放大器中使用的主动组件也是经过好几世代的变化，从早期的三极真空管到五极真空管，进步到bi-polar晶体管与JFET，现代则演进到MOS或各类型最新制程的高绝缘高稳定性FET。每种组件所发出来的声音都大不相同。

放大器中使用的主动组件也是经过好几世代的变化，从早期的三极真空管到五极真空管，进步到bi-polar晶体管与JFET，现代则演进到MOS或各类型最新制程的高绝缘高稳定性FET。每种组件所发出来的声音都大不相同，所以今天水电工只好再「好话重谈」，看看各种组件的特性以及和音响设计之间的关系!

高电流电压的复制讯号

是的，水电工又不厌其烦地和大家重复一下现行放大组件原理，在电路中讯号不是真的被「放大」，而是经由放大组件复制出和讯号长得很像的新讯号。但是这个新讯号能有更大的电压或者更高的电流量，所以复制这个动作就很重要，不好的组件就会「像不像三分样」，好的组件则是可以忠实呈现原讯号。

无论是真空管或者是晶体管，现行放大器大都可简化为三极的组件(或者它本来就只有三极)。如下图A所示，其中一极是用来输入控制讯号，也可说是将要被复制的讯号，而另外二极则是用来接电源和地线以变成电流通路。那么讯号如何复制呢?很简单，若电流通路的宽度或导通量，会随着控制极输入的电压差异而跟着变大或变小，那么讯号就会被复制到新的电流通路上了。

▲放大器可简化为三极组件，三极分别为阳极、阴极与控制极

三极组件理论实作

我们来看看图B：控制极电压与信道电流量关系式，图B是测量结果表，代表某个放大器在控制极电压输入在0V∼5V时通路导通量的变化。我们可以轻易看出，每变化控制极每变化1V，导通量增加200mA。此时在电路学上我们称Gm=200mA /V ，也就是说控制讯号每增加或减少1V，电流通道就会多放或少放过200mA，因此放大倍率是200mA / V 。

事情好像没这么单纯?有点电学观念的人都知道，除了控制极外，做为电流信道的阳极和阴极间也必需加上一个电压差，否则光是形成电流信道，电子是不会流动的，电子一定是由低电压走向高电压的。那么，电流信道的阳极至阴极电压差是否也会影响电流导通量呢?答案当然是会的，这原理很简单，就好像高速公路宽度若不变，但是每辆车的时速都变快，总车流量就会增加一样。所以可以影响电子信道的因素就变成了2个，其一是控制讯号本身的电压，其二则是电子信道的电压差。

若我们固定控制讯号电压而改变电子信道的电压差，一样可以把电子信道的电压差拿来当控制讯号使用。这就是电子学的学生第一个很难克服的观念，也是很多电路可以连得让人眼花瞭乱的主因，因为三极放大器的数学模型原本就允许在三极中任选一极拿来当控制讯号使用，而放大器组件的量测方式也会画出这二个控制讯号任选一极变化时会输出怎么样的讯号。

▲若将变量设定为控制极电压，一样可改变信道电流量

▲若反过来将变量设定为控制极电压，同样的影响通道电流量。右图为电流量的曲线图，可看到变化并非线性

放大器组件

特性一般而言，组件特性图都会有很多条线在上面，设计电路的水电工得按照自己的需求去把它转成负载线或转换线图，水电工在此就先介绍大家看懂特性图。为什么会有很多条线?如同前段所述，有2个参数可以控制电流通道的总流通量，首先是控制极的输入，其次是电流信道的电压差。

为了方便使用，通常测量的人会先固定住控制极的电压，好比先输入-10V，然后改变电流信道的电压差，例如由0V慢慢增加至500V，然后测量通道上的电流量。此时会得出第一条特性曲线，然后再把控制极电压加到-15V，再把电流信道电压差由0慢慢加至500V，然后得到第二条曲线，以此类推而得到画了7∼8条曲线的图。我们由组件特性图就可以得知组件在我们的设计中应该使用的控制极输入电压应该是多少，而输出又会得到多少，同时电流信道的电压应该加上多少才合理。

组件特性图可以方便水电工选择工作电压范围，但是仍有一点可能是做不到的：也就是在选定的工作范围内，由控制极输入讯号的复制情况如何，在图中是看不太出来的。因为控制极电压是每隔一小段电压才测量一次的，我们仅能看出在大范围内是否有不线性的情况，却不能看出小范围内线性表现好到什么程度。有经验的水电工，都会在自己选定的范围内再量一次转换情况。

