日新月異/更能降低失真的超前授 @ 老音響資料庫/蘇桑部落格

　　Feed-Back(回授)技術在電子電路中已被應用多時,其中的PFB(Positive Feed Back,正回授被用在各式各樣的震盪電路裡;NFB(Negative Feed Back負回授)更是大家所熟悉的電路技術,它的優點諸如：減低失真、擴展頻寬、降低輸出阻抗、提高輸入阻抗等,早就被用在音響電路裡。然而在失真方面,無論怎樣安排都無法使失真降到零,特別是在高頻方面,簡直到了無計可施的地步,反而帶來TIM的困擾。日本的Sansui公司一向致力於失真的研究,在1978年推出了極低失真的菱形差動直流放大電路(Diamond-Differential DC Amplifier Circuit,簡稱DD/DC),去年(1980年)六月再度發表了以NFB理論為基礎而發展出來的降低失真之電路技術,稱為Super Feed Forward,簡稱SFF本刊將之譯為「超前授」電路。

　　Feed Forward技術用在電子電路上原有兩種解釋;

(1)運算放大器高頻響應補償法之一的電路名稱。如圖一中所示以LM 301為例,它的輸入級A1由於在構造上以達到某些更重要的特性為優先(諸如：低off set,低漂移、高阻抗、低雜音等),使得A1在先天上對高頻方面的響應較差。A2則是只負責獲得某些增益,並把電流輸出至負載,工作較單純頻帶較寬。為了要補償A1在高頻方面的不足,從其信號的輸入端取一部份高頻訊號經C1直接交連至A2放大,而不經過A1,這樣一來在輸出端獲得的高頻部份,雖然只經過A2這一級放大,但總比在A1就被Cut掉還要好,整體的高頻響應就能延伸。故曰前授(Feed Forward)補償法,此其一。

(2)抵消失真的電路結構方法,由發明負回授電路的同一人─美國貝爾實驗室研究員Mr. H.S. Black於1923年提出,1928年獲得專利權,其要點是「把放大器的失真成份檢出,將之反相後加在放大器的輸出端,使失真成份能因此抵銷的方法」(請參看圖二)。由於當時電路技術尚不發達(OP Amp猶未出現),所以要把那個電路做得很理想確有困難,因而被擱了下來。

NFB與SFF

　　比較「負回授」與「前授」這兩個方式對減低失真的處裡方法可得到這樣的結論：(參看圖三)兩者都有「失真成份檢出機構」,兩者都將檢出訊號與原訊號相減,不同的是NFB是在輸入的地方作抵銷雜音的工作,FF是在輸出的地方作抵銷雜音的工作。從圖三中我們也可以發現FF中也包含有NFB的架構,可以說FF是以NFB理論為基礎的,因此;為了要徹底了解FF的工作方式,我們還是先從NFB的工作來分析。

圖四是一般音頻放大器中採用NFB的結構示意圖,其減低雜音的方式是：

(一)進入輸入端的信號經A1 A2放大後,假設它在A2中產生了像(1)般的失真。

(二)失真信號(1)由b檢出一部份再反相之後成為(2)的樣子,加在輸入端(實則與輸入訊號電壓為相減)。

(三)(2)的失真訊號被A1放大之後成為(3)的樣子,輸入A2。

(四)由於A2所產生的失真和(3)的失真為倒相關係,所以經A2之後失真成份就抵銷了一些,成為(4)的樣子。

　　從上所述我們了解到NFB電路是將失真中的一部分倒相饋入輸入端(簡言之即在輸入端相減),藉以達到減少失真的目的,因此其失真減少的程度是和回授量成正比的,所以理論上若要使失真達到零,就要有無限大的回授量,而這麼一來我們得先要有一部增益無限大的放大器才行,當然這是不可能的,這就是NFB無法使失真率降至零的原因,也是NFB永遠無法超越的極限。日本Sansui公司為了達到致力於生產「失真率為零的擴大機」之目標,研究出一種以NFB理論為基礎,參考Black氏FF電路而成的「超前授」電路(SFF:Super Feed Forward), 詳述如下：

超前授電路之解析

　　我們先從Black氏的FF電路原理說起,圖五就是其原理圖,說明如下：

(一)進入輸入端的訊號被A放大之後,假定其輸出存在有(1)般的失真成份。

(二)從A的輸出端接一個1/A的衰減器至差動放大器的「－」輸入端,換句話說在這裡輸入的訊號是跟原輸入訊號一樣大。

(三)在差動放大器的「＋」輸入端加上原輸入訊號,則此訊號與含有失真成份被衰減1/A的A輸出訊號在差動放大器中放大之後,由於兩輸入端的純訊號成分電壓一樣大,相位為相反,因而抵銷掉了,只剩「－」輸入端的成分被反相放大成(2)的樣子。假設A的放大率與差動放大器的放大率相等,則(1)和(2)就成為大小相等相位相反的兩個失真訊號,在輸出端相加之後就抵銷掉了。

