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三、高電平(High Level Amp.)放大器

  使用電磁唱頭雖然要先經過預先放大及RIAA等化網路,但其輸出還是不足以去推動後級。某些擴大機,例如美國PS AUDIO的II型磁頭放大器,就刻意的將電壓放大倍數(即增益)設計的很高;但如此一來,雜音也變的很大,而且在實際使用時,也會感覺到不小的失真。所以磁頭放大器的輸出還是得再經過一個高電平放大器,然後才送到後級。

  另外一個理由是調諧器、卡式座的輸出雖然有200mV之輸出電平,但也不足以推動後級;而且就算輸出電平夠高,阻抗是否能匹配又是一回事,因此還是得用上高電平放大器。

  所謂高電平(High Level)放大器係相對低電平(Low Level)放大器而來,MC唱頭放大器、MM唱頭放大器都是低電平放大器,因為這些唱頭的輸出電平較低。而調諧器、卡式座及磁頭放大器的輸出電平較高,故接續它們的電路就被稱為高電平放大器。

  由於電路的設計,高電平放大器的電壓放大倍數常常被設計成10倍(換算成電壓增益就是20dB),故又被稱為10倍放大器,這個名詞相信音技的讀者都很熟悉才是。而高電平放大器的要求是從低頻到高頻的響應都要十分平直,故又被稱為平坦放大器(Flat Amp);圖三十七就是一個典型的高電平放大器。

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四、音質控制網路(Tone Control)

  音質控制並不是每台前級放大器都有的,但最廉價和最高級的放大器都有音質控制,這一點倒非常耐人尋味。我們人耳的頻率響應實在差得很,對高頻及低頻都不太靈光,所以有必要在放音時略為的將高頻及低頻做某種程度的提昇。而最重要的一點是:正確使用音質控制可使音響效果有相當的改進!

  通常在音頻放大器上的音質控制都只分為兩段:高頻及低頻,偶爾有些機器是三段。高低音控制的效果與交越頻率控制範圍有關。大抵說來,高頻的交越點常選擇在3KHz左右,若頻率太高則控制效果不顯著。而低頻交越點則在300Hz左右,太低也沒甚麼效果。控制範圍則常在±8dB、±10dB、±12dB之間;英國A&R的C-200前級,其高音低音控制幅度只有±5dB。控制範圍不可任意加大,否則極易造成振盪。

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(a)CR衰減型音質控制電路

  CR衰減型電路係利用以電阻、電容所構成的衰減網路來控制低頻及高頻的響應。圖三十八是典型的CR衰減型音控網路,第一級晶體是射極隨耦器,故輸入阻抗高而輸出阻抗低,末級則共射放大電路;衰減型音控網路所需的零件較少,也比較好裝,電路也很穩定。但由於輸出電平將近被衰減20dB,故雜音特性較不佳。

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(b)NF回授型音質控制電路

  就如同回授型RIAA電路一般,將音控網路元件插入負回授路徑中就成為回授型音控電路。圖三十九是最基本的NFB型音控電路,由於此電路係由Peter Baxandall先生設計的,故又稱為BAX式音控電路。

  電路中的第一級晶體是射極隨耦器,而末級則是自給偏壓的共射放大型式。此電路的增益是0dB(1),輸出與輸入呈相反相位。當高低音控制VR置於中點時,此電路的失真非常小,但高低音都提升時,失真就大幅增加。圖四十是CR型和NF型的提升、衰減特性。

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(c)CR-NF型音質控制電路

  CR型失真低,NF型雜音低,把兩個結合起來就是CR-NF型音控電路;此電路接法甚為複雜,與音量電位器都有關係,圖四十一是Yamaha C-2a前級CR-NF型音控電路的動作說明,注意(1)與(2)的小字說明恰好相反。

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  在放大器中,高音控制室TREBLE,低音控制則是BASS,如果有中音控制則稱為MIDRANGE,它們的交越頻率(Turnover Frequency)通常是不可調的,圖四十二則是一個高音低音都可選擇交越頻率(各三段)的音質控制電路。