理想放大器模型的5个条件

1. 输入阻抗极高，这代表可以用很小的电流就推动它。

2. 输出阻抗趋近于零，这代表它是理想电流源，无论负载需求多大都能供应。

3. 有绝佳的线性范围以及理想的线性。

4. 很宽的频率响应，无论输入的频率是高是低，都可以得到相同的放大率。

5. 各种寄生电容电感值极小，这样才不会变成奇奇怪怪的滤波器造成频率响应不佳，更甚者会造成群相角失真，让声音质感跑掉。

▲在屏压500V处做了一些红色参考线，每个点之间距离相等。我们可以看到这支真空管在屏压500V时，栅极电压在-10V∼-20V之间有绝佳的线性，在-20V∼-25V之间放大倍率就变小了

反应速度Slew Rate

进到下个段落之前，先来谈谈Slew Rate(反应速度、电压转换速率，可简称SR)。Slew Rate是指组件在输入讯号改变时，输出讯号跟着改变的速度。好比输入讯号如果在1µs(微秒)内上升了0.5V，而输出讯号因为经过放大可能必需在同样的时间内上升5V，若是组件最大的Slew Rate就是5V/µs，那么当然就没问题。若是组件最大的Slew Rate只有2V/µs，会出什么事呢?水电工必需说，后果会很难看，声音会糊掉。

通常而言，真空管的Slew Rate都不会太高，以KT88的机器而言大都在10V/µs左右，但晶体管就惊人了，有的小型放大器甚至可以到1000V/µs。若是要表现1KHz的人耳最灵敏频段，以输出范围从-15V∼+15V的小功率扩大机而言，假设是全功率大动态，那么1秒就必需拉动60000V，等于每微秒只要能拉动0.06V就可以跟上了，若是20KHz极高频(放给狗听的音乐)，那么每微秒也只要能拉动1.2V就可以跟上。

真空管再怎么慢，也不可能放不出音乐来。反应速度过快的组件在很多电路上更是会造成振荡自激的问题，为了解决这问题反而会弄得声音又粗又冷。制作音响的老手都知道去追求反应速度和大带宽电路是很笨的事。带宽和反应速度都是足够就好。不过反应速度的差异的确会造成听感的不同，毕竟Sin波并不是斜率固定的一种波形，它在上升下降段仍然会需要较大的速度，但这种听感差异和声音好坏没有直接的关系，它只是让听者觉得动态感比较大。没有人敢说一颗10V/µs的晶体一定会比2V/µs的好听，事实上相反的例子可多着。

晶体管与真空管优劣

现代使用于音响上的放大器不是JFET晶体管就是真空管，简单来看，晶体管的优势在于极高的频率响应，很大的放大倍率和电流供应量以及较低的噪声;而真空管的优势则在于极佳的线性。看起来真空管只有一招可以闯天下?不过偏偏这招就是大绝招，所以很多高级发烧机都仍然是使用。以下水电工就用图片来为大家说明晶体管和真空管的工作特性。

晶体管工作原理

晶体管从发明以来有好几种不同结构，虽然都是三极控制结构，但因为原理不同也导致特性不同。好比早期速度最快的BJT晶体管来说，它的控制极会把输入讯号的电子混入电流信道中以便导通，所以控制讯号的输入电流需求较大。而JFET或MOS则因为只是利用静电感应出电流通道所以输入电流就不那么大。

电压是放大器关键

晶体管工作电压通常都无法太高，音响使用的晶体管在日常电器当中属于高规格，动辄电压超过20V。之前提到的，当电流通路导通时，理想放大器是没有内阻，电流应该很顺利地流过通道。但是真实的情况是晶体管内部仍然有数十奥姆的阻抗，电流流经信道时会在信道内发热，操作电压过高、电流太大，晶体管容易烧毁。那么放低操作电压就好了?那有这么好的事?

公式：功率=电压x电流

电学第一条原理就是电压即是电位能，只能由高往低走，也就是当系统电压只有2V，那么输出端最多也只有2V。若是以一般8奥姆负载的情况来看，2V的输出最多只能得到0.25A的电流，系统的功率就只有0.5瓦特。这种功率大概只能让一般喇叭发出相当于人类小声说话的声音，就算是用号角喇叭在这种功率下声音也会怪怪的，只有中音频没有低音域。

