近兩年來,TIM問題一直讓喜好擴大機的朋友們感到迷惑,我們不斷的在各類文章中及廣告文詞上看到TIM這個字眼,但卻一直很難窺其究竟,尤其是當它一旦變成了頗具效力的廣告詞之後,帶給音響迷的不僅是影響其購買慾望而已,它可能造成錯誤的觀念。當然廣告詞的運用在乎廠商的作法,事實上也沒有一定的約束力謂其可或否,畢竟這個名詞對大多數人而言是太具誘惑力而又陌生得根本無從了解起,即使是在國外,TIM、SID等的被發現也是近幾年的事,所以看到滿天飛的超低TIM產品,眼光撩亂的讓人無從選擇。
認真的說,TIM、SID失真僅是擴大機各類失真的一部分而已,在過去完全不知道它的狀況下,我們的耳朵早已習慣了所謂的高傳真度的聲音,今天突然冒出了這個問題,在聽的感覺上應該說是差異不十分大才對(至少不會像陶瓷唱頭和電磁唱頭那般大的差異)。一部TIM失真很嚴重的擴大機,它的再生能力(或說放大出來的聲音)對大多數人而言仍能表現得相當令人滿意,尤其對一些非得把高低音加強至最大才聽得下去的人來說(有人謂之音盲),更是具有說服力。說的更確切一點,較差的再生體系(包含喇叭、唱頭、音源等)甚至分辨不出TIM的差異,因此期望TIM或SID能解決一切問題,其結果可能會令人失望。不過一部良好的擴大機對真正能分辨得出好壞的人來說,這方面的要求卻一點也馬虎不得,否則即會有束之高閣的命運。
筆者為此文的目的並不是想確立TIM的地位,而是希望提供讀者一些我們的看法與實作所得的經驗,更進一步的說明如何判斷或製作一部此方面失真較低的擴大機。當然以筆者目前之所知以及手邊的儀器並不足以將此問題做個完全透徹的分析,但站在研究、愛好與生產的三重立場原則下,筆者仍願竭盡所知的提供給讀者,即便是錯誤的說法也未嘗不是個好的經驗,希望讀者能多給予指點。
文中所述多為實驗所得,部份資料則是來自音響技術前數期的文章,所採用的儀器為敝社現有的,分別為Kikusui 418B訊號產生器、Kikusui 5512A示波器、Kikusui 4045訊號產生器、Iwatsu 5416示波器、Meguro失真儀、Simpson 464D及Sinclair DM450數字式電表、Sinclair PFM 200計頻儀、Advent Pulse訊號產生器,以及敝社所生產之各型電源供應器。
何謂SID及TIM失真
SID-Slew Induced Distortion,照字面上的解釋為由於轉折率而導致的失真,亦即輸入訊號的斜率(速度)趨近於或大於擴大機本身的斜率(速度)時所產生的失真。所謂斜率是指波型最接近垂直的部份以Y軸對X軸計算所得之數值,亦即所謂之速度。很明顯的,高頻的正弦波速度比低頻的正弦波速度要快,因此SID必然是較易發生於高頻部份。又由於理想方波之斜率為無窮大,因此多作為速度(Slew Rate)的測試依據,也是擴大機接受較嚴格之測試法,而實際的訊源中是不可能有此種斜率的訊號。
何謂TIM失真
TIM──Transient Intermodulation Distortion,瞬態互調失真,意指輸入訊號速度超過擴大機的速度時,會有一瞬間回授無法跟上的現象,此時放大器即形成回授開路狀態,增益變為極大值,於是輸入級即會產生過激現象,使得其它輸入訊號也瞬時失去作用。換句話說,開環頻寬較低的放大器為了使其閉路頻寬變得較佳,多採用極深的負回授(同時也為了降低非線性失真),於是在時間的延遲上也較大,反應速度降低,此時如輸入一個頻率超過擴大機開路頻寬的訊號,即會造成回授瞬間跟不上的現象,此時失真就產生。因此TIM失真也是和速度有關,大體上來說,速度較快的擴大機其頻寬亦較高(但非絕對),TIM失真亦較小。
對於上述兩者的失真雖然沒有一個肯定的表示法來說明失真的大小及產生失真的每一項原因(尤其是有些說法仍為專家們爭議之中),但某些波形的觀察可以幫助我們了解甚至比較得出擴大機在此方面的差異。一般而言,差異很大的擴大機是很容易由普通的示波器上觀察得出,但差異較小或速度較快的就須借助性能較佳的示波器及訊號產生器來分辨之!
