨意改變，圖3中的曲線4是fH調至55Hz時該濾波器的響應曲線，由於超低頻音箱原有的上限頻率約為110Hz，故本濾波器與其配合后，合成響應曲線的高端轉折頻率實際上只能在52Hz至110Hz之間調節。而濾波器fH值的高點取至185Hz，主要是為了使音箱原有的頻率上限不會被濾波器該點附近的過渡特性所壓縮，相應地可與低端頻響為50Hz至110Hz的AV主音箱配合使用，獲得較平坦的整體響應曲線。當然，也可通過調節VR2獲得不同的低頻效果，以滿足不同人的聽音喜好。
    信號經低通濾波處理后，已形成所希望的均衡特性，再經IC1b構成的跟隨器緩衝“隔離”后通過R9、C5送往功率放大器輸入端(A點)進行功率放大。

2、功率放大電路
    用於驅動超低頻音箱的功率放大器，主要要求其具有足夠的驅動電流、較低的內阻、較高的穩定性和可靠性，其他性能則沒有特殊要求。這裡我們選用了如圖4所示的全直流全對稱互補功放電路。該功放可對5Ω負載提供100W的不失真功率，輸入靈敏度為300mV，輸出雜訊電壓為1.2mV，能滿足上述要求，且具有電路簡單、失真與雜訊低、轉換速率高等特點。即使用作全頻帶功放也是較佳的選擇。
 
    筆者在選用這一經典電路時，還在電路中揉進前級二極體隔離供電技術，進一步提高了大動態突發信號到來時前級電路的驅動能力。圖中二極體D1、D2即當此重任。當大動態突發信號到來時，末級輸出管的電流劇增，迫使電源電壓瞬間下降，這時由於D1、D2的反向隔離作用，濾波電容C5、C7上的電壓不能突變，仍可基本保持在信號到來前有較高的電壓，故推動級仍能繼續提供較高的信號電壓和較大的驅動電流，使聲音的聽感更加強勁有力，後勁十足，由於大動態的突發信號常出現於低頻段，因而該技術的採用對於超低頻功放來說尤其具有重要意義，實際聽感也證實了這一點。
    本電路的直流工作點已由設計確定，其中輸入級差分對每管的工作電流為0.9mA，輸出管的靜態電流為80mA，工作於AB類狀態。為提高輸出級靜態工作點的熱穩定性，在其偏置電路中採用二極體D3～D5和負溫度係數熱敏電阻R10進行溫度補償，其中R10要貼裝於功放管散熱器上，此舉對提高功放的熱穩定性很有效，末極管的冷、熱態靜態電流可控制在30～80mA範圍內，功放無須熱身，一開機便可進入較佳的工作狀態，如不採用R10，冷、熱態靜態電流變化範圍竟達0～100mA．若能購得200Ω的R10，熱穩定性還能進一步提高。

3、保護電路
 
    超低頻功放安裝於音箱內，一般是不能隨便打開箱體進行維護的，因而電路的可靠性應視為重中之重。為此，本電路除了在電路設計及調整方面下功夫之外，還為電路設置了多重簡單有效的保護電路。圖5所示為中點電位偏移保護和抗開/關機電流衝擊保護電路。當輸出點電位偏移>±2v時，說明電路已有故障，這時BG1、BG2通過接於功放輸出中點(B點)的電阻R2檢測到偏移信號，關閉BG3構成的繼電器驅動電路，斷開揚聲器，使故障不致惡化，同時也保護了揚聲器，電路的抗開/關機衝擊雜訊功能則通過定時元件R1、C3實現。本功放電路對稱性好，開/關機時產生的衝擊雜訊雖不大，但作為一種附帶功能仍有一定意義。圖中D2為雙色發光二極體，它兼有電源指示和故障指示功能，當電源開啟時，R4得電，發光管發綠光，電路有故障或開機后3秒之內繼電器斷開，R3得電，發光管發橙光。
 
    在圖6所示電源變壓器初級引線處，還設有溫控保護開關K2和過流保險管F。其中K2裝在功放散熱器上，當電路有故障或長時間大電流工作，使散熱器溫度上升到85℃時，K2自動斷開，電路停止工作而使輸出管得到保護，採用了上述保護措施后可使功放電路的可靠性大為提高。

