和田茂氏前级放大器制作
和田茂氏前級放大器製作
作者：王湘華2012/05/05
和田茂氏前級放大電路(網路上的"和田"電路圖如Fig-00)的好音質，已是眾所周知的。其針對Marantz 7 的不足加以改良，以SRPP 作為輸出級，改善了高頻響應，提高了訊噪比，使音效更均衡且全面化。這是我第一次嚐試製作和田茂氏前級電路，製作過程還算順利，但電路特性測試卻有許多疑問及心得產生，在此與同好分享。
Fig-00
一、製作
電路板配合半搭棚方式仍然是我的最愛，使用標準的萬用PCB 好處之ㄧ就是標準的螺絲孔位，將來可以更換不同的前級電路而不須變更機箱的螺絲孔位。習慣性的先在紙上繪製元件配置草圖(如Fig-01)，其次進入管座開孔作業。
Fig-01
真空管做仍採用搭棚式小9孔座，在電路板上先以麥克筆畫上孔位，以小鑽頭、斜口鉗概略開出孔洞(如Fig-02a)，Fig-02b 圖可以清楚看見孔洞極為粗糙(向狗啃的一樣)。
Fig-02a
Fig-02b
接著就是擴孔器上場了(圖Fig-03a)，手動的擴孔器較便宜，對付PCB 綽綽有餘(純鋁3mm以下面板其實也還算OK)，過程中必須不停的比對管座是否已可以貫穿PCB，圖Fig-03b 為處理過之孔位狀況，較之前明顯工整許多。
如圖Fig-03C 加入螺絲孔位，圖Fig-03d 將真空管裝入PCB 孔位之中。
Fig-03a
Fig-03b
Fig-03c
Fig-03d
依照元件規劃草圖，逐步將料件組裝上PCB(此時就可以看出元件草圖的重要性)，其中小部份元件採用搭棚方式完成(如Fig-04a、Fig-04b)，最後將真空管(12AX7、12AU7)裝入管座之中，至此完成半成品圖如Fig-05。
Fig-04a
Fig-04b 部分元件採用搭棚方式
Fig-05 半成品圖
二、電路修改與測試
由於現在的音源多數為CD、DVD 之類，音源訊號輸出就有～2Vm，因此前級放大部分不需要太高的電壓增益。網路上許多試作和田茂氏電路的同好都有相關的疑問，如何可以降低其電壓增益？
依圖Fig-00 電路計算，回授電阻為25K，所以電壓增益大約為
Av = (2+25)/2 = 13.5 倍
在這裡希望將增益降為5左右，第一個觀念就是將回授電阻減小(其實這是很具挑戰性的作法)，此處改為10K，理想情況下增益大約可以降為
Av = (2+10)/2 = 6 倍
另外，因為直流偏壓採用Zener 穩壓+260V，比原設計(+275V～+280V)低了一些，所以將12AX7 偏壓電阻做了小幅度的修改(圖Fig-06b、Fig-06c)，電路如圖Fig-06a 所示，尤其V2(12AX7)的屏極電阻120K必須仔細計算過，因為此處為DC 直接耦合至12AU7。
Fig-06a 和田茂氏(修改1)
Fig-06b 12AX7 (V1)
Fig-06c 12AX7 (V2)
加上電源之後，電路開始振盪！趕緊將電源關閉，痛苦！這是第一個考驗，但也不必灰心，通常代表此電路高頻響應ㄧ定非常好，頻寬很寬。振盪原因不外乎是因為我們修改了回授電阻(減小為10K)，將增益Av 改小了ㄧ倍多，所以頻寬增加了近一倍多，於是引發高頻振盪現象(所以之前才說這是很具挑戰性的作法！)。解決辦法是在回授電阻10K上加了30pF 小電容(如Fig-06a)，這是很最常用的解決手段，增加高頻的負回授量，於是高頻振盪暫時消除。測量各點直流偏壓值，還好與修改後的數值差不多相符。
三、和田茂氏的正回授電路
在『和田茂氏』電路中其實包含了ㄧ個正回授電路，不知道許多組裝此電路的同好是否有注意到？(還是只蒙著頭，拼命按圖仿製?) 在輸出級SRPP 電路中，12AU7透過2.5K電阻(波形如Fig-07)、0.1uF/400V 電容產生少量的正回授效應，在放大器電路中，這是非常少見的設計，其目的應該是要補償(或增強)高頻的音色表現。
由此，在ㄧ般同好製作"和田茂氏"電路時，在方波響應中應該都可以發現有不小的振鈴現象(例：相關網路大作)，甚至也有同好對於方波響應振鈴現象產生困擾，熱烈討論的也有(例：網路相關討論)。
