Harmon Kardon C12改造全过程

　　【《电子制作》杂志专供稿件】很多DIY爱好者都知道，与其自己去采购齐全DIY所需的全部材料，不如买现成的套件来改造便宜。这点不难理解，因为提供套件的厂家可以批量进货，有成本优势，用比较合理的价格供应给消费者，因此DIY 套件在花费上，肯定比自己装一部机器、完全自己采购零件来得合算。许多在类似DIY杂志经常发表作品的作者，之所以能够经常装机，都是因为在以往的焊机过程中积累了大量的剩余零件，因此在装机成本上特别划算，装一部机器几乎不用花费多少钱。

　　在本文中，将要做两件DIY爱好者闻所未闻的事情。我们将对着名的Harmon Kardon Citation 12(以下简称C12）功率放大器进行修改，很少人会对这部成品机进行改机。此外，我们还将把C12改为功率场效应输出的结构，这跟过去常见的双极型晶体管电路有较大的差异。本文中所描述的改造技巧仅提供给有一定焊机经验的DIY爱好者做参考。注意，Harmon Kardon厂家还特别提醒一定要跟读者讲明白，就是经过修改的机器会失去保修的资格，这点不要忽略了。

　　C12简介

　　截止到现在，Harmon Kardon Citation 12功率放大器已经推出30年以上了，它的电路设计源自RCA公司的晶体应用手册（RCA数据文件编号#647），这个电路差不多是现在所有半对称设计的典范，20世纪70年代的大功率后级多半采用这样的电路结构。在70年代，C12可是性能非常优异的放大器，它运用了许多在当年非常先进的技术与观念，比如：双电源、DC输出、没有动态电流限制等设计。以现在的角度来看，这些都不是太特别的东西，但是借助这些优点，可以让C12同它的竞争对手Dynaco 120比起来，音质有其独到之处。它几乎可以驱动任何难推的音箱，并且非常稳定可靠。当我还是个维修技工时，曾经修理过不少Dynaco、Phase Linear、McIntosh、Pioneer与Sansui的扩大机，但是从来没遇到过哪部C12损坏的情况。

　　我把C12作为改机题目拿出来研究的主要原因是因为C12是我的第一部DIY 放大器。这是在多年前，当我还在ESS Inc勤工助学时，朋友帮忙组装的一台功率放大器发生故障，造成很多天没法听音乐。和多数DIY爱好者的做法一样，以C12的电路原型作为参考，把这部问题功放加以改制，做出了一台DIY版的C12。在调试这台C12的过程中，把C12接上一个可以调整交流电压的自耦变压器，缓慢地提升电压，目的是为了保持改机后开机的安全性。我发现，C12两声道的输出直流成分相当高，尽管重复检查电路，也没看到任何问题。后来去掉自耦变压器，直接接在电源上用扬声器播放，一开机，低音单元的纸盆好像要迎面冲过来般地往前移动，不过隔几秒之后，又恢复正常，放大器也开始正常的播放音乐。此时我意识到C12的一个缺陷，那就是开机脉冲，但是这个脉冲在人耳听觉频率范围以外。我一直保留着这部学生时代DIY 的C12放大器，C12也一直被我视为一个优秀的设计典范。在创立Threshold 公司后，有一天，一个半导体器件供应商提供了大量的功率场效应晶体管给我试用，这使我想到可以用这种新型的晶体管来改造C12，从而有了改造Citation 12的想法。这些功率场效应晶体管的TO-3封装方式与C12上使用的双极型功率晶体管一致，加上场效应管可以有效的简化电路，改善放大器的速度和失真特性，可以让改造后的电路结构变得更加简洁。

　　功率场效应晶体管

　　在对C12的改造中，功率场效应管起着主要的作用。进行电路设计之前，如果对这个器件的特性进行深入了解，会对后续的设计有很大的帮助。不过在这里，我没有花费过多的文字，只是把场效应管的基本特性呈现出来，让读者把它当成一个黑盒子来看待。场效应晶体管是一种结合了电子管与传统双极型晶体管两者优点的器件，读者可以参考图1。场效应管的栅极G可以看做是双极型晶体管的基极B或电子管的栅极G，源极S可以看做是双极型晶体管的发射极E或电子管的阴极C，漏极D则可以看做是双极型晶体管的集电极C或电子管的阳极P。通过测试这三种器件可以发现，从器件的端子1到端子3之间的电流量，将与加在它们之间的电压呈现一定的关系，当端子1与端子3或端子2与端子3之间的电压产生波动时，流过端子1与端子3之间的电流也会对应的改变，从图2中可以看出场效应管、电子管与双极型晶体管之间，在电压、电流改变时所绘制出的曲线。

