「淺說Hi-Fi音響」一書,原為日本YAMAHA公司所出版的「Audio Handbook」全書計分擴大機、揚聲器......等六冊。以深入淺出之方式,加上生動的插圖,來解說現代高傳真音響的各種原理與知識。其淺出的部份可使一般略具電子常識的人就能看懂,而其深入者則有許多日常少見的新知包含在內,是一套極適合一般音響愛好者閱讀的書籍。本刊預計隔期在每月專載中刊出,除原文由蘇天豪先生譯述外,本刊將酌情插入相關圖片以增進閱讀情趣。
──編者
第一章 放大器的歷史
一、聲音再生的歷史
在剛開始能錄存聲音的時代──也就是當愛迪生將一個圓筒裹上銅箔放在他那新奇的機器上,然後大聲唱出「瑪莉有隻小羊」的時候──不論錄音或重播都未曾應用到放大器,那時候聲音是直接轉換自機械性的震動。
即使當78rpm的唱片問世後,也是用金屬或竹製的針頭來帶動話匣子的諧振器而使輸出增加,那時放大的概念也還沒有形成。手搖式的留聲機就是用類似這種方法發聲的,而在這個時代的末期,也確實產生了幾個傑出的機型。
然而,這種直接由唱片的音槽獲取能量的系統其能量有限,待1905年真空管發明以後,使用電力的唱機就取代留聲機了。
1.真空管的誕生
真管發明以後,由於能把電氣信號放大,電子時代就來臨了,同時也在音響界引起革命。
手搖式留聲機的缺點是要盡可能的從唱片的音槽擷取能量,以期能大聲播出,然而電唱機所要從唱片的音槽獲得的,祇是聲音的波形而已,因此自然能製造出傳真度較高的機器,而這些聲音的信號經真空管電路放大後,就送到和今天所用類似的揚聲器中,因而可以有較大的聲音;電唱機最傑出的特性並不在於轉換的效率,而是在聲音的品質方面,換句話說,是高傳真度(high fiedelity)。
2.LP唱片的誕生
每一種行業都一樣,某一方面有了革命性的進展後,相關部分必然會受到帶動;音響業也是如此,再生技術有了驚人進展後,帶動了唱片乃至音源的改進,結果產生了長播放時間LP的唱片。
唱片的原料從老式的78轉SP(短播放時間)的蟲膠充漆(shellac)質,演變成新式的塑膠質,使得唱片音槽的表面更加平滑,因而能錄製更細微的振動,這樣不僅增加了聲音錄製的範圍以及較少雜音的動態範圍外,同時也使唱片的轉速降低,因此使得播放時間幾乎是SP唱片的10倍。
這種改進又導致了重播裝置的改進,因而形成一種循環的持續改進。
唱片的微小音槽上能有錄製較寬頻率範圍,極較寬動態範圍的能力後,就要求唱頭得有極高的精確性,以期能準確的再生這些信號,這樣又使放大器和揚聲器要有更佳的特性了。
這個時候,由於立體聲(stereo)唱片的問世,使得重播裝置的品質又躍進了一大步。
3.立體聲時代
各種技術上的問題解決以後,使得在所謂45/45立體聲唱片的音槽兩邊錄製上兩條音軌的聲音成為可能,立體唱片要用立體唱頭來重播,同時要用兩組放大器和揚聲器,但是由於驚人的臨場感和其他的好處,不久,幾乎所有的唱機都是立體聲的了,今天,一般的重播裝置通常都簡稱為立體聲。
繼唱片之後,自然而然的錄音帶也成為立體聲的,甚至FM廣播的音樂節目也幾乎全是立體聲的天下了,因此,立體聲的時代也來臨了。
4.電晶體和半導體
音響發展史上另一個重大事件便是電晶體的發明,1955年開發出來以後,一開始電晶體只是用在手提收音機上,此後就漸漸的應用在放大器和電視上,到了1965年,電晶體就正式取代真空管而成為放大器中主要的元件。
然後FET、IC及半導體的進展神速,由於這種元件的體積小、性能高、功率消耗低,終於使我們進入了電子的黃金時代。在今天,90%以上的高傳真放大器都採用半導體元件,而隨著太空時代的來臨,電路技術也有長足進展,音響製品是這一行業中變化較大的,甚至我們可以說是進展最快的。
二、何謂放大?
放大作用到底是什麼玩意兒呢?
