馬蒂斯 Matisse Reference 胆前級十倍放大器電路分析

馬蒂斯 Matisse Reference 胆前級十倍放大器電路分析与彷製

亨利·馬蒂斯 Henri Matisse(1869年12月31日-1954年11月3日)是法國野獸派畫家創始人, 他與畢卡索、馬歇爾·杜尚一起為20世紀初造型藝術帶來巨大影響。他是野獸派領袖,主張印象主義的理論,促成了20世紀第一次藝術運動。大膽使用平面色彩、不拘的線條的風格。風趣簡約的結構令他成名,也使其成為現代藝術中最重要人物之一。

馬蒂斯前級真夠姜命名 Matisse 以表達其簡約結構及狂野的音效,並且再加上 Reference參考一詞,若非真有過人之處, 怎敢如此招搖。查 M7, JP200 及 Matisse Reference 這三部前級十倍放大器以 Matisse Reference零件最少, 線路最簡單, 的確不容易看出有任何過人之處, 但原廠馬蒂斯的確十分靚聲,這是氹仔浸蛟龍,那就是說不起眼的小池塘也能把過江猛龍淹死, 如果在下告訴大家這三款放大器中線路分析最複雜的就是 Matisse Reference, 閣下相信嗎?

為了使 DIY不那麼容易成功,這 Matisse Reference十倍放大器線路包含了三組祕密公式, 除此之外, 線路設計者還使用了捉心理一招, 使彷製成功者萬中無一, 此君(設計工程師)除了膽藝了得,心理戰也了得,真鬼才也.

要徹底分析此機需要頗長的編幅, 有幾項基本原理先要弄明白,看官要有耐性一步步來.請看圖, 這是原廠 Matisse Reference 線路:

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圖中最令資深 DIY行者不認同的就是那粿 12AT7 的柵極 47K 電阻,沒理由阻值這麽低,它甚至比屏極電阻還要低得多,大家都想換之而後快,最普遍的便是把它換成 470K後感覺舒坦得多,心理上好過,自然覺得聲音也變好,但其實是被設計者計算了,真相是這粿 47K 柵極電阻是整體線路設計畫龍奌精所在,絕不能換,它同時背負著兩組秘密公式及一項心理戰術的三大任務。
先解析心理戰, 不外兩種情況:

1. 設計者評估百分之九十的彷制者會把 47K換成 470K, 立即中招(音效不佳)
2. 餘下百分之十的彷制者會保留 47K,但卻往往抱著姑且一試的懷疑態度, 要知道 DIY AMP 是會有靈性, 焊機者的負面懷疑情緒會留在機內,影響音效。在下曾經體會這一奌並留下深刻印象, 就是同一套音響系統邀請不同朋友試聽有不同效果, 音效因人而異, 真是神奇。

Google search 的確証實了百分之九十的彷制者會把 47K換成 470K.由上述兩奌便可看出彷製成功者萬中無一, 在下所言非虛也。但假若DIY行者能真正了解此 47K電阻的作用, 心中沒有了疑團, 焊出來的機器自然會靚聲。

為何此機設計者有這麽強的信心認為大多數的 DIY彷制者會更換此電阻,並且事實証明的確如此,問題在那裡?在下試試解答這問題, 由一個簡單的12AX7共陰放大器開始,請看圖:

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屏極電壓 235V及屏流 1.6mA是如何算出來的? 請看下述:
假設管子完全導通, 流過 100K 及 1K的電流是 B+ 400V 除以 100+1=101K等於 3.96mA, 即大約 4mA, 在屏流(Ip)軸上 4mA奌與屏壓(Vp)軸上 400V奌連起來的直線, 稱為負載線(Load Line), 下圖中的紅線便是:

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由於陰極電阻是 1K,當 -Vg等於 -1V時,陰極電流即屏流等於 1mA即 A奌, 也就是-1V的 Vg線在屏流1mA的奌, 當 -Vg等於 -2V時,陰極電流即屏流等於 2mA即 B奌, 當AB奌用直線連起來, 它與負載線的交奌 C就是管子的靜態工作奌(operating Point), 圖中可以看出實際屏流是 1.6mA屏壓 235V, 這便是圖解法,好處是不用計數直接由圖中讀出, 有了圖解法設計線路變得容易, 可選取不同靜態工作奌。

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多舉一個例子, 假使陰極電阻是 2K,當 -Vg等於 -1V時,陰極電流即屏流等於 0.5mA即 D奌, 也就是-1V的 Vg線在屏流0.5mA的奌, 當 -Vg等於 -3V時,陰極電流即屏流等於 1.5mA即 E奌, 當DE奌用直線連起來, 它與負載線的交奌 F就是管子的靜態工作奌(operating Point), 圖中可以看出實際屏流是 1.18mA屏壓 282V. 這圖解法簡單,直接,易懂又好用,不過好像在 DIY論壇裡沒多見, 在下把它送給大家分享,希望DIY合用.

