QUAD 405 后级制作报告 [复制链接]

是否去芜存菁？
在打算进行仿制，设计贴洗PCB之前，我们先要考虑，所预计采用之架构，是否要与原线路完全一样，或者做局部而不妨害原设计菁华的变通。之所以做这样的考虑，往往是(１)：着眼于原设计中之零件在仿制采购时是否能够取得，例如本设计中之IC、晶体以及3uH之输出电感等等；(２)原设计之架构，在实用上是否会出现缺点，包括振荡、频宽、稳定、耐力…等，后者在层次上要比前者高超得多，除非有极大能与涵养，通常很难能在原设计架构中寻到可以置啄之地，不过我们却不必对此感到无乐，大凡能够上市行销的成品，特别是像这QUAD样慢工细活的名厂，我们差不多可以付于完全的信赖，剩下来的，便只是零件考虑了。
本线路唯一只IC下输入端的LM 301A，前文提过，这下一只通用IC，制造的厂家极多，各地电料行都能买到，因此循原设照用即可，不过因为LM 301A和741一样，同属一般级设计之IC而已，特性不会太好(当然，也不会差到那里)，很可能有部份宁可寻用更高质的品种，例如NE 5534、TL 071、LF 356、357、 LM 318等等，都比LM 301A要强过甚多；不过相信读者应能体会到，音响上的听觉经验是相当主观的，5534在特性上固然优于LM 301A，但实用上未必就比301A有更好的聆听效果，QUAD是一家谨慎而稳重的名厂，使用LM 301A绝不仅仅为了节省成本而已。因此作者的看法是，LM 301A不妨沿用，否则，可以事先使用IC座，俾可以换用不同IC，不过这样一来，有关频率补偿方面不免也得变动，例如5534之补偿是在5、8两脚间，而与301A略有不同，因此设计PCB时便应兼顾及。在晶体方面，原设计采用了BC 214、BDY 77、ZTX 304、504及40872五种晶体，前两种是欧洲一般型号晶体，制造者较多，本省也麦桊铳R到(但也不会太容易)，后三种晶体可能就只有干瞪眼了，自此仿制之途，唯寻代用晶体而已─可以代用而又容易买到的型号，作者已在前文中提及，请自行参考。
至于3uH之输出电感，因为关系到全频带内之失真特性，是QUAD 405之设计重点，不比一般Amp输出端的电感，大小有无都不太重要(只是聊备一格而己)，原设计指定误差在5%以内，而另两只电感则为20%(其实去掉也可以)。市面上若干电料行虽也有销售输出线圈，但数值未详，不合用之成份居多，只有自行绕制一途，绕制的方法，后将述及。
不加伺服电路
综观QUAD 405全部架构，我们在进行仿制前，除考虑上述因素外，对其余部份，吾人差不多已无置啄余地、值得一提的是，作者以在QUAD 405中加入中点伺服线路而使之成为DC Amp是一种画蛇添足的做法。作者在Amcron DC-300A中加入伺服设计，是因为DC-300A本是高频宽之DC-Amp，它拥有DC ~100KHz –1dB成绩，加入中点伺服是希望简化调整，以及更好之DC稳定。这些因素对QUAD 405而言并不存在，它丝毫不标榜高频宽，也不是DC设计，甚至虽然有极佳之DC稳定度(中点偏移在不调整下最大不超过7mV)，却没有很好的低频成绩。比起Amcron DC-300A来，QUAD 405的20~20KHz –1dB简直不能与之相提并论(可是前者在日本受欢迎的程度，却无法与后者相提并论─虽然这样的比较很不公平)。在如此情况下，将伺服单元加入QUAD 405中，除了增加一些低频响应外(原设计不见得希望这样)，对DC稳定度并无助益，而有有些不伦不类，倒不如照原设计的好。
QUAD405后级仿制品之稳压电源（散热片未加）
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PC 板略有失误
说到这里，对试制前应注意的事项，除了可能由于代用晶体所引起的补偿调整问题以外，差不多都已顾虑到了。作者根据日人仿制405时所画的线路而贴洗的PC板早在几个月前便已完成，后来又参考QUAD 405原设计后，再做了局部修正。如图二，是作者正式试作时使用之PC，板面之尺寸依旧是 105* 128mm，是作者个人的常用尺寸，由于这个PC在实作后才检查出有一处错误和一处遗漏(文后叙及)，因此请读者在贴洗前特别留意，别跟作者一样一脚踩进坑底。

