音響技術的長期讀者大多會知道Nelson Pass,他是A-40的原作者,也是串疊放大、動態A類的設計者,目前是THRESHOLD音響公司負責人。此篇文章是PASS先生歷年來的佳作──在實質上或許沒什麼幫助,甚至引人誤入歧途,但大家卻可欣賞到此公的罵人藝術──當心你也被罵到裡面！──編者
每一位想買放大器的愛樂者一定都曾有過這種經驗：走進音響店,架子上林林總總擺滿了各式各樣,各種不同廠牌的放大器。面對這許多的「黑箱」,一面端詳著規格,考慮其可靠性,另一方面只好藉著喇叭作媒介評斷放大器的性能。
功率放大器是在人類感官所無法探觸的領域內工作、發燒友可以看到唱針在唱片上滑動的情形,可以看到錄音機導帶輪的轉動,甚至喇叭振膜的振動,或是調整前級的控制鈕而瞭解每一部份的功能。但對功率放大器來說,除了電平指示器的閃耀提醒我們它在工作外,整個放大器是秘密而奇妙的執行它的工作。由於我們無法看到通過放大器內每一個元件的電子對音質所產生的影響,自然會有很多錯誤及不完整的訊息渲染了聆賞者的感受。
本文是針對目前放大器技術及觀念所做的簡介,並澄清一些觀念。
假設
如果要你對理想的放大器下一個完整並不正確的定義,你會怎麼說？所有聽音樂及玩音響的人都會同意：一部好的放大器應該是百分之百線性的電壓放大器。也就是放大器的輸出訊號無論在何種電壓電流下都應與輸入訊號相同。
換一種方式來說,放大器要有無限大的阻尼因數,能保持無失真的電壓輸出,提供足夠的電流供負載產生正確的電壓。姑且不提對電壓及電流無限制的要求,我們先看一下在放大器最大輸出能力下的非線性及線性失真。
非線性失真的起因很簡單：所有有增益的元件無論是雙極電晶體、場效應晶體(FET)或真空管,都有其特定的增益。雙極晶體利用輸入電流控制輸出電流,而場效應晶體及真空管則利用輸入電壓控制輸出電流。輸出訊號對輸入訊號的比值就是元件的增益,增益又隨元件的不同而改變,更重要的是;增益會受電壓、電流、溫度的影響。
由於音頻訊號變化所引起的增益改變是產生失真的最基本因素,如果元件的增益能不受外在因素的影響,那麼放大器就可以達到百分之百無失真的理想。
負回授
因為理想的元件尚未製成,工程師們設計了許多方法來減少增益的變化或對變化作修正,最常見用來修正線路性能的方法就是負回授了。
負回授的原理是將放大器的輸出訊號與輸入訊號做比較,如果兩者之間有誤差存在,負回授的線路產生一個倒相的修正訊號與輸入訊號混合,這個修正訊號則與放大器中每一級的失真抵銷。
負回授從理論上來看實在是最自然且理想的方式,事實上卻並不盡然。如果你所處理的線路本身是無失真的話,負回授的理論可以完全的適用,不幸的是負回授就像從銀行借錢一樣,越需要借錢的人,往往也就是借不到錢的人。如果本來線路就無失真,你根本不需要負回授;越需要負回授的線路,在加上負回授之後就產生更多的副作用。
因為負回授迴路所做的修正必須經過一段時間後才能達到放大器的輸出級,所以放大器的速度一定要比最高的音頻訊號還要快上許多;同時要不易受頻率的影響,否則會引起放大器的不穩定。不穩定之後易形成振盪,即使不致於產生振盪也會使負回授的作用消失。以欣賞的經驗來說,會使高頻尖銳、刺耳而中頻變調。
除了最容易測出的負回授失真外,還有一種與線路無關卻很容易感覺出的失真。再音響系統中的每一部份都有與生俱來得失真,包括了空氣、甚至每個人的耳朵都有這種自然的失真,這些也就是所謂的低階諧波與互調。如果以較廣義的觀點來看,音樂訊號中本來就包含了這種成分,對聆賞者來說毫無影響,只不過使音樂顯得更溫暖,而在音樂中多加了一些輸入並未包含的訊號。