　　在图2中可以发现，输出电流除以输入电压的比值，以传统晶体管最大，因为它是一个电流控制型器件，乘上一个增益值后，就可以造成一个电压的变化。如图2所示，功率场效应管与电子管有着类似的特性，不过场效应管的互导值更高，并且可以在与晶体管相同的电压下工作，见图3、图4。简单地说，功率场效应管就像一个电子管，但是维持着高互导的特性，同时与传统双极型晶体管的使用电压非常相近。功率场效应管也可以制成互补的结构，P沟道和N沟道就像PNP与NPN晶体管那样，可以做成对称的电路结构。这一点，电子管是无法做到的。

　　1.优点

　　本文中使用的功率场效应管是International Recitifier公司的产品IRF130，这是一只功率150W、耐压100V、额定电流12A采用TO-3封装的晶体管，它使用了IR 半导体的HEXFET技术，提供高耐压、高速切换与低饱和损失等特性。不考虑价格因素，这个晶体管在特性上比传统双极型晶体管优异得多，特别适合应用在功率放大器上。

　　首先，功率场效应管对驱动电流的需求微乎其微，因此可以省略驱动晶体管。其次，它们也没有二次击穿的问题，因此可以轻易地胜过传统双极型晶体管，在高电

　　压下运作。因为双极型晶体管具有正温度系数的特性，这使得温度集中在某一区域上，造成这个区域的温度越来越高，工作负担也越来越重，最后造成晶体管烧坏的问题。而功率场效应管则恰好相反，呈现负温度系数的特性，因此热能可以均匀的分散，让器件完整的去承担放大工作，适应较高的电压与功率。这个特性也可以有效避免一般晶体管放大器存在的过热失真问题，场效应管的热补偿作用，可以维持放大器的稳定工作。还有，场效应管在物理特性上，呈现比较快速的反应，因此上升与下降速度都可以在150ns左右，与之相比，一般功率晶体管的速度至少迟缓数倍之多。

　　2.缺点

　　基本上说，场效应管几乎没有什么缺点。不过，要懂得正确运用才能合理的发挥这个器件的优势。比如说，负温度系数的特性并不能保证场效应管在任何电路设计中都能工作得很好，在电压偏低的条件下，许多原本设计就很优秀的小功率晶体管放大器（包括这里提到的C12），这个优点就很难得到突出。 在很多放大器中，功率场效应管比功率双极型晶体管表现出更优异的线性。但是有一个例外，就是把场效应管用在一个以低阻抗输出信号源驱动的缓冲级上，此时场效应管在失真上的优势将不复存在，而双极型晶体管的失真可以是它的1/3。

　　另一个问题是当功率场效应管并联工作时，需要使用源极电阻来控制每只并联晶体管的静态电流，只有这样，才能确保每只并联晶体管分担相同的工作负担。除非并联的晶体管之间做好配对，否则千万不能舍弃它们的源极电阻，这样才能确保放大器工作的稳定。场效应管有较高的输入电容，这个电容值约在500~1000pF，如果处理不好会影响到放大器的音质。比如，如果要做到100V/μs的转换速率，那就得在1000pF的输入电容上注入高达1A的电流。因此在设计功率场效应管作为输出级的放大器电路时必须特别注意，即使驱动电路可以有效简化，但一定要提供足够的电流才行。

　　庆幸的是在实际的设计中，我们需要处理的输入电容问题大多集中在场效应管的栅极与源极之间，这对栅极与漏极之间的电压摆动影响很小。在这部C12放大器中，驱动电路只要输出3mA的电流，就可以在100pF的输入电容上获得40V/μs的转换速率。这个电容值大约是实际使用的功率场效应管标称参数的1/5，这也从一个侧面证明了绝大多数的输入电容问题都存在于栅极与源极之间。

　　有一个场效应管使用上值得注意的问题。与双极型晶体管相比，场效应管的互导比较低，因此在相同的驱动电压下，场效应管的输出能力会低于双极型晶体管，或者说场效应管的电压的利用率比较低。为了解决这个问题，我们可以将输出级与驱动级的供电分开来，让驱动级的电源自举，从而解决电压利用率较低的问题。