　　以上所述的電路當應用在實際FF電路時,需要相當精密的衰減器和差動放大器,以便能得出一個與失真成份完全相同但相位正好相反的逆失真成份,而且在兩者相加時也必須天衣無縫的合成才行,如果不能這樣,則可能造成更大的失真結果,因此;在實際電路中還沒有辦法實現這個理想。Sansui應用這個理論,配合NFB的實際應用優點,克服了種種問題,終於使FF理論能有實用化的方法。關於Super Feed Forward電路的原理詳細如下：(參閱圖六)

(一)在A2中產生的失真假設是(1)的樣子。

(二)從A2輸出的失真成份被檢出,適當衰減並反相後成為(2)的樣子,同時加在A2 A3之輸入。

(三)(2)的失真與A2中的失真違反相關係,因此在A2中抵銷掉一部份,但仍殘留有(4)的失真。

※至此為止,讀者可以發現它是與NFB的工作完全一樣,也基於相同理論。

(四)另一方面,誤差校正放大器(Error Correction)A3亦將(2)的失真成份經過適當的電平及相位調整之後,成為(3)的樣子,它與(4)的失真成份完全相同,只不過是倒相而已,(3)(4)在輸出點上相加,進一步的把失真抵銷掉,成為(5)的樣子(實即沒有失真成份了)。這種Super Feed Forward電路,事實上是對NFB電路在構思上一種新的轉變而已,但卻對失真的降低提供了最有效的方法。

超前授電路的特徵

　　綜括以上所述,我們對超前授這個新電路技術,歸納了下列特徵：

(一)SFF電路不但充分應用了以往NFB的優點(即寬頻響應、低S/N比,輸入輸出阻抗的改善等等),而且也巧妙的配合著FF的理論,實現低失真放大的目標。

(二)NFB技術難以改善的如THD、Switching失真等靜態的失真得以在寬頻帶內都有改善,即使是TIM、包括線失真等較具代表性的動態失真也都有顯著的改善。參閱圖七,灰色部分代表SFF電路所改善的成果。

(三)在原理上這種方式的失真抵銷電路是可以對迄今尚未發現的任何一種失真現象加以改善,可說是一種具有無限發展潛力的新技術。

(四)配合著Sansui早先獲得專利的DD/DC電路,在後級擴大機中形成極為結實的預驅動級(Pre-driver),產生了性能更為優越的後級放大器。

　　圖八是用在後級放大器電路裡的SFF電路實際接線示意圖,電壓放大級是菱型差動之結構,途中的A1(s)相當於圖六中的A3,菱型差動輸入直到驅動級相當於A1,功率輸出級相當於A2,由於圖八是互補對稱的電路結構,故當做誤差校正放大器的A1(s)採用差動放大器,能同時把產生正負半波的失真成分取出,在輸出端的合成網路內將失真抵銷掉。

　　照片顯示把故意失真的訊號輸入只有NFB的放大器時所得的輸出波形(照片1)及輸入SFF電路所得之波形(照片2),很顯然的,這個失真改善的程度相當大的。

結語

　　已經採用這種技術的Sansui擴大機,開始在台灣發售的有AU-D11、AU-D9,都是前後級一體的,爾後還有很多應用這種技術的山水產品出現。讀者若對這種消除失真的電路技術有興趣,在此可以推介一個電路供作實驗,圖九即是實驗用的電路,是以FET輸入級運算放大器加上一級電流放大而成,代表一部後級放大器中的預推動級和功率級,誤差校正用放大器是使用TL-072同一包裝中的另一個運算放大器(TL-072是雙電路的IC)來做成,因為TL-072的性能在音頻範圍內表現得相當好,所以在這裡把它用做誤差放大器,這個誤差放大器的輸出接有一個開關,以便於將這部份切入／切出電路,以供觀察。實驗的步驟是這樣的：先把整個電路接好,誤差校正放大器的開關先制於OFF的位置,完成後輸入一訊號,觀察其輸出端波形是否正常,若正常的話,把電流放大級的偏壓電路短路(圖中粗黑線所示)即是使該放大器變成無偏壓的B類放大。再看其輸出波形,必可發現失真相當大,把誤差放大器輸出的開關接通,使電路成為FSS結構,再觀察其波型,可以發現失真幾乎完全消失了。對於一個故亦大量失真的波形,SFF電路都能處理得這麼好,是否意味著更高效率的C類放大器亦將被採用在音響電路裡？