3 days ago

音響放大線路之一

文｜Raymond Wong

放大線路在電子世界裏可是一個大項目，從最初的真空管到現在的各種半導體固態元件，放大線路的種類多到數不勝數。幸好的是在音響發燒世界中，能派上用場的放大線路種類有限，而且其中還有很多是古老當時興的玩意兒。

由於音響放大系統涉及到太多的內容，大的方面可分為前後級，小的方面有真空管、晶體管、積成電路式及開關式等等，線路結構更是五花八門，手指加腳指都數不完，一篇文章是完全說不清楚的，無奈之餘只能分開幾篇來拋磚引玉一番吧。

放大器的技術規格及要求

放大器的技術規格同樣多如牛毛，真要一一介紹的話可以寫一本書，這裏只能選一些重要的項目來介紹一下。

圖是典型的波特圖，上面是幅頻圖，下方是相頻圖，由於工業機器一般要求低頻時極度穩定，高頻卻沒那麼重要。所以左圖低頻段非常平直。

1. 頻率響應 Frequency Response

這是最常見、最為人所熟知的一個衡量放大系統能力的指標，頻率響應圖在經典控制系統或線性系統理論中也非常有名，叫波特圖（Bode Plot），波特圖其實是有兩幅圖的，一幅叫幅頻圖，即頻率響應圖，另一幅則叫相頻圖，它們分別表示一個系統在不同頻率下的輸出訊號幅度以及相位的偏差，兩者都會在同一個系統中出現的，頻率響應表示的是系統對輸入訊號變化的反應速度，當速度慢的時候系統自然能跟得上，一旦速度變化加快的話系統就開始覺得吃力了，當變化速度超過了某個閾值後，首先出現的現象是輸出幅度下降，例如一個人要按指揮訊號前後各跑10米距離，當訊號變化加快時還沒跑到10米距離就要往回跑，如果這個人跑到5米時就要往回跑的話，他的輸出功率就等於下降了一半，如果用放大指數來表示的話就叫做下降了3個分貝（3dB），這就是著名的半功率點，表示功率輸出减少了一半，在電子技術中，3dB點一般都會視為性能表現是否線性的分界點。除此以外，當訊號變化加快後，這個跑步的人的反應速度也會越來越遲鈍的，如訊號要求往回跑而人卻會延遲一拍以至很多拍之後才有反應，這叫做相位延遲。在音響系統中一般都不去直接衡量相位延遲的，因為有其它指標將之包括在內。

雖然人類只能聽到20-20k赫茲的聲波，但系統的3dB點要真的是位於20至20k這兩處的話那就完蛋了，因為這代表了系統輸出幅度在這兩個點已經下降了一半，那還得了，我輩發燒友絕對不能接受，因此3dB點必須往兩邊延伸，延伸到什麼程度咱們可以不理，反正由20至20k必須得平！純平！而且這個要求還會有一個附帶的好處，在聲波中不是說還有諧波這個玩意嗎，一個20k的奇形怪狀的聲波中肯定含有很多諧波，如果一到了20k輸出就會下降一半的話，那麼這些諧波無形中不就給濾掉了嗎，去掉了諧波後，再古怪的波形也會被削回正弦波，因此能保持20k以上輸出平直的話就等於保留了20k以下的聲波中的諧波成份，任何古怪的波形也能完美的保持其形狀。

圖是典型的放大器頻率響應圖，同樣屬於幅頻圖。

2. 諧波失真 Harmonic Distortion

諧波失真不是指音響器材令訊號中的諧波出現扭曲失真，而是指音響器材在訊號中注入了額外的諧波，翻譯成白話就是說使整個訊號波形出現扭曲變形，無論是任何音響放大器，這種現象肯定都會出現的，只不過是程度有多少而已。音響放大器是一個必須向音響訊號中注入能量使其放大，但又不會對其形狀產生絲毫影響的玩意，但世上哪有這麼便宜而又容易做到的事情，音響器材在電路設計時通常會有一個計算參考點，一般都是取1000赫茲，即人耳最靈敏的頻率，在此處放大器的性能表現會是最好的，離開這一點的話情況就不一樣了，如果將其失真度當作一倍的話，在高頻時有可能上升至三倍以上，當然這是指功率放大器，而前級只放大電壓，情況會稍好一些，對功率放大器來說，其輸出功率對諧波失真同樣也會產生很大影響，有很多放大器在輸出功率達80至90%時，其諧波失真差不多會是斷崖式的上升，畫出曲線來的話那是相當驚人的，當然這也和削波及動態壓縮有關。所以在一般放大器的設計中，最大輸出功率往往大幅度地高於聆聽要求，目的就是讓用家在正常使用時只會用放大器的小功率，低失真段的輸出。