　　改造思路

　　使用功率场效应管IRF130来替换C12的输出晶体管HK-12，它们的规格和尺寸都非常接近，只要很小的修改就可以实现对C12厂机的改造。你们可以参考图5与图6，图5是原始的C12电路简化以后结构，图6是改动以后用IRF130做输出管的结构，可以看得比较清楚。在图5中，我们可以看到Q1与Q2组成标准的差动放大器，它们的输出电压驱动NPN型电压放大晶体管

　　Q3，R1与R2用来提供这三个晶体管所需的偏压。Q3的输出端连接至由R3、R4与C1组成的自举式电流源，它们也是一个电压源，提供输出管所需的偏压。Q5的是电位调整管，使负电压端的输出管Q7获得相对称的电压浮动。Q4为电流放大器，驱动正电压端的输出管Q6。图6的电路基本上与图5相同，不过Q6和Q7已经改为场效应管，Q4也被省略了，此时不需要额外的电流放大级来驱动Q6。

　　电路的实际改造

　　图7是改造前电路图，图8是放大器改造后的实际电路图，为了看着清晰，图中的零件编号做了适当修改，以对应图5和图6。在图8中，R12和C6用来过滤电源上的涟波与瞬时电流，可以有效的稳定偏流、降低噪声与失真。R9和C2组成一个低通滤波器，过滤掉从输入端串入的超高频信号。R1提供2mA的电流给Q1与Q2平均使用，从Q1流过的1mA电流通过R2，给Q3的基极与射极提供大约0.65V的偏压。这个直流电流加上交流信号以后进入Q3，同时由R3、R4与C1构成的自举式泵浦源提供的高阻抗，在Q3的集电极负载上产生一个很高的电压增益。经过电压放大后的信号送到Q6栅极，负电压端的信号则是送到Q5、Q7构成的电路，在这个电路中，R5的动作类似于R2，R19则是用来限制Q5的增益。图5与图6里头的偏压网络已经由Q4与R14、R15、R17和C5取代，构成一个稳定的恒压源，电路的偏压由可变电阻R17来做调整，C5可以保证这个偏压网络在各种频率下工作的稳定性。D3的作用是确保整个电路呈现正负对称的状态。D1与D2是保护二极管，它们提供一个单向的电流路径，用途是当后级输出面对强大的感性负载产生强烈的反电动势时保护电路。R6、R7与C4构成一个负反馈回路，提供一个大约0.7Hz的低频截止点。

　　有必要针对R3、R4与C1构成的自举式增阻电路作一些分析。它的出发点，是希望用最低的成本，为Q3取得一个恒流源负载，这个负载的等效交流阻抗非常高，可以使得Q3在极高的增益下运作，而此时的直流阻抗为 3+ 4的总值，9.4k。这会给Q3提供大约3mA的甲类直流偏流，对于增益级而言，并没有造成沉重的负载。R3与R4之间的节点通过C1来发挥增阻效应，在C1的另一端，与放大器的低阻抗输出端相连，使得这个R3与R4的节点会随输出信号同步的起伏波动。因为输出电压几乎与Q3的集电极电压一致，因此R4上的电压降也几乎不变，使得通过R4的电流稳定不变，电路的这个特性可以等效为一个恒流源。从这个角度来看，Q3可以在8Ω的负载下进行完整的电压摆动，而此时的偏流变化也

　　不会超过10%。相比之下，如果没有这个靴带增阻电路，此时的变化幅度将会高达±100%。这个设计，对于提升整个系统的增益与稳定性的帮助非常大，而电路却比较简单，成本也很低。上述提到的增阻效应，可以在极宽的频率范围内工作，从0.14Hz的低频到300kHz的高频，都可以发挥出优异的效果。图9是C12放大器原始的电源电路。

　　改造过程

　　首先将电路板拆卸下来，拔掉连接端子，焊除一些卡在电路板上的器件。拆卸器件的时侯要格外小心，用电烙铁配合吸锡器或吸锡枪来处理，特别注意别让电路板上的铜箔损坏。我们会看到有很多零件需要从机箱底盘的反面拆下来，包括散热片等。可以顺便把输入和输出端子都换成比较高级的镀金插座，无论是外观或电气性能，都比原先的好多了。