它能做甚麼呢? 它可以設計及 DIY膽前及單端后級,它可以看懂線路圖,還可以修理膽機, 衹要測量陰極電阻上的電壓, 那就是珊負偏壓-Vg, 再用歐姆定律便可算出屏流Ip, 測量屏極對地電壓減去陰極電阻電壓就是實際屏壓 Vp, 即三個參數齊備。膽機故障其實來來去去都是那幾枚電阻變值, 交連電容漏電, 瀘波電容乾涸, 膽老化,燒牛等,憑這三個參數容易找出故障,便可把機修好, 假以時日, DIY行者大多都能修機。

此外它還可以校聲,稍有DIY 經驗的朋友都知道共陰接法裡的電阻電容以至B+ 電源數值的變化範圍是可以很廣,而管子仍可正常工作, 此乃上天恩賜, 大家很快便會發覺輸入,輸出及濾波電容值少則高頻清麗, 值大則低頻深厚, 陰極電阻少則屏流大而聲音強壯反之則弱,屏極電阻低則屏壓高而聲音較燥反之則醇, 柵極電阻也是前一級的屏極負荷阻值不可太少, B+夠高則動態勇猛而反之則暗, 慢慢很自然地在一定的阻容範圍內尋找個人風格聲音,漸漸養成微調阻容值即所謂校聲的習慣,時間一久,感覺良好。看官,微調電容值”校聲”在DIY圈子裏早已是公開的祕密,並不神祕.

因為膽柵極阻抗非常高,所以通常柵極電阻都在200K以上, 憑多年經驗大多 DIY 行者都不接受 47K如此低的柵極電阻,更有多年校聲經驗支持於是十居其九都改成 470K 而中伏。

還有甚麼問題是上述經驗未能解答的嗎? 這裡在下要藉助 DIY 論壇的一件無頭公案, 話說名廠 JADIS 有一欸膽推挽後級用十隻KT88即正負半波各五隻KT88並聯, 奇葩是用一枝屏阻極高的12AX7屏極出直推五隻KT88柵極並聯, 天啊, 還有高音嗎? 當然有, 但大家都不服氣, 站在一起批評 JADIS 設計不當, 但有機主卻証實靚聲, 爭持不下, 不了了之. 這件無頭公案與 Matisse Reference的柵極 47K電阻 case 極為相似, 假若解決了 JADIS 的問題,也就能解決 47K 問題。

言歸正傳, 請看 JADIS功放推動級線路圖(正半波一邊):

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查特性表 KT88柵極對陰極潛布電容 16PF, 即使 JADIS廠將接線盡量做短而不惜犧牲了一部分零件排列美覌感, 每隻KT88柵極推動電路潛布電容仍有 24PF之多(估算值), 即合共 40PF(每管). 電路簡化後五隻 .22uF並聯變 1.2uF, 五隻 1.5M並聯變 300K,五組 40PF潛布電容並聯變 200PF, 請看簡化線路圖:

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以上圖解法可以看出管子的靜態工作奌(operating Point) 是Vp 250V, Ip 2.1 mA, 不失真輸出電壓擺幅達 140Vpp, 其中紅線是 47K的靜態負載線, 藍線是 47K並聯 300K動態負載線.此機原兇就是 200PF潛布電容量.

Matisse Reference第一級 12AX7, 看圖:

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先不管負回輸,除了陰極電阻沒有傍路電容外, Matisse Reference第一級與JADIS很相似, 那隻 30PF電容是 12AT7柵極電路潛布電容.

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以上圖解法可以看出管子的靜態工作奌(operating Point) 是Vp 200V, Ip 0.85 mA.其中紅線是 249K靜態負載線, 藍線是 47K並聯 249K動態負載線. 不失真輸出電壓擺幅達 40Vpp足夠推動 12AT7, 30PF潛布電容會影響高頻.

如果在下說:
1. JADIS 推動級頻應高達 29.5KHz -3db
2. Matisse Reference 用47K 柵極電阻,第一級頻應為 153KHz -3db
3.Matisse Reference 用470K柵極電阻,第一級頻應降為 51KHz -3db
有人相信嗎?

線路這麼簡單, 有示波器及訊號產生器的朋友照焊一個出來量度絕無難度, 可即時証實.

在下照焊的一個JADIS推動級頻應高達 30.5KHz -3db, 看圖:

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為何高屏阻12AX7被 200PF電容傍路仍有如此不錯的高頻響應,為何Matisse Reference 的 47K低值柵極電阻拖住屏極負荷,其頻應反而高過 470K 的頻應那麼多,這些都無法從線路圖中看出,但是等效電路圖卻能精確地算出高頻響應,要詳細解析等效電路需要很長的編幅,有機會的話再寫專文討論.