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  如果認為音控僅分成兩段或三段而不敷使用,那麼亦可分成5段(McIntosh Equlizer),或乾脆使用圖示型等化器(Graphic Equlizer),或參數型等化器。

五、穩壓電源(Regulated Power Supply)

  沒有一台前級是不使用穩壓電源的,這不僅僅表示濾波電容用的更大。電源是放大器的心臟,沒有好的電源就沒有好的音質,而電源不但要提供純淨、穩定的直流電壓,並且還講求速度快。

  目前前級放大器常使用的是併聯式穩壓電源,它的動作如同純A類放大器一般,並且由於不使用然納二極體(Zener Diode),故完全不產生雜音,它的缺點是:會發熱,造價較高。

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  但其它元件配合也非常重要,第一個就是電源變壓器,它的要求是:效率高,損耗低,不漏磁......等,因此矽鋼片的選擇非常重要。環形變壓器(Toroidal Transformer)真是個好東西,在全部規格中,除銅損(Copper Loss)不一定好過傳統EI型變壓器,其他任何特性都比傳統變壓器優越甚多。它最大的缺點是:價格較為昂貴;而對本地音響迷來說,它也有兩個不利點:國內廠商在短期內無法自製,進口貨也買不到,故我們只能望洋興嘆而已。

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  濾波電容的容量要足,容量愈高則電源的漣波愈低,但開機時的脈衝電流就愈大。日本有音響專用的濾波電容,容量高、耐壓高,而體積又很小;但在實際使用時,容量的多寡倒不十分重要,而正負電源的兩個大電容一定要對稱才行。

六、高低頻濾波電路

  由於目前的放大電路常採用直流放大結構,故唱盤的抖動聲以及唱臂的共振都會被放大,這對喇叭來說是極為不利的,故某些放大器面板上有副聲頻濾除(Subsonic Filter)控制,它能對15Hz以下的低頻做某種程度的衰減。而高頻濾除則較少用到,在收聽FM廣播如有明顯的嘶音時,可以高頻濾除控制衰減之。

七、錄音輸出選擇電路(Rec. Out Selector)

  嚴格的說這並不是「電路」,而是利用一枚多層開關拉幾條線而已,只是它愈來愈受重視;音技的PRO-2000A機箱也有這個控制,它不僅使錄音的工作更為便利,也絕不會有錄音閉環路的情形發生。

八、耳機放大電路(Headphone Amp.)

  綜合式放大器幾乎一定有耳機輸出插孔,後級放大器也常有此設置,但前級放大器就很少有。因為在綜合式放大器或後級放大器中加裝耳機輸出是很容易的,它只需要一個立體耳機座和兩枚½W電阻即可;當耳機插頭插入時,喇叭即被切掉。

  而前級放大器就需要一個電路,此電路最主要的功能是做阻抗匹配用,是否具有放大能力倒是其次。使用時後級放大器根本不必開機,音技的SF-1000AN機箱就有耳機插座。

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第三章:後級(功率)放大器

  讀者看到這裡相信對後級放大器已經有概略的了解,一般說來,除內部電路外,在操作及控制上是比較沒有簡潔與複雜之分。

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圖四十四的電路大概可分成若干級,第一是輸入級(Input Stage);第二是預推動級(Pre-drive Stage);也就是電壓放大級;第三是保護電路(Protection Circuit);第四是推動級(Drive Stage);最後是強放級(Output Stage)。在這個電路中,保護電路是可以省略的;而推動級與強放級的接法是全對稱單端推挽式。

一、輸入差動電路

  不論是高價或低價的後級放大器,其輸入端幾乎都是採用差動放大(Differential Amp.),不是單差動就是雙差動,日本山水公司還有鑽石菱形差動(Diamond Differential)。使用差動放大器會有很多好處,它對直流漂移及溫度變化有較佳的抗拒力,它有有很好的頻率響應及雜音特性。