由於敝社並無具有照相設備的示波器,雖然5416(Iwatsu)示波器是可附加照相機,然而筆者之技術卻很難得到較好的圖片,因此還需借助其它文章之圖片來說明。
SID大小之比較
正如前述,速度較快的擴大機此類失真較小,因此由速度大小可比較此類失真的狀況。在測試擴大機時輸入一個高頻而振幅亦較大的方波訊號,此高頻之目的是使擴大機之速度無法跟上輸入訊號之速度而造成可觀察的斜度,大振幅之目的是使輸出電壓值超過擴大機之速度值,此時之計算質方為擴大機之速度值。換句話說,SID是發生於高頻且大振幅的狀況下,而於小訊號輸出時比較輕微,比較圖形見圖(一)。
它的計算方法是取方波邊緣上升或下降之值對X軸(時基)之比值,速度之表示方法為V/μSec,即每秒之上升或下降之電壓值。如示波器標準時基定在1μS(以1MHz訊號觀察恰為每一橫格一個波谷或波峯),觀察波形之最大斜率部份,其他彎曲或不規則之部分為電路之電容抑制或性能不佳造成,不予觀察,則每一橫格中Y軸電壓差即為此機之速度,亦稱SLEW RATE,當然時基可以不定在μS,只要所量得之值除以時基,其結果是相同的。
速度較慢的電路,其輸出會呈現明顯的斜度,方波會變成梯形波,這種波形在一般採用慢速IC做輸入級的後級擴大機中最易觀察出;速度較快的擴大機則仍為垂直波形,如果以雙線示波器,同時觀察輸出入波形,則可發現輸入波形的斜率必然超過輸出波形的斜率,此兩者之差異愈大則失真發生的可能性也愈高。
以上波型之觀察及計算對性能較差的示波器,尤其是沒有標準時基選擇掣的示波器而言是十分困難,而對於沒有時間延遲掣(TIME DELAY)的示波器來說,除非是輸入音頻三、四倍以上的頻率(但又可能受輸入衰減器的限制)否則很難計算出較高的速度,原因是波型之X軸展開不夠而量度困難之故!
較好的擴大機雖然無法做到像理想方波那樣的速度,不過在其輸入端接裝有濾波器使其輸入訊號斜率限制在擴大機之斜率之下,同時也可以在完全不影響高頻輸出的原則下定出濾波截止點的高低,速度慢的擴大機也可以用同樣的方法達到目的,但因其速度太慢,濾波器之截止點須降至十分低方能免除較高速度的訊號輸出,如此一來,高頻訊號自然衰減很多,因此無論如何,速度慢的擴大機在高頻部份是絕難達到理想的程度!