10KHz方波测试
作者设计之405PC板图
如同Amcron DC-300A PCB一样，这个PCB上也有一条跳线，插焊时通常应先完成，以避遗忘造成大祸，其它零件一一就手中现有者选用。IC仍选用LM 301A，但原位置是先焊上一只IC座，便于日后有必要时换用其它IC。晶体方面，由于Tr1~Tr6之需求规格都很低，并且是试作性质，要求合用即可，因此除Tr2(编号ZTX 304)选用东芝2SC2240晶体以外，其余五只晶体皆用2SA970。Tr7、Tr8为推动晶体，以2SA968附加多翼小散片代用，至于输出晶体，因为手边的2SC 2565(150W RET)都已与2SA1094配成对，不好拆开来用，只好降格以求，以120W级的2SD845暂时代用。在实际使用上，Tr9、Tr10应使用至少150W级的晶体，如原设计之BDY 77或东芝的2SD424以及摩托罗拉之MJ 15015、15003等。二极管方面，除稳压用的两只15V Zener外，其它的信号二极管一律使用 1N4148。这些零件插焊中，由于作者担心Tr7的高热会超过小散热片之能力，因Tr7在PC板上插焊得浅，以便必要时容易解下。两只560欧姆之电阻，估计各有1W以上之热消耗，因此使其各离开板面约0.5公分。除此以外，其它零件则只要办认无误，照一般方式插焊即可。至于电感方面，本线路总计用了三支，除了L2比较重要之外，L1、L3在线路上之孕帤X乎是可有可无，因此也没有必要遵照原设计中之数值绕制，为方便计，可令L1=L2=L3=3uH。3uH之电感怎么做呢？原计中并无注记，凭公式制恐怕不够准确，一般读者手中也不可能拥有LCR电桥，唯一比较可行的便是藉信号产生器与毫伏表之助，从串联之 LR中或其它类似线路，以边绕边量之方式获取，这种方法之麻烦是可以想知的，幸好日本资料中对L2之绕制倒提供了如下方法：以0.5mm线径之漆包线在直径1公分之圆柱上密绕23匝即得，如此一来，唯一的难题 也迎刃而解了。
限流电阻冒烟！
在第一次测试时务必加上限流电阻
作者在插焊后通电前，照例目视检查了一番，然则通电后却发现限流电阻在不到1秒内烧毁，显示电路有了毛病，经详细检查后终于发现在线路中Tr7之集极是经D5、D6后才连接到Tr9之基极，然则作者贴制之PC上，Tr9之基极却直接与Tr7集极短路，这一来在通电的情况下，Tr7~Tr10将全部导通，而D5、D6之压降将使Tr9、Tr10流过极大的电流，难怪通电后剎那间会将限流电阻(10欧姆 1/4W，实测限流量约200mA)烧毁─作者自设计贴制PC以来，这样的错误还是第一次。
以低必v测试1W(3.16Vrms/10欧姆)，频率为1KHz

