 是的，水电工是个比较累人的工作，常常要加班到半夜。面对这么多可爱的电子组件，每个插上板子之后声音都不同，对于组件和声音的关系必然要很了解。甚至有些经验丰富的水电工，一听声音就知道线路设计那里有问题，可以快速地除错。没经验的水电工在测试产品，大概半年也搞不定问题，经验老道的大师级人物，花个半天就可以搞定了。 组件与声音关联性 今天要跟大家谈谈组件和声音的关系，以及线路设计和组件的关联性。水电工本人很怕在此系列一谈到线路设计，就不知不觉写成了电路学教材，因此也困扰了许久，不过为了读者们未来免于被某些音响界黑暗势力欺暪，也只好能交待多少就交待多少了。 上篇我们谈到了主动组件的特性图，也就是三极或五极组件中，每个极的电压以及输出端电流造成的关系图，我们再拿来复习一下。
▲五极管KT-88与三极管2A3的特性图加上负载线后，即可推知在实际接上输出负载时，我们可以使用的工作电压范围。图中的负载线斜率 水电工再三强调，影响音质甚巨的几个关键在于线性、频率响应以及负载能力。设计电路时，会把来自电源的电力偏压设为要输入至组件几个端点的电压，而看特性图时，会画所谓的负载线。特性图是不看负载阻抗去测量出来的，实际情况中，负载是有阻抗的，当负载有阻抗时，就会对电流通路两端的电压差造成影响，因此会画出阻抗线来分析负载电流的实际大小。不过按照几何学来说，就算不画负载线我们还是可以一眼看出线性优良与否。 从范例图中，我们可以看到实际负载加入时，电流是要看负载线去查的，为何如此呢?我们先来看看最简单的电路架构，叫做A类单端放大器。 单端放大器 我们发现在单端放大器中，从电源到地线有3个电阻，第一个R1就是负载本身，第二个R2则是主动组件的电流信道所产生的电阻，第三个R3则是制造偏压用的电阻。电路学告诉我们，I x (R1+R2+R3)=V，所以当我们把较多的电流送进负载，也会造成负载电压拉高，此时R2 x I占的电压差一定会变小，这就代表了电流信道二端电压差也跟着变小，所以负载线才会是斜斜的而不是垂直的。也就是因为如此，所以三极真空管的特性曲线比五极管更加适合做出高线性的放大器。 从图片中我们一眼就可以看到三极管的特性曲线，都是和负载线呈现近乎直角的情况，所以加上负载时，每个闸极电压的电流导通率变化都很线性，不会因为电流信道两端的电压不同而呈现不线性的变化。 回到单端放大器，主动组件之所以可以控制电流的大小，也当然代表它的内阻是可以变化的，当主动组件的内阻变大时，可以放过的电流就小，而反之则电流变大，按照克希荷夫定律(Kirchhoff Circuit Laws)，这个唯一通路上的电流量是相等的，所以当主动组件放过较多电流时，自然负载也能吃到较多电流，在负载产生的电压差也较大。这个变化刚好和输入的电压变化相反，通常称这种放大器为A类单端放大器。 找出最佳工作点 任何水电工设计放大器时，必然都是按照组件特性图，寻找最适合的工作点，把线路设计出来。工作点的意思就是如何让闸极、屏极和阴极等极都在我们所要的范围之内，否则通过的电流情况就不会是我们想要的。电路图中来自于电源供应器的电压是固定的，要供应给屏极的电压必需是极高压，当然负载的电压也在高压的范围里，但是因为它和屏极间电压差距不大，因而我们在输出端看到的电压为：电压=阳极电压–屏极电压，并不是高压的阳极电压。 在晶体管放大电路中也是一样的，只是工作电压低了许多，通常都只有20V以内。喇叭本身是无法承受高电压，通常喇叭的特性阻抗都只有个位数，不是4奥姆就是8奥姆，一旦输入高压，那么电流量会很惊人，不是声音破光光，就是把喇叭烧掉。因此管机通常会用输出变压器，将输出电压和电流调整到合理的范围内。
被动组件影响表现 为了找出这个工作点，还得考虑到主动组件是否可以直接接地，或者是接地端电压应该是多少?闸极要输入的电压必需是负压，从特性图就可以看到，当我们把主动组件阴极接地时，闸(栅)极就真的得要送负的电压，但这样处理会很麻烦，通常都会把阴极接上偏压电阻，让主动组件阴极的电压不为零，这样闸(栅)极电压就等于负的阴极电压加上输入电压。这种偏压方式很简单，但问题也不少，第一个问题就是，被动元组件也会影响声音。 电流导通时会经过偏压被动组件，使用的组件势必会影响到声音表现。电阻、导线、电容都会影响声音，差异在于程度大小，电容是最大的，电阻次之，导线则在三者中最小。