　　你可以把输出端的热保护组件与保险丝一起拆了，反正是自己用，不需要这些额外的零件来破坏音质。C12厂机的输出晶体管采用插座与电路板连接，可能是考虑维修替换方便，但同时也增加了一个影响声音的环节。建议直接用导线连接电路板和改造使用的功率场效应管，导线直接焊在TO-3晶体管的管脚上，拔掉电路板上的功率晶体管插座。另外，也拆掉所有的电容，只留下那几只计算机级的电源滤波电解电容。接着将TO-3封装的功率场效应管装到散热片上去，

　　注意，晶体管的外壳就是漏极，需要垫上云母片和绝缘垫圈，与散热片做到电气绝缘。在将功率晶体固定在散热片上之后，最重要的工作，就是要测量晶体管外壳有没有跟散热片短路，测量的方式很简单，使用万用表的欧姆档，测量晶体管金属外壳与散热片之间的电阻。注意散热片表面有阳极氧化处理，需要确定表笔与散热片有良好接触，否则隔着氧化层测量是呈现绝缘状态。完成功率晶体管与散热片的安装和必要的接线之后，接着就是将散热片装回机箱，并且完成散热片上的器件与电路板之间连接。另外，可以在每只电源滤波电容上并一只0.47μF/100V的小电容，用来改善电解电容在高频的损失。同时也可以在桥式整流桥的每个桥臂上并联一只0.01μF的电容，这可以改善二极管的射频噪声。

　　从电路板正面图图10与电路板反面图图11中，大家可以比较清晰的看出接法。请特别注意电路板背面需要用铜线短路的部位。其中两条铜线是跳过一对原本串连在输出端的电感电阻组件（99%的晶体管电路都会加上这个东西），这样将可以减少部分的失真。C12放大器原厂机电路板的布局，虽然历经多个版本，反馈回路的位置仍然和输出端有一点距离，这一点点的距离，虽然仅是PCB上短短的铜箔，还是会与实际的输出端产生几毫伏的压差，这会造成奇次谐波失真。

　　与一般DIY 装机原则相同，千万要注意每个有极性器件的管脚不能弄错，另外在焊接时，也要小心控制时间，避免器件过热损坏。因为本文的改造过程是写给有一定焊机经验的DIY 爱好者的，这里就不占用过多篇幅谈论改机中的细节和装配技巧了。尽量让TO-92封装的晶体管留够适当长度的管脚，Q5跟Q3需要要加上小型散热片。

　　改造版C12的调试

　　改造完毕的放大器第一次通电试机前，需要将偏压调整可变电阻设置在最大阻值，这会让放大器在开机时的静态电流处于最低，为了保险起见，最好先用万用表检查一下可变电阻的状态。因为可变电阻可能因为结构安装方向的问题，同样是顺时针转到底，有可能是把它的阻值调到了最小也有可能是阻值在最大的状态。

　　下面的调整过程非常重要，必须非常仔细的进行。放大器的两个声道分别调整，先从一个声道开始，然后接着再测试另一个声道，波形图见图11~图17。有一个技巧可供参考，未测试的那个声道，可以先将电源端的保险丝拿掉，测试中的那个声道，则使用1mA的快速保险丝做到妥善的保护。用信号发生器给放大器测试声道的输入端送入1V，1kHz的正弦波（见图12）。注意信号发生器的外壳不要接电源的地，示波器应该外壳接地。在不加负载的情况下，用示波器测量测输出端的波形。将示波器的垂直格度设定为5V/div，平行格度设定为0.2mS/div。最好使用自耦变压器来缓慢提升放大器的电源电压，同时用示波器观察输出。输出端一开始会呈现少量直流电压，然后逐步降低，直至在示波器上显示正负2V的正弦波。如果到此顺利，可以继续提高自耦变压器的输出电压，一直到额定电压。如果到此时都没有出现保险丝烧毁情况，下一步就是缓慢地增加信号发生器的输出电压，直到放大器的输出呈现削波（大约在正负30V左右），仔细观察是否有震荡或者失真。完成上述测试后，接着用同样方法测试另一个声道，当两个声道都可以在无负载情况下稳定运行时。将两声道的保险丝换成4A的，在输出端加上8Ω的电阻负载，继续进行上面的测试，看看放大器工作有没有异常。你可能会看到一些交叉失真，这对一部没有偏压的放大器来说，是很正常的，只要稍后将偏压电阻设定好就不会有交叉失真了。