原因找出后，将Tr7集极至Tr9基极之联机，在靠近Tr9处切断，自D6之下端连一线到Tr9基极，这些情况，已显示在图二中，请读者自行核对。
再通电后已恢复正常，以手触Tr7之散热片，约5秒中即感觉到已有温升，在不到1分钟内，散热片之温度已高到烫人程度，看来这一小片果然不够，恐怕难能持久；再试Tr8之温度也已有些热，但较Tr7则小得多。此时量度中点电压，刚好是+1.0mV，非常稳定。
撤去限流电阻后再通入电源，并一一接入信号产生器镇号伏表与示波器，在无输入之情况下，竟意外地发现毫伏表上有高达０.5rms之读数，这一惊非同小可，以示波器观察，只见一片模糊，显然是出现高频振荡了。作者依寻常解决振荡的方法，在线路中几个可能解决振荡的地方试了试，总无法完全解决，几经检查，才发现在输出端到地之间，漏接了一组与喇叭成并联状态的高频相位修正网络C12+R39─虽然这组网络可能使振荡情况获得某程度的改善，但作者不免怀疑振荡是否因缺乏这组网络而起─在不切掉电源的情况下，以0.1u+10欧姆试着跨接在输出端与地之pin上，振荡幅度马上衰减了大半，用力越大则衰减越多。得到这样的暗示，作者马上除去电源，将0.1u+10欧姆焊在两支pin间，再开机时振荡果然消失了，示波器下仅剩下一条细细的扫描线，毫伏特指示此时之输出杂音电压略大于0.5m Vrms(此时放大器未装箱，但有接地处理)。
驱动晶体要加大散热片
再切掉电源，将Tr7、Tr8自PC上焊下，改放在主散热片上，以改善其温升情况。在Tr7、Tr8使用独立小散热片之情形下，由于静态时之Tr9、Tr10几乎不导通(实则Tr10是微导通，与分析情况略有出入)，因此在静态时，尽管Tr7在不到一分钟内便热的烫人，而主散热片即使经过1小时以上也几乎不会有温升，这与传统Amp设有 Bias current，会使散热片有某种程度之温升形成鲜明之对比。根据实测结果，在外电压为±50V之情形下，Tr7、Tr8之热耗和高达到4.5W，这种热耗，当然不是小散热片能应付得了的。特别要注意的是，虽然 2SA968能承受到25W，但那是指在25度C及散热片无穷大之情况下才得到之数字，在Tr7只附加小散热片之情形时，即使A968能长期忍受而不损毁，但其耐必v必然大大降低，甚至连10W也不到的程度。职是之故，Tr7、Tr8应与必v晶体Tr9、Tr10一同置放在主散热片上较为妥当。
截波时之正弦波形
再开机后一分钟，手触Tr7只觉略为温手，10分钟及20分钟后散热片都只有极微温升而已。以正弦波信号输入，测其显率紏应曲线。在无载情形下，20Hz 与20KHz都约有–0.5dB的衰落(相对于1KHz而言)，并且在20~20KHz间之频应曲线也不尽然平坦，大约有0.1~0.2dB之起伏量。以10欧姆/30W线绕电阻为负载做10W输出(10Vrms)时，振幅稍有些微降落，20KHz之输出再降低为–0.6 ~0.7dB，其余20~20KHz间之频应曲线与空载相差不多，仍在–1dB(405之原规格)之内。
综合以下实测结果，作者不禁对QUAD 405感到奇怪：405是QUAD厂继 QUAD 303后推出应市的产物，中间历经QUAD厂十年以上 技术与经验累积，照理说405应该有相当不错的规格才对。而实际上，405却只有如同303之规格而已，以今日及未来产品对Amp之要求，100KHz –1dB已经差不多是一项起码要求─这种要求，即使是中下级产品也轻易可以达到。虽然如此，作者在前文已经提及，音响是主观重于客观的经验，技术与规格不一定能保证什么，因此真空管可以逐渐回流，皮带驱动唱盘越演越盛，JBL从不理会什么线性相位而行情一直看好，这说明了实听经验才是重要的─众所皆知，JBL、McIntosh、 QUAD都是规格平平的产品，然则钗h资料显示，在日本销售的国外产品中，前三者却是最受日人欢迎的。
作者仍然不愿就听感表示意见，原因之一是：虽然就Amp而言，它对整体音色影响不大，不容易短时间内遽下断论，而主要原因，实在是作者很很不愿意以一己的感觉，特别是面对自己制品时所产生偏袒的感情，来「污染」大多数人─作者希望留给读者们一个自我判断的机会，尤其是长期沐浴在部份厂商言过其词的广告辞令的读者，你不必以作者或厂家的感觉为感觉，否则你只会感觉上当而愤怨不已。
作者在最后不得不要一再提醒读者，当你有意一试405而参考本文内之PC，请格外留意作者文中所提之错误与遗漏之处─作者实在来不及为它修正，更重要的是，新出品的QUAD 4055II已针对405又作了若干修正，因此待新资料收齐后，作者预计将这些修正奶畟钲尽?/font>405II去，对于本文中PC设计上之缺失，只好向读者说声抱歉了。