Matisse Reference 47K柵極電阻能促成第一級 12AX7的開環高頻響應直達153KHz -3db, 這是其中一條祕密公式. Matisse Reference設計可推石機,故需高頻響應特性佳.

那麼 47K柵極電阻的另一個作用是什麼呢, 那是時間常數問題, 請看圖:

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回輸補償時間常數原理:

C1 R1 = C2 (R2+R3) 臨界補償

C1 R1 < C2 (R2+R3) 過補償

C1 R1 > C2 (R2+R3) 欠補償

為了簡單易明暫不考慮 V1 及V2 的屏極輸出內阻, 因為即使計及結果相差不大,不會影響結論. 請看圖:

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這個 RC 電路稱為高通濾波器, 輸入頻率低過截止頻率 Fc即不能通過, 那截止頻率 Fc是由 R乘以 C值所決定, 這個RC 值稱為時間常數, RC 數值越大, 截止頻率越低.

首先假設前向及反饋 RC 電路中的 C 值為無限大, 即截止頻率 Fc是 0 (DC) 即直流電壓. 因放大器的輸出即閉環增益,等於開環增益減去負回輸增益的絕對值(請留意負回輸增益 db是負數), 看圖:

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上圖 Close loop gain閉環增益,等於開環增益 Open loop gain 減去負回輸 Feedback gain, 輸出頻率響應平直, 沒問題. RC 電路中的 C 值為無限大是假設, 現實世界沒有, 祗是方便解析說明.

下面三個實際情況則不同:
C1 R1 = C2 (R2+R3) 臨界補償

C1 R1 < C2 (R2+R3) 過補償

C1 R1 > C2 (R2+R3) 欠補償

先看臨界補償, C1 R1 = C2 (R2+R3) 即兩個時間常數相同即 Fc 截止頻率相同:

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上圖並沒有問題, 祗要設定 Fc夠低便可, 臨界補償聲音清麗, 人聲特別有感情.(M7使用)

再看過補償, C1 R1 < C2 (R2+R3) 即負回輸 Feedback gain時間常數較大,即負回輸 Fc1截止頻率較低, 前向 Fc2截止頻率較高:

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上圖也沒有問題, 祗要設定 Fc夠低便可, 過補償頻應寬闊,衝擊力強勁, 力度似石機而有膽味.(MATISSE REFERENCE 使用)

再看欠補償, C1 R1 > C2 (R2+R3)即負回輸 Feedback gain時間常數較小,即負回輸 Fc1截止頻率較高, 前向 Fc2截止頻率較低:

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這次出了大問題, 因放大器的輸出即閉環增益,等於開環增益減去負回輸增益, 在 Fc1負回輸截止頻率負回輸增益絶對值變小,而開環增益因未達 Fc2故仍保持不變, 於是閉環增益即輸出頻率會在 Fc1 與Fc2 之間出現一個大波峰,大家能否仍然堅持認為會靚聲?

事實很簡單, 原廠 47K就是 C1 R1 < C2 (R2+R3) 過補償 22ms<66ms, 改成 470K就是 C1 R1 > C2 (R2+R3) 欠補償 220ms>66ms, 這是 47K的第二條祕密公式, 47K電阻絕不能改.

最後第三條祕密公式, 看圖:

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那個並在12AX7陰極電阻上的 10PF是陰極對燈絲潛布電容, 它能短路高頻, 即高頻負回輸增益絶對值變小(即高頻段沒有了負回輸), 於是閉環增益即輸出頻率會在高頻段出現一個波峰, 有奌類似時間常數欠補償,那個 36PF電容並聯在 20K電阻能對沖10PF陰極對燈絲及零件潛布電容的影響, 因DIY機器人人不同, 故 10PF係近似值, 36PF也是, 但不會差太遠,試聽証明,沒有這36PF電容高頻會較為刺耳,看原廠線路版留有位置焊接此電容,但位置卻空著,在下很懷疑那粿 20K電阻是特製的空心電阻,中間藏著那電容,下圖是正確的電路圖:

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這圖已沒有伏, 可安心 DIY.

請留意原廠兩級放大共享 B+而不設退交連電容,不是因為節省而是因為音效。

瀘波電容 200uF 已足夠, 410V B+ supply 要求並不嚴格,稳壓或丌形皆可.

補品校聲改善音效,在下推薦。

看官,實話實說,原廠 M7用0.01uF交連,JP200用 1500uF瀘波,MATISSE REFERENCE用 47K柵極, 擺明玩野, 就是挑戰 DIY行者的能耐, 有沒有真工夫去揭破.

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