後級之速度必須較快
不過在此必須強調的是SID不僅發生在高頻,同時輸出電壓愈高愈容易產生,這是單位時間內的電壓值為一定值(及SLEW RATE)之故,所以小訊號時此類失真不易發生,這也是為什麼後級放大器的速度要遠比前級放大器為高之故。一般而言,前級之輸出電壓皆不超過5Vp-p值,這是指前級放大器在接受正常訊源的工作狀態下的輸出電壓,因此速度在5V/μSec以上即足以應付測試上的SID,即使是假設各種高動態的訊源,10V之速度已遠超過所須!但後級則需工作於大電壓之下。以200W來說,其峯值為112V,也就是說速度需在112V以上方可避免測試上的失真,筆者強調測試上的失真用意在表示測試和實際有所差別,真實的訊源中是不可能發生方波的狀況,尤其是對20K以下之音頻而言,正弦波之速度是相當慢的,因此擴大機所須的速度也小於測試速度,不過較大功率的擴大機也需較高之速度是必然的!而考慮高次波的再生問題,高速度似乎能有較佳之效果。圖四為以IC為主體,聆聽測試之結果。
TIM失真之比較
TIM問題不易用一般的形式來表示,因為它失真的形態涉及了速度、振幅及其他訊號比較確切的方法是對放大器輸入振幅較大的方波及振幅較小的正弦波的調度波。大振幅之目的是使其輸出電壓值亦超過放大器的速度值而易呈現出明顯的斜度,方波之目的是另輸入訊號速度超過放大器的速度同時也呈現出明顯的斜度,正弦波則是便於觀察其損失情形。具有TIM失真的擴大機比沒有TIM失真的擴大機在正弦波的波形上有很明顯的缺少,那是因為速度較慢的擴大機的方波邊緣斜度較小,致使部分正弦波受到此斜度的限制而無法由擴大機放大出來,而失真發生之狀況正如前述──輸入級在瞬間所產生的過激即為一個振幅很大的高頻(速度很快),此時其他振幅較小的訊源即無法完全經由放大器顯示出來!很明顯的,速度快的擴大機,此類失真即很少,因其在任何狀況下方波邊緣之斜度都很大,這和速度快、頻寬高的擴大機TIM失真必小的理論是相吻合的!
TIM失真觀察法和SID類同,可以計算其速度來了解其失真狀況,至於混合波之觀察法,也最好以具有時間延遲掣的示波器來比較,將X軸擴展數倍後,其方波轉交邊緣,即很明顯的看出差異,而普通示波器在20KHz以下的方波幾乎很難分辨出斜度上之差別,自然正弦波之損失也不易看出,比較圖形見圖(二)。
對於上述兩者的失真,雖然是可以用示波器來觀察出其概略的狀況,但卻無法用一個肯定的數字來表示何種程度是無失真,何種程度是較小失真,尤其是放大器中又分成兩三級的放大體系,彼此之間的關係更難以確立,不過能盡量避免此類的失真仍是當今擴大機的主要課題。所以,唯有在不產生非線性失真的原則下提高擴大機的速度與頻寬乃是解決此類失真的方法。又如前述,前級放大器的振幅較小,所需之速度亦不高,因此只要採用適當的電路,此類失真都較小,但以IC作為主體的前級則應採用高速度元件,那是因為絕大部分之IC速度不會超過1V之故,總之前級電路設計法則可參看後級設計法,使其速度在5~10V左右即足矣!是以本文僅對後級放大器加以討論。
速度快慢之原因
早期的電路之輸入端為單晶體或單差動式,它的電壓放大級的集極是接著一個電阻或恒流源以取得負半週的電流,如為電阻式,則輸出電壓由正半週迅速的變為負半週時,電阻即向電壓放大級晶體的集極電容充電,充電的時間即受此電阻即電容的限制,於是速度無法下降太快,因此上升和下降之速度差別很大,由於它的不對稱速度會造成非線性失真的現象,此種不對稱的現象可以用單一晶體做方波觀察(其上升和下降速度會差異很大)來解釋,而另一方面,電阻電容充電時,它的時間對電壓關係也會成為一個對數關係,而非直線式!