大量的負回授往往會使音訊的內容減少而非增加,使得音訊在傳送的過程中遺漏了一些,造成音質的冷峻;這種情況也發生在暫態互調失真(TID)很嚴重時,這種情形下某些波型會在高迴轉率的需求下消失;雖然在實際的音樂裡這種情況下不一定發生,可是只要有這種情形發生,我們一定能感覺到。
由以上的結果,我們所需要的線路一定要儘可能的線性,並使用最少的負回授來改善性能。
線性線路
由於音頻訊號的本質是藉著電壓與電流的變化來傳送,我們最有效率的設計就是推挽式,亦即放大器的正半部與負半部交替的工作,每一個部份負責處理一部份訊號。正半部將正的電壓及電流送至放大器,負半部將負的電壓及電流送至放大器。這就像是接力賽,每位跑者負責半圈來傳遞棒子;這種設計的問題出在兩個部份在交換工作的時候。
推挽式放大的非線性主要就發生再這一點,對B類放大尤其嚴重,因為在傳遞訊號前其中半部必須先關掉,就好像接力賽在交棒時先停下來再交棒一樣。結果可想而知,對元件來說,主要的原因就是在截止點附近的增益變化最大,另一方面元件在開關時都需要一點時間,也造成了轉換時的非線性。
在AB類放大,這個問題就減輕了一點,它的方法就像接力賽時,接棒的人提早開始向前跑,所以傳遞棒子可以不必停下來。對放大器來說就是對輸出級加上偏壓,而在轉換時使兩者的部份短暫的共同分擔工作,這樣在小能量的時候能使非線性減至最低。
A類放大是最好的一種,它是使兩個部份在所有的時間內共同來負擔工作,而一勞永逸的解決了交換時產生非線性的問題。不幸的是A類的效率太差,一部一百瓦的放大器,靜態時的消耗高達300瓦！這就是為什麼純A類放大器不是功率小就是巨無霸。
1976年Threshold提出了動態A類偏壓的專利權,這個系統隨著流過喇叭的電流來調整偏壓因而增加A類放大效率;利用這種技術Threshold 800A型每聲道200瓦的A類放大器,其靜態消耗每聲道僅50瓦而已。
動態偏壓成為減少失真的方法中最流行的一種,今天有超過12家以上的廠商使用這種方法,大多數都是日本廠商,很多廠商都宣稱這種方法是他們所發明的。
串疊(cascode)是另一種降低增益元件事真的簡單方法,它是將特別接成一組的並列元件當作一個。你可以想像到,它們的增益一定保持在兩個極端之間,一方面有許多元件的承受功率很大但速度慢失真高,另一方面也有許多元件的功率很低但速度快,又有良好的線性。但是理想的元件並不存在,唯有串疊才能達到相同的效果。
在串疊的原理裡,兩個元件縱排,其中一個元件防止另一元件受電壓變動影響(所以承受較大的能量),而另一個元件則控制流過這一組元件的電流。只要我們使用高功率、中等性能的元件作電壓屏蔽,而低功率、高性能的元件控制增益,我們就可以使兩者的優點發揮到極致。單是這樣做就可以大量降低增益放大級的失真,更何況由於高增益元件能保持在定電壓下,因電壓變化所引起的增益變化也降至最低,失真更是減少。
Stasis的設計
1976年我發現雖然串疊的方式可以消除由電壓變動引起的失真,最嚴重的失真乃是由增益元件的電流變動所引起。雖然A類放大利用大量的靜態電流壓抑了這個問題,但是如果直接減少電流的變動,不是能更確實的解決這個問題？只要你能想像縱列的增益元件是用來降低電流變動而非電壓變動的話,這個問題不就能解決了嗎？基於以上的構想,我設計了Stasis放大器。