第二个问题则是，这个偏压并非定值，会随着电流的大小做出变化。 回头看电路图，这个偏压V=I x R3，有人会并联电容让变化量减少，但仍然会有变化量。这样会形成负回授，易造成声音细节变少、听感较为模糊，声音听起来会脏脏带有不透明感。 自给偏压是商业主流 利用被动组件直接偏压(通称自给偏压)，是目前的主流设计。另一种偏压方法则为固定偏压，是利用电源供应装置直接给组件的阴极稳定电压，如此一来这个电压就不会随着输入讯号而变化，但是声音听起来可能会较不活泼。附带一提，人耳的听感相当有趣，声音透明干净就会有人觉得不活泼的感觉。 上述设计只要一换组件就得重新调整过电压，但通常根本没得调整，不能像某些管机插入规格类似但不同型号的管子，所以自给偏压就变成了商业机种较爱用的主流。 电阻与热噪声 当年水电工学习时，第一个念头就是：什么，被动组件也有声音?当然是有的，只要出现在电路上就会有影响，任何产生于被动组件的噪声，也会立刻以光速反应到负载端。在听音响时常常会有人讲声音的透明度，这个透明度就是没有背景噪音才能呈现出来，导线和电阻是最容易造成这些背景噪音的被动组件。但其实就水电工本人经验，大多数背景噪音来自于不良的主动组件。 电阻的原理是让电流流经导电性质不良的导体，这些导体的电子在传播中，很可能会撞到许多有延迟性质的不良接面(电阻力就是这么来的)。1个讯号可能会分身成很多个，但这些讯号时间都很相近，看起来还是很像同一个。由于电流通过电阻时会产生热量，就算是以高级金属绕线制造的电阻器，也会累积热量而造成热噪声。 热噪声形成的原因，不外乎就是大量的红外线造成多余的电子波动。严格来说，并非电子被红外线撞出来，红外线没这么大的能阶。应是电子感应到红外线的能量，而产生了额外的波动。一般而言，只有加入电场电子才会有波动传播，由红外线产生的波动未必和我们的讯号同方向，时间上也是随机的，所以称为噪声。 声音失真5大主因 让声音造成不同感觉的原因很多，但不外乎是噪声、谐波失真、相角失真、频率响应不同。在主动组件上，每个输入级和输出极间都会产生寄生电容和电感，在被动组件上同样会有如此的情况。以电阻而言，热噪声就会带来不同的底噪，而电阻本身在分析上也可以看出有寄生电容和电感。电阻、电容、电感3种电性在任何导体上都是同时出现的，用的组件若是电容值极小、电感值极小，只有电阻值有明显意义时就成了电阻。 电容影响3大原因 电容也有同样的情况，当这些寄生的效应，搭配上组件本身结构，就会形成各种不同类型的滤波器，会产生频率响应的不同，好比有的零件就是对中高频特别不敏感;或者是相角偏移的不同。甚至只有某些频率的讯号特别容易通过，或者是特别会超前别的频率，这些现象在高敏感度的系统都能听出来。 电容对声音的影响更是明显，很多音响设计者都会很小心选择电容规格与放置的位置。通常用来交连讯号的电容，对声音的影响是最大的，声音会变油变厚，或者是会变干变薄，它都占了八成因素，电容之所以对音质影响如此之大有几个原因。 首先，电容的充电和放电量未必相等，有可能因为发热或者电解液不稳定等等因素，放电比充电多会造成声音的变质。造成这类变形与电容质量相关，也与体积有关。经验告诉我们，很多组件都是耐压较高的，体积较大的声音较好。 同样容值的电容器，有颗是耐压50V的，某颗是1000V的，在低电压的情况下通常都是1000V的声音较好，当然1000V电容的体积也必然大许多。面对发热问题时，同样也是体积较大的组件比较不产生热噪声，因为同样的能量变化被散在较大的空间中，热量较不易累积。 其次，电容的充放电速度也常常不相等，会造成声音的波形被改变。波形上升较快而下降较慢时，就会产生谐波失真。甚至还有迟滞现象，使得讯号准位会漂移不定。 最后，电容在高频讯号呈现的是电感性，因此对一定程度以上的讯号而言，会看到电容呈现带通滤波器的行为模式，造成声音的频率平坦度有很大的变化。这个现像与电容的质量也有关。同时电感性对于波形相角有和电容相反的影响，电容是由电荷累积达到电位，因此电流领先电压90度，而电感却是由电压变化产生电流变化，所以电压领先电流90度，这样子1组复合讯号通过电容时就会产生不同相位变化而失真。 4大类放大器结构与失真 讲到这里不得不提起常见的扩大机种类，我们在音响设备中常常会听到A类、B类、AB类、D类等名词。适用于音频放大的就是这几类放大器，而不同种类的放大器都是在不同原理下依照不同工作点做成的，也会产生各自独有的问题。现在水电工就依照这些架构来解释一下该类放大器的设计原理及问题所在。