QUAD 405

分类：2009/12/05 06:57

通常我会对 LKK 级的音响厂商抱着崇敬的态度，这类厂商会有异于他人的技术，而不是告诉你用了多好的『补品』。 对于 QUAD 这家英国公司，只知道成立于 1936 年，生产静电喇叭， 1975 年 QUAD 发明了 Current Dumping 扩大机 ，我从来没听过 QUAD 的产品是啥声音，吸引我注意力的是 QUAD 405 电路，异于一般后级电路，用【诡异】来形容绝不夸张。
学生时在【音响技术】杂志看过 QUAD 405 电路分析，看不懂！ 退伍后偶而拿出来看看，还是看不懂！ 直到 46 岁的某一天，无意间在网路上找到部分电路节点标示电压的原版电路，终于知道为何看不懂【音响技术】里的 QUAD 405 ，该文作者拿到的电路图没标部分电路节点电压（不知是否被ㄚ本仔涂掉），且【音响技术】杂志里图、文根本对不上（文中的 A 点、 B 点、 C 点，在图中根本没标），我相信不是作者想留一手，可能是杂志社绘图人员忘了标 A 、 B 、 C
有人说 QUAD 405 是 A 类 ， 搞懂工作原理后才知道任何时间 QUAD 405 都有晶体进入截止区 ， 但是在正 、 负半周『换手』时 ， 电流又没有中断 ，输出级正、负半周乍看之下是一样的，实际上输出级正、负半周电晶体的工作方式根本是不一样的！


【二哥】曾经提醒我一件事：电晶体 NPN 跟 PNP 的 VI Curve 长像根本是不一样的，正、负半周电晶体怎么配对？ 一般常见的晶体扩大机都是三级放大：差动级、电压级、输出级（推挽）。 差动级的电压、电流变化量不是很大，无论用 NPN或 PNP 电晶体基本上都在非常线性的负载线工作。 已知 NPN 的线性优于 PNP ，为何有些扩大机用 PNP 做差动级？ 下一级高增益的电压级才能用线性好的 NPN
就 SF-106N 这类并联式双差动而言：
正半周：电压级 PNP ，输出级 NPN
负半周：电压级 NPN ，输出级 PNP
电路的总增益是各级增益的乘积，先不管差动级，电压级 & 输出级相乘，并联式双差动，正负半周都有 NPN 及 PNP ，即：就电压级 & 输出级的乘积而言，正、负半周的特性趋近相同。


那么差动级呢？ 从上图可知，虽然 NPN 与 PNP 有不同的 VI Curve ，好好在 负载线 下工夫，一样可以让 NPN 与 PNP 的 特性 在某个工作点变成相同，以上叙述是我对 SF-106N 这类并联式双差动电路情有独衷的原 因。正、负半周对称的电路玩过后（砸了不少生命作晶体配对），开始对不对称的电路产生好奇心！



只要能够了解静态、正半周、负半周，每个晶体的电流怎么流，就能了解扩大机电路怎么工作了。 我没有量 ​​过 QUAD 405 的波形 & 各点电压，所有电路分析是从电路图 TR7 的集极电压为 0.6V （静态）开始：
静态时

静态时输出电压为零，没有任何电流流出 or 流入扩大机的输出点。 为方便分析，假定所有二极体的顺向压降 & 电晶体 B 、 E 的顺偏电压皆为 0.6V ，既然 A 点电压为 0.6V ， B 点电压就是 -0.6V ，流过 TR7 、 D5 、 D6 、 R30 、 R31 的电流为 ( 50 – 0.6 ) / ( R30 + R31 ) = 44m A ，另一路流过 TR7 、 R38 、 R36 、 TR8 、 R33 的电流为 0.6 / R38 = 12.8m A ， 第一个看到的是 TR7 、 TR8 的静态电流不同 ，流过 TR8 的电流在 R33 建立的压降为 12.8m A x R33 = 281.6m V ，不足以让 TR10 导通； TR9 的 E 为 0V ， TR9 的 B 为 -0.6V ， TR9 逆偏， 第二个看到的是静态时 TR9 （逆偏） 、 TR10 （顺偏未导通）没有偏压电流 ， 所以 QUAD 405 根本不是 A 类 ！
正半周