4、電源電路
    電路採用了200W的EI型電源變壓器，從而使功放擁有充足的能源，其整流濾波電路有三組輸出電壓，其中±39V電壓供功放電路使用。其上接有10000uF的大濾波電解電容。±39V電壓經R1、R2降壓，D1、D2穩壓獲得±12V電壓供前級頻率均衡電路使用，另一組+12V電壓供繼電器保護電路使用，由於所用變壓器只有一個10V小電流繞組，全波整流后所得12V電壓有時會偏低，帶不動繼電器，為此濾波電容C1用得較大。故關機時繼電器的反應會稍慢一些，讀者製作時，如採用12V的交流電壓，增加一隻16Ω左右的限流電阻R3並減小c1的值，這一現象便可得到改善。

三、元器件選擇
    雙運放IC1採用NE5532或TL082均可，功放電路用的三極體要經過篩選配對，其中BG1-BG4的β值配對誤差要<3％．BG5與BG6，BG7與BG3，BG9與BG10的β值配對誤差要<5％，電位器VR1、VR2均選用日本ALPS牌的，其中VR1為“A”型，VR2為“B”型，繼電器驅動管FN020為小功率達林頓管，也可用9013等普通小功率管代替，功放電路的小功率電阻要選用金屬膜電阻，以提高電路工作點的穩定性與可靠性，繼電器J選用12V5A雙觸點的，使用時雙觸點並聯，散熱器的結構可自由選擇，但重量不宜小於半公斤。溫控開關K2選用啟動門限值為85℃，其形狀如大功率三極體。其他元器件的選擇無特殊要求，按圖中標註的規格選用即可。

四、電路安裝
    圖1和圖5電路可分別安裝在一塊萬能電路板上，主功放電路可用結構類似的成品電路板改裝，筆者使用的是一塊閑置的“八達超級功放”印製板，只要根據電路走向切斷或連接幾根銅箔，補鑽一些孔，連同±39V整流濾波電路均可安裝在該板上。
    電路的輸入蓮花座、帶寬和音量控制電位器、電源開關、發光管指示燈、電源保險管座可按圖7所示安裝在一塊雙線分音4端子音箱接線盒上，安裝時用環氧樹脂把原接線端子的4個孔封上，然後倒過來在另兩個階梯面上打孔安裝上述元件。由於交流電源的兩個元件也裝在同一塊板上，板的面積又較小，要將左邊音頻部分的元件用薄鐵皮屏蔽起來，否則會引入少量交流聲，控制板與電路板的信號連線全部要用屏蔽線，並單端接地，右下邊的電源線孔和蓮花插座背後的孔隙要用膠封上，並保證板上每個元件裝好后均不漏氣，這一點很重要!電源變壓器和功放板可按圖8所示位置安裝在音箱底板上。
 

五、電路調整方法
    頻率均衡電路和保護電路只要按電路圖安裝無誤，一般無須調整便可正常工作。功放電路安裝好，且檢查無誤后，要進行末級靜態電流和輸出中點零電位調整，方法是：先短路R11．在±39V電源輸入端各串接一個1A的保險管，然後接通電源，若無異常現象出現，可用萬用表測一下輸出中點電壓，若在±300mV以下，說明電路安裝基本無問題，然後關掉電源，在R13或R14兩端接一萬用表，將其撥至0.5V檔，再焊開R11的短路點，用300Ω左右的電位器代替R11接入電路，並將電位器調至阻值最小點，重新打開電源，慢慢調大電位器的阻值，使萬用表的指示電壓達到11mV，這時末極管的靜態電流約為50mA，通電半小時后，電壓表的指示會升高，散熱器有溫熱感，這時再微調一下電位器使電壓表指示為17mv，這時的靜態電流約為80mA，BG7、BG8、BG9、BG10基極之間的電壓分別為1.95v和1.1V，末極管的靜態電流就調好了。這時再測一下輸出中點電壓，若在100mV左右，表明中點電位已在允許範圍內，可不必調整，若中點電位達200mV以上，說明輸入級差分對管的β值對稱性差，可酌情更換其中的一兩隻試之，若中點電位仍不能回到允許值內，多換幾次便可。調好后關掉電源，焊下代替R11的電位器，測其阻值，用一隻阻值最接近的固定電阻焊在R11的位置上，調整即告完畢。將各部分的電路連接組合好，就可以放音樂試聽了，如一切正常，按要求將各部分電路板裝入音箱，一台調控自如，性能優良的有源超低頻音箱，便可加盟您的AV系統，忠心耿耿地為您服務了。