不线性的晶体管

晶体管真的很不线性，尤其是利用闸极来做输入控制的时候特别明显。我们来看几张有名的晶体管特性图就知道了，下图是Pass Lab老板Nielson Pass大师最爱用的特殊制程JFET的特性曲线，我们可以看到闸极电压低时线的距离愈窄，代表这颗晶体管在闸极电压低的时候放大倍率比较小，而闸极电压拉高时放大倍率会变大。当我们输入1个动态大一点的讯号(动态大的讯号必然代表该讯号是由很低的电压拉到很高的电压)，我们就会得到很不线性的结果。

造成晶体管不线性的原因有几项，首先是因为电流通道的形成无法和闸极控制压的变化完全等比例。这点是完全无法克服，只能透过电路设计来减缓这个问题，这也就是为什么晶体管做的音响，大多会用到好几颗晶体管，负回授等等复杂的方式来构成放大器。

▲早期BJT型晶体管主要是透过P型转性，达到控制的目的

漏电流影响特性

其次是漏电流，包括了电通流道本身以与门极都会漏出电流，在bi-polar晶体管中甚至没有这个漏电流，电路就无法导通。漏电流和线性有什么关系呢?大家想想漏出来的电流会跑到那里去?当然是流到电阻和电位都最低的电流通道末端(也就是输出端)去了，线性放大器的放大是等于讯号电压变化，但是漏电流的量是等于控制极(闸极或基极)偏压加上讯号电压。

这段不小心跑进输出端的电流量根本不和讯号成比例，造成晶体管不线性的特性。这点在大型功率晶体上造成的影响还不算大，大型功率晶体输出电流动辄好几安培，漏个0.001A根本算不什么。但是在第一级放大的时候，或是极小的讯号要捡出来做第一极放大用的电路，那时的小讯号电压振幅有可能低到0.1mV以下，电流量也小到只有0.001A不到，若是漏出0.0001A就会造成很大的偏差了。

▲电子经由闸极导电层施加的电压，被吸引上漂形成通道

真空管线性表现佳

真空管是音响界水电工很爱玩的小玩具，它的原理也不难，以直热式三极真空管为例，我们用电流加热灯丝，让电子在真空的管子内部乱飞，输入的讯号则做为控制极，大家应该知道电子喜欢往高电压跑，所以围绕在灯丝周围的控制极(栅极)我们都会通上低的电压，让电子不要飞出来就直接撞到阳极。而能够飞出来撞进阳极的电子数量，就是输出电流，它会随着我们改变栅极的电压而改变，所以它是可受控制的放大器。

三极管特性不太理想，常常有寄生电容过大，输出阻抗太大，效率不佳的问题，所以后来又改进成了五极管和束射管。五极管的原理如图所示，阴极不像三极管是用灯丝当阴极，而是采用独立配置，在它外围我们安装了灯丝去加热阴极。

电子冲出阴极后必需通过栅极，我们同样在此利用低电压来控制电子通过的数量，而电子在通过栅极后，会再经过帘栅极。这个帘栅极是用来降低输入端寄生电容的，通常此处会接上比阳极低一截的电压，这会导致电子在通过帘栅极之前不小心又被这个电压加速了一段再去撞阳极。此时因为速度过快，不但没有把自己留在阳极上金属片当中，反而还把阳极上的电子给撞飞了出来，导致于当我们把栅极电压拉高，期待管子要出更大的电流时，电流反而变小了，于是在帘栅极和阳极间我们又加上减速用的抑制极。从结构及实测上，由于真空管的电子通路是固定的，能放过多少电流是看栅极阻挡的力量有多大，所以线性的确是好很多的。

▲图是某颗号称神兵的晶体管量测特性，从2∼2.5V每条间距都不同，放大倍率并不线性

三极、五极管差异大

三极管和五极管在特性图上面有极大的不同，三极管的屏极和阴极电压差变化可以导致大量的导通电流变化，如图所示，每根线都往天上走了，而且这段的通量和电压变化不成线性正比。而五极管则比较像晶体管，在屏极电压的变化导致的流通量会缓和许多并且是较为线性的。

这代表着三极管在应用上的确有较多的限制，而且大部分三极管的输入寄生电容都有点太大，会导致Miller effect(米勒效应)。米勒效应是指在放大器的输入端，看到的电容乘以电阻值，就代表放大器的作用带宽，当这个值愈大带宽就低。如果在多级放大中，前一级的输出阻抗不够小，这里的R x C值就会有更大的影响。水电工必需说三极管(尤其是直热式)在电路学上可以明显看出，除了在电子放射量有较大的优势外，几乎占不到什么便宜。