输出正半周时，输出电流先循 TR7 、 R38 路径提供输出电流，直到输出电流上升到 38m A ， A 点电压为 38m A x R38 = 1.8V ，此时 B 点电压为 0.6V ， TR9 开始顺偏，当输出电流大于 38m A 后， 38m A 由 TR7 提供，其他电流由 TR9 提供。 此外，因为 B 点电压上升，流 过 R30 、 R31 的电流亦上升；也因为 B 点电压上升， TR8 逆偏， TR8 、 TR10 全部打烊。
负半周

输出负半周时， TR7 的电流下降， TR8 电流增加（负载、 R36 、 TR8 、 R30 、R31 这路电流增加）， A 、 B 电压下降； TR8 电流一直上升到 27m A 才会让 TR10 的 B 、 E 得到足够的偏压（正半周 38m A 后 TR9 加入战局）； TR8 的基极电流不是 TR7 提供的，而是 R30 ，当输出电压低于约 -25V 后， TR8 的基极电流不是 -50V 提供，而是 C10 提供，静态时 C10 的压降约电源的一半，输出正半周时， R30 、 R31 两端压降大于 50V ，会对 C10 充电，在负半周时放电。
稍微整理一下

TR7 与 TR8 的静态电流不同，输出正半周时 TR8 会进入截止区，输出负半周时， TR7 仍在工作区。
输出正半周时，输出电流超过 38m A 后 TR9 才会加入战局；输出负半周时，输出电流超过 27m A ， TR10 就会共襄盛举。TR9 的 B 与 E 静态时逆向偏压， TR10 则是顺向 0.28V 偏压。


删去部分电路，给一些电路变色，再截取部分出来，看懂了吧！ 这是限流电路。
V = I x R ，如果 R 固定（喇叭阻抗），那么扩大机的限流值 I 是否该与输出电压 V成正比？ 否则当输出短路时，虽有限流（最大值），但是所有电压都跨在功率晶体上，功率晶体会有极大的功率消耗。
当限流动作发生时， TR5 的 VBE 是由 R26 与 R35 的压降相加而得，输出电压往正半周提高时， R27 压降减少， R27 电流降低，流过 R27 的电流亦流过 R26 ， R26 的压降降低， R35 需要较高的压降才能让 TR5 导通，即输出电压越高，限流值越大。
D3 在干啥？ 静态时， R24 、 R26 压降之和为 50 x ( R24 + R26 ) / ( R24 + R26 + R27 + R35 ) = 0.32V ，未达 D3 顺向压降，所以 D3 在正半周是没有作用的！ 之前在量 S-520 电压、电流已注意到：负载如果不是纯电阻，有部分正半周时间，扩大机是 Sink 电流（电流流入扩大机），即：非电阻性负载在负半周时，有部分时间 TR 9 也在工作， TR5 不能只在正半周有限流的功能；输出电压越负， R27 电流越大， R26 电压越大，限流值越低， D3 应该是在设定最低限流值，只是以 QUAD 405 原始设计，输出电压几乎要切削时（ -50V ）， R24 、 R26 的压降才会达到 D3 的顺向压降， D3 及 D4 似乎形同虚设，如果我要仿制 QUAD 405 ，会把 R24 、 R25 阻值适度提高。