▲图为利用KT-88五极管做为A类放大器的范例。当我们把第二栅通入200V时，栅极在讯号为负值最大时是-16V，讯号为0时栅极为-10V，而栅极在讯号正值最大时是-4V。电流变化量为140m A。(从220mA至80mA) A类放大器 如同我们在前面章节所提的，A类放大器是可以做得相当简单的，也可以做得相当复杂。A类放大器的定义很简单，就是讯号准位是被对映到组件，或者组件组合中选定工作范围的中央点。转换曲线就是组件或组件组合的直流工作范围中心点，当没有讯号的时候，电流量是满载讯号时的1/2X+Bias，而讯号在最大负电压时电流量是0+Bias，而满载讯号电流量则是X+Bias。无论输出电压如何被转换，只要一看电流量就可以知道是否为A类。 A类放大器之所以选定这个工作点的原因，就在于它有最好的线性，当我们选择组件的工作点适当时，A类可以达到相当漂亮的转换曲线，波形失真是所有类型中最小的。当A类放大器又只用1个组件做放大时又称A类单端，这个架构拥有所有放大器中最好的线性表现。 这么说来，那所有的放大器都用A类的不就得了?事情可没这么美好。A类放大器的效能非常烂，就算没有讯号输出时，也会输出1/2X+bias的电流。常常看到输出只有25W的A类扩大机，电力需求竟然会超过100W。行动设备若是用A类扩大机就不得了，电池恐怕1小时就干了。以KT-88为例，在完全没有讯号输入时，系统也会吃掉150mA的电流，约莫为33W。 低频不良是缺点 此外，A类放大器的管机又有另一个问题，真空管机如同前述，都会靠变压器输出至喇叭，而A类管机的变压器无论何时都会有静磁场存在，常常常面临磁通饱和的问题。为了解决这个问题，通常都会在制作输出变压器时在铁蕊中留下气隙，这2个动作都会造成低频反应不良，所以A类单端管机的低频常常是不够下沉和突出的。 B类放大器 为了解决A类放大器的问题，就有人发明了B类放大器，B类放大器的工作原理很好说明，各位都知道音频讯号都是由正到负，再由负到正不断循环。B类放大器干脆使用2个放大组件，其一负责输出正电压，另一则是输出负电压。把正半周的讯号交由正电压的组件来放大，而负半周的讯号就由负电压的组件放大。如同计算机CMOS一般，当正半周的组件在工作时，负半周的组件就是在关闭的状态;反之当负半周的组件在工作时，正半周的组件也是关闭中。永远有一半的组件在休息，更重要的是，若是输出很小或无输出时，输出端的电流量会趋近于0。能量利用率比方面B类放大器会比A类高出许多，所以B类放大器是许多省电型装置的最爱。
没有完美切割与组合 B类放大器的低频响应比A类好很多，声音有力雄壮是其最大优点，但是缺点也很可怕。讯号进入放大器时，就必需利用切分电路把讯号切成正半周和负半周，并且放大后再组合起来。试想世界上怎么可能有完美的切分?放大后又怎么可能完美地组合?通常都会留下很明显的缺口。 同时也因为正半周和负半周的放大组件工作点选择问题，B类放大器通常都会有小讯号的放大倍率和大讯号倍率不同的非线性问题。在组合讯号时又可能因为喇叭电流没被放光，就进行下半周的讯号输出，造成组合点的电位未必是零。为了解决这个问题必需使用负回授把电位拉回零。 若是设计者没搞清楚应该负回授的是那个部分，或电路的延迟大了一些，那么声音就会糊掉，而若是不解决这个问题，声音又会很粗很破。所以B类放大器在音响爱好者的眼中常常是避之唯恐不及的。但是在传统汽车音响或行动设备上则是最常被使用的架构。
AB类放大器 既然A类太耗费能量，B类又声音差，是否有折衷方案呢?事实上是有可能的，那就是使用2个放大组件的AB类扩大机，在讯号振幅小于某个程度时，2个组件会同时运作，此时可视为A类扩大器，在这个架构下就不切分讯号。但若振幅大于某个程度时，其中1个组件会死锁(工作截止)，另一支管子的电压则会再往上或往下拉，在这个基准上，就会变成B类扩大机的工作状态。 AB类放大器在小讯号时表现很接近A类，但有更好的低频响应，而在大讯号时又有足够的推力，但是在A类切换为B类的那一瞬间，仍然会有缺口和放大倍率不同的问题出现，所以在大声时一样会粗粗的。幸好大部分的音乐在大声时都热闹非凡，所以比较少人会在意细节的完美。不过，还是有很多金耳朵是可以轻易听出来的，因为这些细节正好都是表现音场的要素，所以AB类的细腻度在听惯A类产品的耳朵是完全不能比的。