你只要將串疊原理中的電流與電壓對調,你就得到了電流增阻的原理。其中高功率的元件防止低功率高速度的元件受到電流變動的影響,而利用低功率的元件來控制電壓;它可以簡單到只用一組共集極及共射極的晶體。
電流增阻再與串疊配合的話,其線性的程度幾乎達到理想。當第一部實驗機裝好後,在沒有負回授全功率輸出下,失真僅0.03%;所以去掉負回授成為可行的想法。為了證實這種想法我們又裝了幾部幾乎完全一樣的放大器,唯一的差別是負回授的程度。在看不到放大器的情況下,參與測試的4個人都能認出沒有負回授的那一部,並且一致同意無論在何種喇叭及音樂下它的表現都是最好的。
新式的增益元件
雖然線路的設計方法對降低元件的失真有很大的影響,但是如果元件本身就能夠減少失真的話就更理想了。這種心態很有趣反映在許多發燒友想盡方法,使用最高級的誤差最小的電容電阻裝在線路上,卻毫不考慮與電容、電阻連接的增益元件本身即有高達50%的變化。只要看過零件規格的人都知道廠商對增益元件所列出來的僅是增益的範圍,所以一個典型的雙極電晶體其增益可能再20至120之間的任一個值。唯一能確定的方法是一一測量,而且如果你想確保線路的性能,你也一定非這麼做不可。在Threshold的工廠裡,對線路中的半導體做完整的測量是我們的基本手續,立用電池所做的測試包括了增益、線性、噪音、崩潰電壓、次級崩潰功率。大約10%左右的零件不合我們的標準,如果用了這些零件一定會影響線路的工作甚至於無法工作。製造商可以利用負回授來改進線路的性能,可是負回授並不能增加元件的可靠性。
有些設計師為了使用更好的功率元件改用MOSFET,大多數使用MOSFET作為功率放大元件的廠商所發佈的資料都說MOSFET本身的失真比雙極電晶體要小。其實不然,對市場上功率MOSFET實際測試的結果顯示其非線性的程度大約是雙極電晶體的三倍以上,所以更需要負回授的修正。使用功率MOSFET有許多好處,特別是線路結構簡單,但絕不是因為它的失真低。
超迴轉率及簡單的線路
幾年前,設計師們就發現負回授的影響在低速的聲頻線路上特別嚴重,所以使用負回授時一定要有更快的線路。迴轉率常被用來測量線路的速度,所以很快的就發現使用負回授的線路,必須具有比最快的音頻訊號還要快很多的迴轉率才能避免失真。在音響工業標準的心態下,很多廠商立即宣佈他們生產了具有超高迴轉率的放大器,迴轉率高達每微秒數千伏(KV/uS)。
好像大家都認為唱片上音樂訊號的電壓變化率常接近甚至超過低速的放大器(10~30V/uS),所以一定要有高速的放大器,許多設計師都主張放大器要有10倍的速度,所以一個處理50V/uS訊號的線路至少要有500V/uS的速度。當然這也隨著線路本身的失真及使用負回授的多寡而變;對無失真、無負回授的線路來說只要2至3倍的速度就可以了。
但是音頻訊號的迴轉率到底應該是多少？長期的測試：使用動磁唱頭播放唱片而使100瓦放大器不產生切割的最高迴轉率低於1V/uS！使用動圈唱頭的迴轉率約為兩倍,也不超過2V/uS。我所測試過最快的唱片是Sheffield Drum Record,使用動圈唱頭產生200瓦峰值輸出時迴轉率才5V/uS。這大概是最快的了,更不用說90%以上的唱片迴轉率都不超過1V/uS。
如果我們接受在使用負回授時要有10倍的迴轉率,那麼對每聲道100瓦的放大器其迴轉率不必超過50V/uS,而每聲道400瓦的放大器其迴轉率不必超過100V/uS;一般來說低達20V/uS的迴轉率我們也能接受。