  當然這並不是說每種差動放大器都能得到好的效果,如果差動兩晶體的特性相差太大,那自然害處多多。是故在現今的放大電路中多使用複合管(DUAL);只要是複合管,不論其特性如何(複合管亦是有好有壞)都不會差到哪裡去才對。圖四十五顯示的差動晶體是DUAL FET,編號是2SK100,當然現在有更新的晶體可以用。

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  使用DUAL FET往往會受到限制,其一是FET的耐壓及電流並不十分高,二是P-Ch(P通道)的FET較難買到。歐美的半導體公司大多只有N通道的FET,日製品則比較齊全,國產套件都是以日製品來設計。

二、輸出級電路

  放大器的輸出級電路說起來甚為簡單,它不過是幾枚功率晶體、幾枚射極電阻而已。但它牽涉的很廣,有輸出功率、溫度補償、偏壓等,尤其是偏壓,幾乎決定了放大器的命運。

(a)輸出功率(Output Power)

  放大器的輸出功率與功率晶體隻數量並非呈絕對的正比關係,有些放大器每聲道只用一對晶體,但輸出的功率是60W;有些則採用兩對,卻只有25W。那輸出功率與什麼有關呢?供應電壓,負載阻抗。

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  輸出功率(Po)=(供應電壓V2)/(8x負載阻抗RL),這是非常重要的公式,讀者務必要熟記。由此可知要增加放大器的輸出功率唯有提高供應電壓,或者降低負載阻抗。

(b)輸出電壓(Output Voltage)

  儘管絕大多數的後級放大器是標示輸出功率(以瓦為單位),但有時標明輸出電壓反而更為實際。輸出電壓係以伏特(V)為單位,只要知道輸出電壓,利用上述公式就可算出輸出功率。

三、電源穩壓電路

  早期的後級放大器幾乎都沒有用上穩壓電路,其原因是:穩壓電路可能甚為複雜,不但增加成本也會佔去相當大的空間;後級放大器處理的電平比較高,對電源電壓的變動具有較高的排斥力。

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  但新一代的放大器,不論是前級或後級,都具有穩壓電源,而它的供應型式又可分成兩種。

(a)驅動級穩壓電源

  這是指由輸入差動級到驅動級使用穩壓式電源供應,由於驅動級以前的電路比較「精密」(例如: 雙差動、恆流源、電流鏡、串疊......),故也需要穩壓電源,以求最佳的工作點。圖四十六就是典型的驅動級穩壓電源,它採用串聯式結構,輸出電流不算很大(因驅動級以前之電路消耗不了多少電流),故不需要大功率晶體;另外就是它的輸出電壓比較高。

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(b)功率級穩壓電源

  傳統功率級的電源常只是橋式整流子、大型濾波電容而已;由於輸出級是工作在大電流情況下,故它的穩壓電源除耐壓要夠外,還得提供甚大的輸出電流;因為輸出級的擺幅變化很大,穩壓電源的設計及安排頗為不易,往往比放大電路還要複雜。圖四十七是典型的功率級正電源端的穩壓電路,在+60V輸出時,它能提供10A的電流。

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四、保護電路

  保護電路的動作方式亦有多種,有利用二極體監視輸出的直流電壓、有利用熱敏電阻監視輸出級的溫度......。還有一種是喇叭保護電路,它主要的作用是開機延時,防止直流脈動損及喇叭。

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五、偏壓電路(Bias Circuit)

  這個太重要了,在上一期我們曾提過:偏壓可決定放大器的工作點。A類放大器(CLASS A)的消耗最大、熱度最高,但效率卻最低;一部放大器是否為A類放大,完全取決於輸出晶體的靜態電流。利用公式說明:靜態電流(IB)=1/2x最大輸出電流(Io max),就是純A類,這又是一個重要的公式,請讀者務必熟記。

  A類放大或AB類放大與電路架構完全無關,理應沒有「A類線路」或「AB類線路」才對。但靜態電流也不是隨便就可以調的,使用A類放大必得考慮散熱的問題才好。某些放大器在電路上還設有A/AB類切換開關,讓使用者自行操作分辨之。

六、線性轉換偏壓(Linear Transfer Bias)