兼具A、B类优点 目前有一些公司，好比Pass LAB的Nielson Pass大师，正在努力推广AB类，因为他们常常出一堆200W至1000W的大出力机种，如果做成A类，那么就算没讯号都要吃掉上百瓦的电力。 更妙的是，大多数人就算把音量转到邻居都要过来吵架了，此时的输出可能都只有40∼50W，平常大多数时间内这些玩家的放大器根本只有输出不到10W。超过20W的部分大多备而不用。 在这种情况下，Pass大师会推广AB类架构是绝对环保又合理的事。一般而言200W的AB类扩大机在输出15∼20W间都是A类范围。但水电工要说的是，那干脆就买小瓦数的A类不就得了，水电工平常用的是16W单端A类的机器，音量一调大，照样是全场震动。 D类放大器 D类放大器的原理是比较有趣的，A类和AB类等放大原理都是将波形直接用组件放大，也就是组件跟着波形走的。但是D类放大器则是利用弦波或锯齿波取样原始波形，计算出放大组件应该开启的时间长度，然后按照这个时间来开启放大组件。 放大组件一旦开启就是全力输出，没有转换曲线这种事，当组件全力输出时，电压就会由低拉到高或由高往低拉，这原理就有点像电容器充电一样，当对输出级的电容、电感组件全力充放电时，电压的变化不是瞬间就达到最高，而是要花点时间拉上去。若是我们在电压拉到一个定值时就关了组件，那么电压就会短暂停留在那里后往下掉。所以控制好组件开启的时间就能够控制单位时间的输出电压，进而复制出原本的波形且放大。
▲先使用锯齿波进行PWM调变，得到如下的PWM波形 ▲上图的PWM波形就是控制输出晶体开关的时间长度，只要按照图中为高准位的时间开启晶体管，即可在输出端的低通滤波器，重制回原来波形 转换效率高是优点 D类放大器现今广泛用在各种地方，包括手机和计算机的电源供应器都能看到踪迹。既然D类放大器可以控制输出波形，那么我们也可以用D类放大器输出固定的电压维持不变，这样不就成了电源供应器了?D类扩大机的能源效率非常好，可以超过80%，也就是电力几乎都输出到了负载端没有浪费，所以它不易发热、省电，又可以做得很轻巧。一台200w的D类扩大器，可能不到10公斤，但是A类就非常可能超过30公斤。D类扩大机尚有一个优点，就是有无敌大的输出负载能力，就算喇叭的阻抗很小很难推，它也可以推得吓吓叫，低音雄壮又有力。 输出波形不完美 D类扩大机的音质问题也不小，首先放大组件开关是有时间差的，所以输出波形是永远无法达到平滑的地步，这些锯齿就是失真和噪声。就算放大组件完全没有时间差，这个全力输出的动作在数学上本身就是种高频讯号，而且出现频率和讯号的频率及振幅都相关。D类扩大机是充满高次谐波失真的东西，声音是非常粗糙的。 就算D类的数据量起来都很好看，但是人耳就是听得出来。我们往前复习一下，水电工之前特别说过，某种类型的失真能量或噪声能量，用RMS平均法算起来都很小，但是事实上是很大的，况且人耳是听得出来那种巨大的差异。D类扩大机的谐波失真很不巧就是这种类型，事实上B类和AB类的接合误差也是这种类型的噪声。但D类扩大机在愈接近满载时，它的谐波失真就多到可怕，好比一台可以输出100W的D类扩大机在输出10W时，谐波失真可能只有0.0001%，在50W时就很可能到了1%，在100W全力输出时则很可能高达10%。10%的谐波失真有多明显?水电工打个比方，有没有听过用大声公放音乐或唱歌?声音就是那么破。 所幸在电子组件的速度及控制线路进步之下，D类放大器已经能达到不错的境界。目前的高阶D类放大器所放出来的声音都有一定的水平，甚至在不接近满载时，它的声音都比B类的都可以好上一截。D类放大器为了精准控制输出量，通常也会使用负回授来控制开关时间，若是回授量过大也常导致声音糊掉就是了。 高度复杂的音响技术 美国晶体音响设计大师Nelson Pass(Pass Lab的创办人)，在谈到真空管机音色可以如此丰富多变时，也曾提到被动组件的影响巨大。他认为输出变压器本身，就是造成了真空管机声音如此多样化的主因。 事实上变压器就是2组交互感应的电感，电感对于交流讯号的反应非常复杂，包括频率响应的不平坦、相位角的偏差、谐波失真等等。要说明这些东西，水电工或许必需再用好几段来谈谈这些被动组件的影响和规格。 |
微信扫码关注公众号