雖然如此,我仍然是贊成高迴轉率,只不過是有澄清的必要。我們的放大器迴轉率約為100V/uS,迴轉率的提高,增加了線路的複雜性,因而降低了音質的水準。
你一定還記得有一段時間許多廠商製造出幾乎沒有失真的放大器,如今再看看這些器材,那些在音響迷的心中佔有一席地位？據我所知,沒有。這些線路很複雜,用了大量的負回授,可是也毫無音樂性;今天大家已經不再用失真的大小來評價器材的音樂性。
相同的情形也發生在迴轉率,具有高迴轉率的放大器並非全部令人滿意,能忠實表達音樂訊息的放大器都具有最簡單的概念使用最好的元件。凡是以複雜線路設計製成的放大器,除了廠商自己外沒有人說好。
結果很明顯,能忠實傳達音樂訊息的放大器,必然是一：線路簡單,二：具良好的線性。那積體電路(IC)為什麼也不好？因為積體電路的內部線路複雜、元件繁多,每一個部份都有本身的失真,加在一起形成很複雜的失真,唯有靠大量的負回授才能解決這個問題。諷刺的是：積體電路之所以複雜,就是為了增加增益應付負回授對整個複雜線路的失真做修正。
為什麼真空管的音質好？因為真空管設計的線路簡單,用的零件少,所以線性控制得好,你絕不可能發現一部真空管前級用了50支管子。
線路簡單是最主要的因素,我發現使用簡單的線路,對線路測試的結果與實際試聽的感覺很接近。如果線路很複雜又用了負回授的話,測試的結果與試聽的結果就是兩碼子的事了。在所有條件均等的時候,簡單的線路表現的一定比複雜的線路好。
在沒有負回授或負回授很少的時候,一個設計簡單的線路,即使有1%的諧波失真,只要失真是單調變化,(即隨著功率的大小成線性變化),仍可以有良好的表現;同時具單調變化失真的放大器在低功率時表現的更好。A類放大的失真是單調變化,空氣的失真是單調變化,人耳的失真也是單調變化。B類放大及數位音響的失真都不是單調變化,使聲音不自然。
電源供應
非線性失真主要的來源是放大器的電源供應,電壓變動會引起失真,一是因為改變了增益元件的電壓,二是因為這個變動會隨著供應的電流串入放大器的線路。這個變動包括了電源供應中的漣波、交流電的變化,及變壓器的負載;此外這些變動也反應在輸出訊號的諧波裡不受輸出頻率高低、功率大小的影響。
有兩個問題我們要處理,第一我們希望電源供應越穩定越好,以免交流電的變化串入放大器中。第二我們設計的線路能儘可能的不受電源供應變動的影響;線路的這個性質稍為電源供應排斥化(Power supply rejection ratio)。
與一般想法相反的是：增加綠波電容的容量並不是穩定電源電壓的最好方法。這種方法可以隨電容的大小減少漣波及諧波,但主要因變壓器負載所引起的變動仍然存在。你每增加濾波電容的容量,以及變壓器的容量兩倍,對電源供應的穩定增加6分貝,如果你希望藉著增加電容及變壓器的容量來降低因電源供應引起的失真的話,要付出的代價就太大了。
一個設計良好的變壓器,本身能保持相當的穩定平衡,而非許多廠商所強調的變壓器是一個巨大的貯能槽,能應付任何瞬間訊號的需求。因為電源供應以60Hz的交流電來說,每8mS充電一次,所以要從電容器中索取能量一定要在1/120秒內完成。
自然的,凡是電源供應穩定的放大器其動態餘裕(headrom)都很差。動態餘裕代表電源供應在穩定狀態下應付暫態反應的能力,往往也就代表了變壓器的性能。許多廠商以寬裕的動態餘裕作為宣傳的要點,但這不能真正的表示放大器的性能。2分貝以上的動態餘裕也就表示廉價的變壓器被負載吃掉了許多額外的電流,造成電源供應的變動產生失真。注意：一部好的電源供應在沒有噪音,也毫不受負載影響時,其動態餘裕應該是零分貝！