  放大器的分類不單是A類或AB累而已,還有動態A類(Threshold最先採用,由Nelson Pass設計)、線性轉換A類等。它們最大的特點是Bias的取決非但是介於A類與AB類之間,它還會隨著輸入訊號大小而變。當輸入訊號較小於,它是工作於A類;當輸入訊號增加時,它就工作於AB類;圖四十八是Yamaha BX-1放大器New Linear Transfer Bias的波形說明。

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七、特殊的電源供應電路

  傳統的電源電路要使用一枚或兩枚體積大、重量高的變壓器,而且它的效率又不是頂高,許多廠商在電源電路大下功夫。早期的有JBL的6233後級,它是採用交換式(Switching)電源,亦是所謂「換流器」;然後Sony有,PWM、Infinity也有Class H.....。近一兩年最為有名的是CARVER公司的M-400a,輸出功率為200Wx2,但僅重9磅!M-400a號稱是採用「磁場」(Magnitic Field)放大設計;而日本Yamaha的X式電源則與磁場放大設計頗有雷同,兩家音響公司還曾打官司!圖四十九就是Yamaha公司X電源線路結構及動作示意,它的正式名稱是「相角控制電源供應」。圖五十則是Switching電源系統圖。

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  放大器在工作時,我常會說某某元件工作在非線性區,因此容易產生非線性失真。產生非線性失真的元件包括半導體和電阻、電容,因此各廠商也都有新的招數來對付放大器的失真。

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(a)Yamaha的Pure Current Servo

  圖五十一是日本Yamaha的PCS電路說明,它的電源電路與其他機器相同,但是在放大器中加入PCS線路,使得放大器成為電源供應器的恆壓、恆流負載,完全不受輸入訊號大小的影響,在電源線與地線間的電流也不受輸入訊號的影響,故不產生失真。而最近Yamaha又將此線路更良,使它更能發揮效果,並稱之為ZDR(零失真法則)。ZDR是在放大器的線路中加入兩組回授訊號,一是取自輸入端,一是取自輸出端,將兩訊號比較後,產生一個負相位的差動訊號重新送入輸入端,使得輸出訊號完全沒有失真;圖五十二就是ZDR的動作圖示。

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(b)SANSUI的超前授(feed Forward)

  超前授第一次見諸於文字是1928年,比負回授理論還早9年,當時是由H.S. Black先生所提出,而將之運用於音頻放大器廠商的則以日本Sansui最為有名。

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  圖五十三是超前授的基本法則,它有一個精密的反相器和精密的比較器,然後產生反相失真訊號去抵消輸出訊號中的失真成分,這與Yamaha的ZDR有些類似;圖五十四是實際可行的超前授減低失真電路。

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(c)無回授電路(Non-FB)

  傳統放大器為了降低失真及雜音,均施加負回授,特別是電路工作不太穩定的時候。但施加NFB極易引起高頻端的失真,乃至於產生TIM失真。採用無回授電路的放大器有很多種,甚至國產套件都有,其結果是使每個元件都工作在線性區,故失真最低。但其要求也甚為嚴格,元件不但本身特性要好,也需考慮對稱性的問題。圖五十五是Non-FB的基本線路、結構及動作法則。

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第四章:放大器的操作

  就長期閱讀音技的讀者來說,本章似乎是多餘的,誰不會操作放大器呢?不然,這裡面也會有一些是你不知道的。

一、音量及平衡控制器

  這似乎很簡單,平衡(BALANCE)控制器通常擺到中央位置,然後只旋轉音量(VOLUME)鈕就行了。我們裝前級時通常都知道音量要選A型的,而平衡要選MN型的,為什麼呢?看圖五十六就知道:A型是指數型,B型是直線型,但人耳對頻率的響應是呈對數型,故音量要A型的。若用B型的話,與人耳相配則又是對數型,故比較適用於音質控制。