Fig-07 和田茂氏正回授2.5K 電阻之方波響應波形
圖Fig-08a、Fig-08b 為本電路的方波測試(f1=20KHz、f2=100KHz)，考慮後級(功率級)的輸入阻抗，將輸出接上20K歐姆假負載(Dummy Load)做為測試基準。由於頻寬增加了ㄧ倍以上，因此正回授效應仍產生了輕微的高頻震盪現象，或者應該說是諧振點附近的高頻訊號成分被特別放大輸出的現象。
Fig-08a 正回授f1=20KHz 方波響應
Fig-08b 正回授f1=100KHz 方波響應
如果說這種少量正回授效應，就是產生靚聲的原因，我想同好也不妨將其保留。有許多人是照圖安裝，就直接上線試聽，只要滿意就OK了，這裡要強調的是，每個人的聽覺感受不同，對各種音樂性的『爽』度也不同，各有各的樂趣，沒什麼不可以的。在此我個人認為，因為之前修改了回授電阻，刻意將增益Av 降低，結果反而造成頻寬倍增，這其實已達到改良高頻響應特性的目的(超過100KHz以上了)，所以正回授部分其實已不太需要存在，因此，在圖Fig-09a 修正電路中，將正回授部份電路與予刪除。圖Fig-09b、Fig-09c 為無正回授電路之方波響應波形(f1=20KHz、f2=100KHz)，和圖Fig-8a、Fig-8b 相對照，除了"毛邊"不見了之外，方波響應幾乎維持不變，結果與理論相符，且令人滿意。
Fig-09a 和田茂氏(修改2) (刪除正回授電路部分)
Fig-09b 無正回授f1=20KHz 方波響應
Fig-09c 無正回授f2=100KHz 方波響應
迴路增益實測為Av =5.5倍，與設定的理論值大致相符。圖Fig-10 為頻率響應測試，頻寬為：
8Hz ～80KHz 為0dB
3Hz ～250KHz 為-1dB
全段頻寬範圍不但寬，而且也非常平坦，由此可以想見，其高、低頻的聲音的表現一定是非常優秀的。
Fig-10 (無正回授)和田茂氏電路頻率響應測試
四、『和田茂氏』電路的另一個問題
另外要提醒一件事，網路上也有流傳另一款版本的『和田茂氏』電路圖(如Fig-11a)，此圖與『和田茂氏』原圖(Fig-11b)其實是相符的，但回授電容(3.3uF)的位置，我認為可能有點問題。
實際測試，在高頻範圍，回授電容阻抗Zc=0，不會產生問題；接近低頻(<20Hz)範圍，回授電容阻抗Zc越來越大，
Av = (2+10+Zc)/2 ---> Av 越來越大！
設f=10Hz, C=3.3uF
則Zc=1/(2*3.14*10*0.0000033) = 2413 歐姆
當Rs=75K (Avo=38) --> Av = (2+75+2.413)/2 = 39.7 (大約上升0.38dB)
當Rs=10K (Avo=6) --> Av = (2+10+2.413)/2 = 7.2 (大約上升 1.6dB)
設f=5Hz, C=3.3uF
則Zc=1/(2*3.14*5*0.0000033) = 4826 歐姆
當Rs=75K (Avo=38) --> Av = (2+75+4.826)/2 = 40.9 (大約上升0.64dB)
當Rs=10K (Avo=6) --> Av = (2+10+4.826)/2 = 8.4 (大約上升 2.9dB)
電路增益Av 會有上升趨勢，尤其是回授電阻Rs減小時更為明顯，也就是在低頻段頻率響應並非是平坦的，而是會有隆起的現象，不知道這會不會是原始設計者的用意？
當然，原始的『和田茂氏』電路回授電阻Rs為75K (迴路增益Av～38倍)，此現象是會比較輕微一些。再加上12AX7的V1與V2之間耦合電容(0.01uF)用的很小，換算
fL=1/(2*3.14*RC)=15Hz，也適時抵消了這個低頻響應隆起的現象。(我用的是0.47uF，換算fL=1/(2*3.14*RC)=0.34Hz，刻意保留低頻響應)
總之，這也是修改『和田』的回授電阻會產生的問題之一，因此回授電容的位置也做了修改。
Fig-11a 網路流傳的另一款『和田茂氏』電路圖
Fig-11b 和田茂氏(原圖)