如果單照字面上來解釋,就是使某種現象變得更大,也就是使信號的振幅增加,但是這並不像把慢速的移動變得更快那麼簡單。
就變得較大來講,放大作用有兩種現象,一種是某種事物實際上變得較大,例如動物或植物的成長;另一種則是某種事物呈現較大的現象,或者說它呈現和實際上變得較大相同的效果,而目前要討論的是這種效果和實際上變得較大相同的現象。
換句話說,把小力量的波動變成大力量的波動就是放大,如果小力量和大力量之間有因果關係存在,就算是要有外加力量或能量投入,也是放大作用。
我們可以這麼想:踩下油門的力量轉換成了推動汽車前進的力量,因而可以概略的說施加在油門上的力量被放大而使得汽車開動。
而電子信號的放大則是用小能量(小信號)來控制大能量,換遇話說,大能量是和小能量成等比例增減變化的。
1.真空管放大器
ⓐ原子、電子和電
為了能明白真空管和電晶體的作用,有必要先行談一些電的性質。
原子是由原子核和一些電子組成,而電子圍繞著原子核轉動,氫原子只有一個電子圍著原子核轉動,銅原子有29個而鍺原子有32個;每一個原子都有固定的電子數。
電子帶有負電荷,而原子核則帶有和電子負電荷量相當的正電荷,因此原子是中性狀態的。
原子核外任一層上的電子數是固定的,通常最裡面的一層有2個電子,第二層有8個而第三層有18個,銅原子有29個電子,由於前三層佔了28個電子,所以第四層只有一個電子,把這種有多餘電子的物質通電,這個多出來的電子就會被帶走,這種移動就是電流,電流的方向和電子移動的方向相反;有自由移動電子的物質稱之為導體,電子不能自由移動者則稱之為絕緣體,介於兩者之間的就是半導體了,包括有鍺(Ge)、矽(Si)、砷(As)、銻(Sb)等。
ⓑ三極真空管
三極真空管是用來放大的基本元件。真空管是藉控制發射出電子而遂行放大作用,如圖2所示。
如圖所示,三極真空管是由陰極、屏極和柵極組成的,陰極發射電子,屏極吸引積聚發射出來的電子,而柵極則司控制。
有三種發射電子的基本方法,一種是把導體或易於發射電子的物質加熱;另一種是光電發射,第三種則是利用原電子的碰撞而分離出二次電子;加熱法是用於真空管中,光電放射則用在太陽電池等方面。
現在再回到圖2,電壓加在屏極和陰極間,陰極因加熱而使電子更易於發射出來,由於陰極加負電,而屏極的電壓因而流動。
而事實上柵極除了其上的電壓為零時可以忽略外,其他時間還是有作用的。例如說,如果加在柵極上的是負電壓,陰極發射出的電子受到柵極的反彈而無法到達屏極,其效果隨柵極上負電壓的增加而變大,使得更少的電子能到達屏極。
這正意味著變化柵極電壓就能控制住流到屏極的電流,換言之,小電壓的波動導致大電流的波動,因此,輸入電壓控制了不同電源的電流而生出放大作用。
讀者們了解到放大兩字的真正意義以後,讓我們來談一談某些不同的表示法及其意義,那便是高頻提昇電路和低頻提昇電路,這兩者在音調控制電路中會用得到。
對某一水平(例如說:1.000Hz)以上的頻率增幅或放大的正常方法,實際上是對這個水平以下的頻率作衰減,這使得1.000Hz以上的頻率呈現相對的較大,因此如果整個頻帶是同時放大的話,其結果是1.000Hz以上的範圍被放大了,是以高頻提昇電路應當是全頻域放大電路加上低頻域衰減電路或低頻截止電路。
2.電晶體放大器
在真空管裡電子扮演了主要的角色,但在電晶體裡電洞(hole)就登場了,讓我們用鍺質電晶體來說明。
鍺原子的排列很安定,最外層的4個電子穩定的和相鄰的電子連結在一起,當少量的砷或銻(最外層有5個電子)摻入鍺以後,如圖5所示,就有一個電子能自由移動了,這種情形下的鍺有一個自由電子,就叫做N型半導體。
反過來說,如果摻入的物質是3價的銦或鋁,鍺就會留下一個電洞,可以讓電子進來;如果把電洞看成帶有和電子的負電荷相等的正電荷,電洞就能視作和電子一樣的自由移動了,因此有一個移動正電荷的鍺叫做P型半導體;放大器裡N型和P型半導體都應用得上。
ⓐ電晶體原理
電晶體的基本結構是一片N型半導體夾在兩片P型半導體之間,或者是一片P型半導體夾在兩片N型半導體之間,夾在中間的半導體是基極(base),其他兩片之一是射極(emitter),而另一片就是集極(collector),這兩種電晶體分別是NPN型和PNP型,指示射極的箭頭方向不同。
現在我們來看一看電晶體如何工作,如圖7所示,正電壓加在NPN型電晶體的集極而負電壓加在射極上,如此射極裡的電子受負電壓的排斥,而集極裡的電子受正電壓的吸引,然而這種單邊的效果還不足以引起電流。