▲直热式三极真空管可做为简单的范例，加热灯丝(阴极)就能释放电子，控制极(闸极)通上低电压藉此控制电子，最后撞进阳极成为输出电流

▲五极管顾名思义有阴极、栅极、廉栅极、抑制极与阳极，帘栅极用于加速而抑制极用于减速，控制好速度后才会进入阳极

名管不见得人人称赞

在音响界不乏有人炒作某些名管，好比300B就是直热式三极管。水电工也听过不少号称高手做的300B扩大机，可以说清一色的是让水电工耳朵很不自在，细节又少又软，号称声音很柔，但实际上是什么都听不到。再加上老管又被炒到天价，中国制新管也贵，还真不如不要玩。日本无线与实验杂志的自作派音响大赛中，300B的机器很久没拿过什么好名次，除非您真的是耳朵太敏感，受不得一点点带细节的声音，否则对某些发烧炒作管实在是没有跟风学习，甚至一心收集的必要。

高电压的真空管

先前特性图中我们可以看到，在栅极电压输入以及电流输出的对照中，真空管是非常线性的，但真空管的运作方式因为必需要加热灯丝，所以热噪音都会比晶体管大一点，所以SNR(噪讯比)通常都只有-90db左右。实际听感而言，真空管放大的声音大多比较耐听，没有生冷感，细节多又富有情感，不过在实际应用上，真空管的确不适合在超大功率的应用上，最佳的应用范围是在0.1W∼30W之间。

真空管的运作，必需要使用高压电，对于大型功率管而言，动不动就要200V，常见的束射管都要到600∼800V，而单支就有大功率的管子动不动就是上1000∼2000V。为了供应它电源就要花掉很多材料，电路设计稍有不慎就会爆炸，在大功率的情况下未必会有好处。更何况单级放大倍率通常都不高，KT-88这种大型管也不过gm=40mA/V，要得到真正大功率得三至四级放大，反而容易造成失真。

真空管放大器由于屏压都在数百伏特，也不可能直接把讯号送进喇叭，会烧掉您宝贵的喇叭。所以都要经过输出变压器降压，简而言之，真空管是高电压低电流的运作方式，晶体管则是低电压高电流的运作方式。输出变压器本身又会再造成一些失真，若要不失真，所费的成本就相当惊人了。

真空管、晶体管

该选谁如同前面所述，晶体管具有高大电流低电压，低噪声的多项特色，同时也不必透过输出变压器做变压，就可以直接输出至喇叭。但是偏偏在线性这关就卡住过不去，导致于许多晶体机都有冷声底的问题。晶体管机种的反应速度快，细节也多，对于中高频细节的反应都很快很顺，如果设计得宜的话，当然还是会有不错的声音。

不过就水电工自身的经验显示，这绝对不是简单的事。许多售价上百万的高阶晶体机，号称声音很干净，但实际听感却是毫无感情和细节，声音好似退后了50公尺的感觉。这种调音方式用在耳机可能还可以，用在大型系统却会让整个气势及情感消失无踪。当然某些高阶机的支持者可能会说这是水电工个人观点，不代表市场主流。水电工认为不妨多听现场演唱会、现场演奏会，看看世界上各个专业的高手在调音是怎么调的，演奏厅里那些负责设计音场的大师又是在听什么样的声音。

▲三极管与五极管的特性差异相当大，三极管在应用面有较多的限制，容易产生米勒效应

真空管不等于复古声

当然，上百瓦的机器买回家里，就算您是住在帝宝恐怕也不是件聪明的事，为何呢?因为大多数的情况下，您所听的音响都运作在10W以内。这点之后我们会再详述。那种400∼500瓦的机器大概只会在大型演唱会中才有机会出尽全力。便宜的晶体机问题更不用说，声音干扁变形，因为用的料件根本没有什么线性和低漏电流可言，音场也又小又松散，可以说是过去20年来让晶体机饱受高阶玩家批评的主因。

真空管机当然也有许多设计上的问题，不过大多不出现在电路设计上，而是在材料以及电源处理上，真空管机的声音因为线性好，所以往往小管子就可以出好声，水电工必需再强调一次，先决条件是设计和用料都没问题。真空管机许多人认为反应速度慢，但其实那种慢，是人类感觉不出来的慢，上好的管机声音仍然应该要清楚，细节反应快速，音场也不能缩小跑到几百公尺之外。

发出失真太严重像FM广播的古早声更是水电工的大忌，当然水电工也知道有一些人，就是不断在追求70年代的古早声音。那种声音是有某些迷人之处，尤其是玩黑胶唱片的人有部分会很追求的。但是实在失真过多，虽然很怀古，但是毫无临场感。