電源供應排斥比(PSRR)是改進電源供應器性能最有效的部份,你可以用10倍大的變壓器及電容改進電源供應的性能達20分貝,也可以修改線路的PSRR使性能改進20分貝。Threshold放大器有相當的PSRR,約100分貝左右,也就是說1伏的電壓變動對線路只產生10uV的誤差。這種誤差產生的失真在大功率時只有幾毫伏的失真及噪音;我們是利用串疊的原理及雙重整流定電流源的方法設計的。
阻尼因素
你應當還記得前面所提到的線性失真,簡單的說,這是因為固定輸出阻抗及有限的頻率響應造成的非諧波失真。只要輸出阻抗不是零(其實永遠也不可能是零),喇叭負載阻抗的變化將引起輸出的振幅及相位偏差。
可嘆的是,音響工業大都以阻尼因數來代表輸出阻抗。將輸出阻抗除上八歐姆所得到的阻尼因數其實與實際的表現無關。例如阻尼因數10000的放大器好像應比阻尼因數1000的放大器好10倍,不幸的是輸出阻抗必須與負載阻抗串聯,所以阻尼因數10000與1000的放大器性能的差別約0.1%而已。
如果這不算嚴重的話,廠商所公佈的阻尼因數都是頻率很低時的結果,例如20Hz。你可以想像的到這是最大的時候,尤其使用負回授,可是這個值會隨頻率升高而衰減。通常20Hz是1000時,1KHz只剩100,到了20KHz常低至20！
另一個使阻尼衰減的因素是幾乎所有的廠商在輸出線路及輸出端之間串上了電感,以防止線路在高頻時受到外界的影響;一個10uH的線圈使20KHz左右的阻尼降到10。諷刺的是,發燒友耗費鉅資購買低電感喇叭線以避免高頻衰減的努力,全部被廠商所裝的電感一筆勾銷！Threshold的放大器不用線圈也不利用負回授抑制阻尼,所以能保持阻尼及放大器的表現在整個音頻範圍內不發生變化。
有些設計師認為阻尼在低頻時才有效,因為可以改善放大器對低音喇叭的抑制,其實不然;高頻時也需要很好的阻尼,因為靜電喇叭輸入變壓器的輸入阻抗常低到0.5歐姆。在這些頻率時,10的阻尼因數會使高頻損失超過了3分貝,同時也失去對變壓器的控制產生振鈴。即使你不是用靜電喇叭,較高的阻尼因數在高頻時也能減少喇叭的失真增加對瞬間反應的控制。
其他
良好的連接線也是不可忽略的一環,但以我個人的經驗來說,好喇叭線對音質的改善很小,反而是接頭比線重要多了。
用電阻檔測量還不錯的壞接頭,會產生1%左右的諧波和傍波,影響了音質,只有在不能焊接時才用接頭。我發現Cramolin能改善接頭間的接觸,而銀接頭比金的好,這兩種說法都是毫無根據的。
對設計良好的放大器而言,使用非磁性材料並沒有很大的幫助。
大家對價格相當的換能器(唱頭、喇叭)間的差異少有爭論,但對電子器材間的差別則不敢確定。雖然電子器材本身對音質的影響很微妙,但愛樂者利用各種的輔助器材及不同性質的音樂仍然找出不同放大器在主觀上的差別。如果相同等級的放大器間有差別存在,主要就是在解決元件非線性時所使用的觀念不同所引起的。
放大器的設計需要有客觀的態度及正確的觀念,只要好好的設計,理論正確的放大器,就能很容易的做好並且正常的工作,但基本的態度和觀念卻主宰了產品的性能,這才是所有放大器間的差別,而這些差別永遠能為人所分辨。(譯自Hi-Fi News & Record Review, SEP./1983)
轉載音響技術第97期JAN. 1984 Nelson Pass 談後級放大器的設計理念/王超群
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