採用恒流源的電路
較進步的電路是將增阻電路改為恒流源,利用定電流的方式來充放電,此方法雖然改善了負半週阻抗匹配的問題,但速度卻會因恒流源和電壓放大級晶體之集極電容充的定量關係而受到限制,此種情形可以用恒流源的電容充電時間與電壓關係形成定斜率充電來解釋,而此斜率即受到恆流源電流大小的限制,如電流大,速度即快,但工作點的安全性也降低,此兩晶體可能因此而燒毀,所以採用橫留園的電路速度很難提升!換句話說如要解決速度上的問題,單差動或單晶體的輸入設計必須避免。
雙差動電路速度較快
最新的電路多為雙差動式,這種類型的電路,如設計正確,速度都比較快,其原因是電壓放大級兩晶體之間形成互相推挽的關係,而此兩晶體皆為主動工作,完全受訊號源控制其開或關,如為正半週時,電壓放大級的PNP晶體立即導通,使得電壓立即上升;負半週工作時,NPN晶體也隨即導通。這種相互拉引的關係使得擴大機的速度不會在此受到較大的延遲,不像恒流源或是電阻式以被動方式充放電,受到先天上的限制。
至於電流驅動級與功率輸出級則純為電流放大用,對速度上的影響很小,不過為了獲得較佳之轉換特性,驅動級應設計成A類型式的輸出,同時它和功率輸出級一樣,須接成射極輸出型態,因為此種方法在輸入與輸出級之間幾乎沒有時間上的延遲,速度不致損失,自然頻率響應也較高。
元件之選擇
差動放大級在時間延遲上不明顯,但由於涉及頻率響應問題,是以採用截止頻率較高的晶體為佳,不過應用於電路時必須給予一個較佳的工作狀態,其涉及電阻和集極電阻應予適當設定,電壓放大級為速度及頻率響應之決定機構,除了選用截止頻率較高的晶體外,還需考慮應有最小的集極電容與最快的反應速度,不幸的是截止頻率較高的晶體,速度未必一定快,因此必須以儀器事先挑選,其方法是以單個晶體以方波觀察其反應速度。
驅動級和功率放大級為電流放大用,對於速度和頻率響應的影響很小,筆者曾做過實驗,此兩部分選用高頻管(140MHz)即選用低頻管(1MHz),兩者之間的差異幾乎看不出,當然此兩部分的設計還牽涉到其他方面的性能,不過一般而言,普通的晶體都足以應付,如硬要規定為高速晶體,無疑將是一大浪費。
電路定量之決定
由於此類的電路在音技上出現甚多,唐老編的SF-106即是此電路的典型例子,同時也有不少文章對類似電路做定量分析,本文之目的僅在強調定性的設計法,是以不再贅言。總之依本文所述之方法所設計出來之電路,其速度可以高達300V以上,這對一般中低速度的擴大機而言(5-10V)無疑將是一個驚人的數字,而頻率響應也可以做到起碼的程度,更可能由於設計上的得當,它的其他部分失真也較低。
以IC為輸入級之電路
本文中並未對以IC為差動兼電壓放大的擴大機加以討論,其原因是──一般之IC速度太慢,尤其是是受IC其速度都在0.5至1V左右,而頻率響應亦較低。以此類IC構成之放大器雖然經過設計上的技巧可以將速度略為提升,但幅度有限,所以對此方面的失真而言,毫無疑問的是十分嚴重(實際測試其他方面性能亦較差),即使是使用於振幅較小的前級亦然。近數年,有所謂的高速IC出現,但大部分IC皆是採用非線性的方法提升速度,速度上雖然大幅提高,而非線性失真的增加卻是一項缺點,僅有少數IC像是TL 071、TL 080等採用場效晶體做輸入級,此方面的效果十分令人滿意。
結論
本文中曾一再對高速度的電路加以分析,但是否速度愈快就愈好呢?許多人認為低TIM或SID極小才是達到高水準擴大機的唯一法則,其情形尤如此類失真尚未被發現以前,大家的目標都是集中於各類數據上的要求一樣,諸如:頻率響應、總諧波失真、訊噪比、阻尼因數、高動態輸出等特性,尤其是在廠商的刻意渲染之下,形成了純數據規格的競賽。事實上每一種失真源都是十分的重要,一部優秀的擴大機應該是設計成各方面失真都較低,起碼能均衡的消除所有能聽得出來的缺點。
許多人堅持以金屬膜電阻製作前級,甚至連後級也是如此,當然對於鉭質電容、完全配對的晶體、高頻管更是不惜餘力的去找尋。這種執著認真的態度固然是對的,不過若是對電路的研究也是如此那就更好了,筆者並不贊成若看到2N3055、MJ2955所製作出來的電路就嗤之以鼻的觀念,合理的將每一個元件的性能發揮到最大值才是認識電路成功的地方,筆者以為製作一部電路其知識上的獲得所具之意義要遠較企圖改善音質之意義來得大。
轉載音響技術第54期JUN. 1980 談音頻擴大機中的速度/夏海蔭(愛韻社)
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