DZ OPPWR穩壓電路分析

文張元龍

OPPWR穩壓？真是拗口。它代表DZ設計的『OP誤差校正』『Power Supply』，以後我們將簡稱為DZ的『OP穩壓』。

無論是MOSFET穩壓、窪田式穩壓或者什麼定電流穩壓（詳見註一），其實都是『串聯穩壓』，Series Regulator，動作原理都是十分類似的，只是在組成的技巧上略有差異。

本文介紹的DZ OPPWR穩壓在設計上歸屬於串聯穩壓，但複雜度較高，客觀特性也有明顯的提升。最大的差異，在於本機使用OP來擔任誤差校正（過去稱為『誤差放大』，但如立民兄所言，還是改稱『誤差校正』來得妥當），比起傳統使用單一晶體或兩只晶體差動的作法，雖然零件數量相去無幾，其實卻是複雜許多：因為OP內部本來就是相當複雜的電路。

使用OP來擔任誤差校正的工作，理論上可以有非常好的頻寬與速度，但仍有其限制存在：

1. OP的承受電壓有限
2. OP對於電壓穩定度的要求較高

針對上述兩項限制因素，DZ在規劃OPPWR穩壓時，特別選擇了高耐壓的Burr-Brown OPA604（http://www.burr-brown.com）OP，最高承受電壓高達正負25V，可以提供充裕的動態範圍。

其次，由於OP對於電壓穩定度的要求極高（詳見註二），如果直接將OP的電壓供應端拉到未穩壓處，不僅耐壓大受限制，驚人的漣波也足可讓OP舉措失當，無法正確的感測校正輸出電壓的變動。為了解決這個問題，一般作法都是使用簡單的穩壓二極體Zener供應OP所需，但Zener的輸出阻抗動輒上百歐姆，與其說是穩壓，不如說是勉強的降壓而已，效果有限。

DZ的作法非常簡潔有效，就是使用LM317/337先提供約16.9V的穩定電壓給OP，讓OP在堅實穩固的基礎上動作。眾所周知，如果擔任誤差校正的元件本身基礎不穩，何以發揮正確的誤差校正功能？雖然使用LM317/337穩壓的電路複雜度較高，但增加的成本不過數十台幣，跟實際的性能提升相較之下，實在非常划算！

從DZ創站開始，我們不斷強調音響電路設計其實是非常簡單的，根本不必幾十年的深厚經驗，只要一點點的邏輯概念與電路知識（詳見註三），要看懂這個穩壓電路其實非常容易。事實上，DZ的張國平兄在Layout這個穩壓電路時，連草圖都沒打，就直接下手繪製電路圖。只要您的經驗夠、邏輯概念夠強，也可以做到的。

分析電路的第一部，就是把幾個主要方塊框起來觀察，如下圖所示，先掌握概要，再逐一擊破：

一､濾波整流單元：

這部份是所有穩壓必須的。先將來自變壓器降壓的『交流電』整流成『直流電』，然後以『濾波電容』將直流處理得更為平滑、雜訊更少。在這裡，我們經常用上一個公式，當輸入交流電壓為15-0-15時，整流後可以得到多少電壓？

很簡單，把15乘以根號二即可。因此整流後的電壓約為正負21V（15*1.414），切記，輸出電壓永遠低於這個21V，如果需要更高的輸出電壓時，就必須提高輸入電壓。

二､誤差校正穩壓：

整流過後的電壓分從兩路去，一路往輸出達靈頓晶體TIP122/127的集級，另一路先進入LM317/337，得到16.9V左右的穩壓，提供給擔任誤差校正的OP。為什麼OP校正需要穩壓？理由如前述。（註四）

讀者如果多留心，會發現LM317/337的穩壓輸出除了給OP之外，也給了LM334這個恆流源。LM334的目的，是要提供LM336恆壓源（整個電路的參考電壓）一個穩定的電流。讀者或許會很納悶，既然LM336稱為恆壓源，理論上它的端電壓不隨電流而變的，何必使用LM334恆流源？同樣的道理，既然LM334稱為恆流源，通過電流也不該隨外界電壓而變的，那何需借用穩壓輸出？

理由很簡單，因為沒有一個元件是完美的，雖然號稱『恆壓』，但其實仍會隨著通過電流而變，只是變動幅度少；雖然號稱『恆流』，其實仍會隨著其上壓降而變。DZ的作法，則是提供穩壓給恆流源，恆流源再提供恆壓源，穩上加穩，雖說錦上添花，但求最佳穩壓效能而已。

三､誤差校正與輸出：

這個『誤差校正與輸出』方塊其實在MOSFET穩壓上也有，只是MOSFET穩壓使用MOSFET為輸出晶體，而OP穩壓則採用達靈頓晶體為輸出晶體。另外，MOSFET穩壓使用面對面的兩個差動晶體擔任誤差校正，OP穩壓則使用OP擔任相同工作，而OP正是由眾多晶體構成電路積體化的成果。

如果讀者對OP的動作略有概念（註五），可以非常容易的看出誤差校正級的動作方式。要偵測誤差，首先要有一個『參考標準』，LM336-5就是一個5V的參考標準。有了『參考標準』，接著是找尋『偵測點』。該從哪裡偵測？當然是輸出端，因為我們就是要求獲得穩定的輸出嘛！輸出一有誤差，就要立刻偵測出來。

讀者可以參考電路圖，誤差偵測點從輸出端透過電阻、可變電阻拉回OPA604，而這個電阻/可變電阻其實可視為一個分壓機制，在正常情況下，輸出電壓經過分壓後的電壓（也就是進入OPA604第二腳的電壓）應該與第三腳相同，也就是LM336提供的5V。

現在我們來模擬OP的動作（把自己當成一個OP吧！）。當輸出電壓偏高時，經由電阻分壓至第二腳的電壓也會偏高，注意，此時OP反相腳的電壓高於正相腳的5V，這點您注意到了嗎？此時，OP輸出偏負，經過控制晶體把電壓拉回來（或者說是減少晶體的導電度）。

同樣的道理，當輸出電壓偏低時，經由電阻分壓至OP第二腳的電壓也會偏低。而此時OP反相腳的電壓將低於正相（嚴格的講，非反相）腳的5V。於是OP輸出卯足了勁朝正電壓的方向拉抬，直到OP正反相電壓相等為止。

這個OP正反相電壓到底會不會停在『相等』的這一點上？好像會，又好像不會。講得正確一點，這是一個『動態系統』，追求的是一個『動態平衡』。當輸出電壓太高時，連忙通知OP拉低，拉過頭了？再通知OP拉高，就在高高低低之間，逐漸縮小調整幅度，然後進入一個平衡點。這個平衡的速度快慢，就是所謂的頻寬。有的穩壓平衡速度慢，就是頻寬窄，有的穩壓平衡速度快，就是頻寬佳，也有的穩壓隨時都不平衡，晃啊晃的，這就是振盪。

雖然OP穩壓的設計較為複雜，但事實上由於OP的加入，使得整體電路看來更容易理解，相信讀者有了這些基礎知識後，也能參照其他相關文章來自由發揮，充分掌握這個看來複雜其實簡單得不得了的穩壓電路。

註二：許多OP前級不好聽的主因，在於電源穩壓的設計不當。OP是相當精密細緻的元件，對於電源有相當的敏感度，萬萬不可不慎。

註三：所謂電路知識，就是初中物理教過的V=IR，電壓=電流*電阻，這樣大概可以解決80%的音響電路問題，至於是否要讀得更深入？就看諸位網友的興致了！

註五：請參考立民兄撰寫『LM3886計畫開跑(1)(2)(3)』一文。