所以我們還要在射極和基極間加一個電壓,如(b)所示,這樣射極的電子移動到基極去,而基極的電洞遷移到射極來,因此由射極遷移到基極的電子被基極的電洞中和,由於基極很薄,中和了的電洞數比起電子的數目來,要少得很多,而在基極和集極間的電壓是正的,所以這些多出來的電子就能穿過基極而進入集極,導致電子的流動,也就是說有電流流通,這電流稱做集極電流Ic。
在基極中的電洞碰到電子時就中和了,基極上流有正電流,這是基極電流Ib,集極電流因基極電流流通而流通,因此基極電流波動時,集極電流跟著波動,換句話說,基極電流降低時,中和了的電子數減少,射極發出的電子也減少,進入集極的電子數因而也減少,所以集極電流減少了。
這樣,基極電流的小波動,引起大的集極電流波動,這就是電晶體的基本放大作用。電晶體和真空管之間的最大差別在於真空管的信號是電壓波動,而電晶體是電流波動。
PNP型電晶體的電壓極性相反,但觀念卻一樣的。如果把真空管和電晶體做一個比較,柵極就相當於基極,而陰極和射極相當,屏極和集極相當。
ⓑ場效電晶體FET
電晶體不如真空管的地方在於電晶體用電流工作而真空管用電壓工作,然而,一旦所謂的FET(場效電晶體)發明以後,這種高輸入阻抗的電晶體就取代真空管了。
正如名稱所做的暗示,FET只用電場效果來控制電流,所以不僅是不用電壓而且輸入阻抗比真空管的高,因此FET問世後,就引起電晶體放大器的大幅變化了。
FET有兩種類型;接面型和MOS型。
MOS型的FET有很多傑出的優點,但是製造技術很困難,而且用氧化矽薄膜絕緣,一旦電壓超過耐壓值,就會導致和電容器擊穿一樣的損壞。
而接面型的FET,施加電壓超過耐壓值以後,只有少量電流流動,一旦電壓恢復正確值以後,特性也跟著回復。
圖9所示是接面型FET的原理,在半導體棒的兩端有兩個電極,稱做源極(source)和洩極(drain),電流就在其間流通,這個路徑就是通道(channel)在通道的周圍有一閘極(gate);如果通道是P型的,閘極就是N型的,這樣通道和閘極之間就有了PN接面,如果在PN接面間加有反向電壓,會如圖所示形成一個沒有自由電荷的過渡區(空泛區depletion zone),寬度和外加電壓有關,這就像在源極和洩極間的電流通路中的一部分形成一個絕緣區,來限制通道的寬度。
就這樣,變更閘極和源極間的電壓,源極和洩極間的電流通路就受到控制,換句話說,電流的控制正是FET放大作用的原理所在。
接面型FET閘極和源極之間的輸入阻抗有10.000~100.000M ohms(百萬歐姆),而MOS型的則在10¹⁴~10¹⁵之譜,和真空管的100M ohms比起來,就可輕易看出這種類型的電晶體其應用更便利了。
ⓒ功率FET
和各種傳統的雙極電晶體比起來,FET有許多特點,但卻不能處理大量的電功率,即使是普通的接面型FET,最大功率損失也只有1W,結果使得要處理大量功率的固態電子電路只能採用雙極電晶體,各方面也都期盼有功率FET的出現,以期除了擁有FET的優點外還能有處理大功率的能力,盼望歸盼望,由於結構FET的問題,功率FET的發展仍很緩慢,這是因為FET的電流只在半導體薄片的邊緣流動,而單位表面積所能流通的電流較同級的雙極電晶體少得很多,這樣如果要和同級的雙極電晶體有同樣的電流容量,FET的表面積就要做得相當大,因而使得生產速度降低,價格又大幅上揚,離商業化的距離還很遠。
另外一個原因是FET的轉換特性和五極真空管一樣,屬於飽和型的,因而輸出阻抗很大,這對處理大功率的電路架構不合適。
文後所示的圖(a)是水平型FET的縱切面結構,在這種類型裡,電流在半導體薄片的水平面流通,(b)和(c)則是垂直型FET的切面結構,我們來比較一下這兩種。
首先,圖(b)中的薄片同樣大小,而電流卻垂直流通,因而通道的表面積較大,如果有效電流密度規則的話,這種類型便能處理較大的垂直電流。
Yamaha的垂直型FET就是用這種結構來得到需求的通道寬度,甚至還能用數個串連來形成一個通道,這種新開發出來的垂直型FET,是把所有的構成單元有秩序的垂直排列,而不像傳統的水平型FET,利用半導體的平面作為電流的通路。
轉載音響技術第49期JAN. 1980 淺說Hi-Fi音響/音響系統的心臟-擴大機 上篇(第一章)/原載於日本YAMAHA公司出版的「Audio Handbook」/蘇天豪 譯述
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