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  那麼阻值又該多少呢?一般的值是皆選用100K;但往往某牌機種則選用的值較低,像Yamaha的音量電位器幾乎從不超過80K,甚至於28K;Mark Levinson則是10K。音量與平衡電位器要考慮阻抗匹配的問題,這是一門大學問,在此不深入討論。

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  電位器的安排位置也很重要,我們一般常是設在10倍放大之前(就是輸入選擇之後)。

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Yamaha常使用多層電位器,見圖五十七,C2a使用一枚6層的電位器,兩層用做平衡控制(10K),四層用做音量控制。在輸入選擇之後是50K的第一組音量控制,而平衡控制及第二組音量控制則安排在輸出端,第二組音量控制是12K,你說是不是很奇特?當然這種電位器都是訂製的,本地根本買不到。使用兩組音量電位器是很有道理的,但阻值應該在50K以下,你可以試試看。

二、響度(Loudness)控制

  說起來人的耳朵實在差勁的很,在小音量時對低頻及高頻還不甚靈敏,故此時若使用響度控制,則可略為增強低頻及高頻的量。

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圖五十八是響度控制的標準接法以及它的控制特性,注意音量控制器一定要有「中心抽頭」的才可以接響度控制。當音量鈕調過中心抽頭位置時,響度控制應該自動失效──如果在大音量時響度控制依然有效果,即表示此響度控制設計有問題。

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  響度控制也有採用連續可調的,它的線路及控制特性可見圖五十九,它的第10段由線就和圖五十八完成一樣了。不論響度控制是固定開關式或連續可調式,其特性都是失真型態,故仍以不使用為佳。

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三、參數型(Parametric)音質控制

  某些特殊的前級放大器上有參數型音質等化控制,要正確的操作它並非易事。參數型音質等化控制,要正確的操作它並非易事。參數型音控要調電平、頻率及帶寬(即Q值),它有一定的次序,不可以胡調,否則非但沒有效果,反而引起更多的非線性失真;圖六十是參數型音質控制的線路和控制效果。根據美國SAE的技術說明,使用參數型等化器應先調帶寬(即Q點),然後是中心頻率;最後才是電平。

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  除此之外,尚有方式(MODE)選擇控制,可選擇是立體、單音或立體反轉等。錄音鑑聽(TAPE MONITOR)控制也很重要,圖六十一就是此控制器的接法,在實際使用時,我們常在TAPE PB至TAPE ON間串一枚1KΩ的電阻。

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圖六十二則是基本高/低頻濾波器線路,這也是不可或缺的控制。

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  還有就是靜音(MUTING)控制,它是利用兩枚電阻(好比2.2K與220Ω)將輸出訊號裡減20dB。許多日本製放大器上還有STRAIGHTLINE控制,按下此鈕後,音控電路失效,高低頻濾波也失效,這個是個很實用的設計。

  若從背板上來說,則前級放大器的輸入及輸出多採用RCA座,某些歐洲產品則好用DIN座。AC電源部分則分經過開關(Switched)和不經過開關(Unswitched)兩種,使用上也應注意。

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四、各器材間的連接

  圖六十三是各種音響器材間的組合,要連接這些器材除要有電源線外,還得有訊號線和喇叭線。在後級放大器以前的線都稱作訊號線,後級放大器與喇叭之間的連線則稱為喇叭線。使用喇叭線的要求是線要粗,線要短,有些超級喇叭線以無酸素銅製成,每股線有三、四百蕊,和小拇指一般粗,價錢也十分昂貴。

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  而訊號的要求則不一定,以唱盤至前級放大器間的訊號線,當使用MM(包含MI、IM、VM)唱頭時,此訊號線應力求「低電容量」;當使用MC唱頭時,此訊號線應力求「低電阻」。為什麼呢?因MM唱頭的直流阻抗接近600Ω,其負載阻抗也常高達47K,故訊號線有一、二歐姆的阻抗根本無關緊要。反之MC唱頭之直流阻抗常只有2~3Ω,而負載阻抗則是30~100Ω,故訊號線的阻抗就要非常低才不會對音質有所影響。

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第五章:放大器的規格

  許多人在選購放大器前常會先看說明書,以了解該放大器的各項規格,重要的規格有:

(a)輸出功率(Output Power)

  輸出功率大一些並非表示性能比較好,但在使用上彈性卻比較大。看這項規格時要注意:是不是RMS功率,是不是以8Ω做負載,是不是以20Hz~20KHz整段頻率做標準,是不是兩線道同時驅動?如果放大器A標明是130Wx2(4Ω),放大器B標明是90Wx2(8Ω),那麼以輸出功率言是B>A。

(b)頻率響應(Frequency Response)

  此項特性常以20Hz~20KHz ±3dB方式表示,其要求是前面的數字愈低愈好,後面的數字愈高愈好。±dB數愈低愈好。因此最好的放大器可以做到0Hz~100KHz ±0.1dB。

(c)總諧波失真(THD)與互調失真(IM)

  這兩項失真的測法不一樣,THD是測單一頻率的諧波,互調失真是測兩個頻率的和與差。既然是失真,當然數字愈低愈好;不過THD大的機器聽起來不見得差,而IM失真就比較難聞。

(d)訊號雜音比(S/N Ratio)

  100dB一定比90dB好,這沒有什麼條件,愈大愈好,而且至少要有60dB才行。在說明書上大家可以看出使用MC唱頭時的訊號雜音比最低,但音色卻最好聽。圖六十四是訊號雜音比的測試。

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(e)輸入靈敏度(Input Level)

  這一項就要考慮匹配的問題好比A牌放大器的MM唱頭輸入靈敏度是5mV,而你的唱頭只有3.5mV(5cm/S),這就不是很好的搭配。除了電壓要匹配外,阻抗也要匹配,例如MC輸入靈敏度常標成:0.3mV/100Ω,MM則標成:5mV/47K,高電平則標成150mV/47K~100K。

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(f)最大容許輸入電平(Maximum Input Level)

  此項規格一般說來是愈大愈好,大的容許輸入電平才能防止因輸入訊號太大所引起的過荷失真。

(g)最大輸出電平(Maximum Output Level)

  通常只有前級放大器部份才有這項規格,它的要求是適中即可。一般Pre-Amp.之輸出電平都有2V最大可達10V,故與後級放大器搭配應該沒什麼問題。但是真空管前後級要配電晶體後級,就要考慮阻抗是否恰當。

  此項規格並非愈大愈好,如果只將放大器的電壓增益提高,則雖然輸出電平可提高,但雜音也跟著提高。

(h)殘留雜音(Residual Noise)

  原則上此數字是愈低愈好,Yamaha的C2a前級低於100uV,大概是全世界最低的,但此數字與最大輸出電平有關聯。測殘留雜音時可將輸入端短路,如此所測的數字比較低。但無論如何,此項規格最好低於300uV(即0.3mV)。

(i)RIAA曲線誤差(RIAA Equalization)

  它的標示通常是20Hz~20KHz ±0.2dB,甚至有些機器只註明是「±0.2dB」。此項規格很難說是愈低愈好,±dB數字低僅表示符合RIAA重播曲線,但精確的RIAA放音是否就好聽呢?有些國外廠商還刻意的在低頻、高頻大動手腳,雖然誤差高達±2dB,但卻甚受消費者歡迎。

(j)立體分離度(Stereo Separation)

  通常此項規格是以1KHz為標準,數字愈大愈佳,但放大器只要能達到60dB就是夠應付了。

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(k)阻尼因數(Damping Factor)

  只有後級放大器部分才有這個標示,這是負載阻抗(喇叭)與擴大機內阻之比,理論上是愈大愈好;不過這項規格目前已不受重視。阻尼因數與揚聲器的諧振特性(Q值)有很大的關連,圖六十五是喇叭Q值與DF的關係示意,當高Q值喇叭配高DF放大器時,低頻會被提昇,故阻尼因數最佳的數值是在50~100間,這樣比較不會影響音質。

轉載音響技術第95期NOV. 1983 每月專載/看圖學音響 音頻放大器 前級、後級放大器 下篇/宋長波

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