TR1 是 Current Source 为 TR2 的负载（以另一个角度看是设定偏压电流），以电路图上标的电压来看， TR1 的电流为 0.65V / R15 = 6.5mA ，这电流流过 R17 ，在 R 17 两 端产生一压降 6.5mA x 3.3K = 21.45V ， 28 + 21.45 + 1.8 = 51.25 ，有一点差异是可以理解的，因为 6.5mA 是 TR1 的基极 & 集极电流的加总，这电流流过 TR2 后，进入 R16 、 R20 、 R21 ， ( 0.9V / 180 ) + 2 x ( 0.9V / 1000 ) = 6.8mA ，大致上也 OK
TR2 是共射放大， TR2 的输出为反相。TR3 及 TR4 接成达灵顿为射极随藕器， TR7 的输出也是反相 ， TR1 到 TR10 这十颗电晶体阻成一个正相放大，电压增益为 3.78 由回授电阻 R16 、 R20 、 R21 决定；当 QUAD 405 输出为 50V 时（当然不可能那么高）， R16 、 R20 、 R21 分压使 TR2 的射极 E 的电压为 13.2V （忽略 TR2 电流， 13.2 / 180 = 73mA 远大于 6.5mA ） ，非常接近 LM-301 的电源电压 +/-15V 。
QUAD 405 输出为 50V 时， TR2 的射极 E 的电压为 13.2V ， TR2 的基极 B 的电压为 13.8V
QUAD 405 输出为 -50V 时， TR2 的射极 E 的电压为 -13.2V 时， TR2 的基极 B 的电压为 -12.6V
这下知道为何 LM-301 正电源的电压大于负电源了吧！

一个很妙的事： LM-301 的回转率 Slew Rate 为 10V/uS ，为何 QUAD 405 Instruction 里的规格只有 0.1V/uS ？ 足足下降 100 倍！ 应该是 C5 、 C8 、 C11 干的好事吧！ 再加上一般前级只会叫 OPAmp 的输出工作在 2V 内， QUAD 405 却叫 LM-301 输出电压工作到极限，便宜的 uA741 还有 0.5V/uS 的回转率，就规格来看 QUAD 405 是个【慢郎中】，还是有很多ㄚ本仔爱不释手！ 我无意鄙视 QUAD 405 或是他的麻吉，而是越看越开了！ 再也不去管波形漂亮不漂亮，零件发烧不发烧，就像 DAC-918 ，只看 R2R 的波形绝对要唾弃，听过之后，完全同意【二哥】的牛肉面哲学，红烧、清炖口味本来就不一样，有必要去争哪一种口味才是正统吗？


QUAD 405 Instruction 第 7 页说插入一个 Shorting Link 可以将输出电压限制在 20Vrms ，这下终于知道电路图上的 R11 是干啥的，要让 QUAD 405 输出 100W ， R11 必需是断路的， R11 接上之后， LM-301 的输出经 R10 、 R11 分压后再接到后面的放大器，限制 QUAD 405 最大输出为 20Vrms ！ 为什么不是其他电压？20Vrms x 20Vrms / 15ohm = 26.67Watt ，是不是为 LS-3/ 5A 作的设计？
QUAD 405 另一个让我激赏的是中点零电位调整方式，在无信号输入时，假设不管任何原因，输出电压偏正，经过 R5 、 C2 低通滤波（一定要有低通滤波，否则音乐信号会被吃了）， C2 上会有正的直流电压，电流从 R4 流进回授让 OPAmp 输出往负压方向跑， TR2 集极电流下降， R22 端电压下降， TR7 导通程度降低，输出电压就掉下来噜！
还有一个有趣的（音技 90 期已说过了）， 0.68uF 的输入交连电容， 22K 输入电阻，随便想就知道低频的 -3dB 的频率不低！ 但是 C1 、 R3 的时间常数跟 R6 、 C4 的时间常数很接近，而反相放大的增益由输入电阻（ C1 、 R3 ）与输出电阻（ R6 、 C4 ）决定。

QUAD 405 声音好不好听 ， 有没有机会听到 ， 对我而言已没那么重要 ！心中最大的疑问是为何要加那么多补偿电容 ， 把 Slew Rate 搞到只有 0.1V/uS ， 如果把那些补偿电容拆掉会怎样 ？如果会怎样 ， 换代用晶体又会怎样 ？