　　当两个声道都可以在全功率的情况下推动8Ω负载时，我们可以接着去调整这部扩大机输出级的偏流。原则很简单，就是调整偏流电阻，让放大器不再产生交叉失真。此时输

　　出级大约有100mA的静态偏流。作法如下：参考图18的连接放大，用正负8V的信号驱动8Ω负载，然后观察示波器，逐渐调高偏流，直到交叉失真不再出现为止。做这个操作时要非常小心，很可能因为求好心切而将偏流调得太高。把负载拿掉，然后每隔15分钟就以手触摸散热片，检查散热片的温度。理想状况下，每个声道在静态时应该在散热片上呈现微温。

　　如果温度太高了，可以将偏流降低，如果散热片没有温度，就应该小心的将偏流调高，直到散热片温热为止。每隔15分钟检查散热片的温度和偏流数值、失真，根据情况不断进行调整。可以在正负电源处各串上一只1Ω限流电阻，然后调整偏流，当限流电阻上的电压降为100mV时，就是正确的偏流状态了。

　　放大器的性能测试

　　你可能不知道，其实我们可以用很简单的方法来测试放大器的失真，只需一只8Ω负载电阻、一个示波器、一个信号发生器，再加上放大器自己，这样就够了。更妙的是，这个测试方法对示波器和信号发生器的质量要求都不高，只要一般性能的即可。在图18的连接示意图中，我们可以看到放大器A声道利用信号发生器输入的信号，将输出信号通过8Ω，注入另一个B声道中。在B声道中，我们可以发现A声道的电压输出将会被B声道的阻尼因子所分割。以这部放大器为例，它的输出阻抗在很宽的频率范围内，均维持在0.064Ω（8/0.064=125阻尼因子），因此会产生一个现象，就是声道A的输出电压，在B声道的输出端那边会减少0.8%，同时因为B声道吸收电流的关系，也会产生一些失真现象。

　　在B声道输出端，我们也会观察到随着A声道工作状况所产生的失真现象。这是因为绝大多数放大器的失真，多半情况与电流的波动紧密关连（这也是Stasis 设计的重要论点），因此利用这个简单的测试技巧，就可以用很简单的方式来观察失真，要观察到0.8%的总谐波失真并不困难。这个测试方式对于调整放大器的偏流特别方便，因为我们可以清楚的看到交叉失真或其他现象。

　　利用这个测试方法，也可以看出当电路板与其他端子之间的接触不良时所产生的失真问题。我在刚拿到准备改造试验的C12厂机时，就发现了这个问题，经过清洁与重新焊接后，就解决了。要评估失真的百分比时，从示波器上看到的电压除以另一声道的输出电压，会等于失真值。举例来说，如果A声道的输出峰-峰电压是正负28V，并透过8Ω电阻注入B声道，则会在B声道的输出端呈现一个信号，此信号是由A声道的输出除以阻尼因子（正负0.225V的正弦波）加上B声道在8Ω负载下的等效失真。在这个情况下，0.28V的尖峰失真值意味1%的最高失真，以一部平均失真0.1%的扩大机来说，这个尖峰值还算合理的。

　　改造后的性能

　　与改造前的C12相比较，改造以后的失真与瞬时响应都有了明显的改善。图17显示出半个输出级的电流输出波形，可以发现，在跨越零位面的部分，输出波形并没有像甲类或乙类双极型晶体管输出那样出现削波失真。这个电路的特性很接近于准甲类的工作状态，在低电源电压时依然保持优异的状态。当然，要在双极型晶体管电路上做到这点也不是很困难，只不过要加入一个动态偏压的电路就是了。

　　就音质表现来说，修改之后的C12有了大幅度的提升，特别是在声音的高频部分，原先的C12在高音区表现比较勉强，改造过后的放大器呈现出细节丰富、音色甜美的特质，音像与中频的细节增进不少。在低频的部分，这也是C12的强项，改造过的放大器维持了原有C12快速反应的特点，但是低频回放的力度没有显着的提高。总的来说，阅读过本文的DIY爱好者都可以从放大器的改造过程中学到不少经验，并从中获得乐趣。没有一台放大器会比自己亲自组装来得动听，也没有一台商品放大器可以给你带来这么多的满足感。后来我对电路图又经过了微小的改动（见图19），这部改造过的C12放大器已经顺利工作了6个月以上，在测试过程中没有出现过大问题，欢迎大家动手实践!