圖中大幅度虛線是原訊號，紅色是扭曲後的失真訊號，扭曲的實質就等於加入了圖中較小幅度的3,5,7次諧波。

3. 訊噪比 Signal To Noise Ratio

顧名思義，訊噪比就是訊號和噪音的比值，這是一個相對值而不是絕對值，要注意的是，對電壓輸出的器材如CD機，前級和黑膠唱片等設備來說，訊號噪比是其訊號電壓和噪音電壓之比，而功率放大器則是訊號功率和噪音功率之比，兩者的數學表達式是不一樣的。訊噪比的單位自然也是沿用分貝（dB），以前級電壓訊噪比舉例，80dB代表訊號電壓高於噪音電壓一萬倍，100dB則為十萬倍，這麼大的比例，對電路的設計、零件的選擇以及裝配和安裝的要求有多高可想而知。對發燒友來說，訊噪比的高低確實是可以聽出來的，例如當設備的訊噪比低於70dB的話，我們往往會在音樂的低潮段明顯地聽到沙沙的噪音。另外，在上述的通用噪音衡量計算過程中，對不同頻率的噪音都是公平對待的，不會針對某些噪音作特別處理，可是人耳對聲音頻率的敏感度是不同的，因此隨後就發展出一種專門針對人耳特性而對噪音進行衡量的方式，即對人耳敏感度高的頻率段在計算時作出補償，這種帶有明顯“歧視”性的計算方式叫做“計權”，專門針對人耳響度特性的計權叫做“A計權”（A weighting），在國際電工委員會標準中其編號是IEC61672，市售音響器材有很多都是用A計權來表示其訊噪比的，例如寫成90dB(A)，採用A計權的數值會比不計權高了5dB。其他的計權方式還包括有B,C,D,G和Z，這裏就不作額外介紹了。

圖中間兩條最高的線是兩個原始訊號，兩邊較矮的一堆線就是由中間兩個原始訊號互相調製(加减)而形成的額外頻率，如果中間兩個原始訊號是由兩把小提琴拉出來的話，它們互相調製出來的一定是一堆悅耳的音樂訊號，但要是由放大器的非線性將兩個頻率硬扯在一起搞出來的話，效果就另當別論了。

4. 互調失真 Intermodulation Distortion

互調兩字在物理學中一般理解是，當兩個不同頻率的波碰在一起時，它們之間的相互作用會產生額外一個或多個頻率的現象，叫做互相調製，我們在中學物理課中所學的拍頻現象就是來自於波的互相調製作用。拍頻是指當兩個頻率和幅度接近的波加在一起時，它們會生成一個第三種頻率的波甚至第四種頻率的波，這種自然現象在空氣中傳播的聲波中是一定會出現的，但在音響器材中則不應該出現，因為不同的聲波在到達麥克風之前，已經在空氣中互相調製完畢，當電流訊號進入器材後，理論上是不會再被調製一次的，但事實上就是會被調製，原因是音響器材的非線性作用，世上哪有完美的器材，當兩個電訊號在線路中碰到一起時，線路中的非線性特性那怕再微小也會引起互調現象，其結果舉例來說，一旦一個300赫茲和一個400赫茲訊號發生了互相調製，其產生出來的差頻訊號是400-300=100赫茲，加頻訊號是300+400=700赫茲，這兩個無中生有的訊號有極大可能不是人耳喜聞樂見的和絃頻率，反而會成為一個刺耳的聲音，兩個頻率已是如此，交響樂會有多少個不同頻率進入音響放大器? 又同時會產生多少個互調失真頻率？而人耳又偏偏對互調失真的察覺度高於諧波失真，加在一起的後果可想而知。但話又說回來，世上偏偏有一種神奇的放大器，其非線性特性所產生的失真頻率大多數會是原訊號頻率的雙數倍，叫做偶次諧波，雖然同屬於失真，但人耳就是喜歡，跟吸毒類似，這種神奇的放大器就是真空管放大器，也叫膽機，膽機的聲音會讓人中毒一般地沉迷上癮，很大程度上就是這個原因，在下曾多次在二手音響店裡遇到一群老頭，圍著一台老爺膽機在聽蔡琴老歌，陶醉程度實在令人佩服。

互調失真和諧波失真的結果很相似，它們都是會產生額外的頻率，因此它們在數學上有一些關係，但不是一個固定的關係。衡量互調失真的方法有很多，較多被人使用的是有效值總和法（SMPTE）和差頻法，但它們得出的結果往往和發燒友的耳朵收貨法有一定的差距，至今也沒人找到一個公認的好方法去測量互調失真。

5. 瞬態響應 Transient Response

在線性系統或經典控制系統理論中，系統特性可以用兩大方法去衡量，採用哪個方法則視乎需要而定，這兩個方法分別是時域分析法和頻域分析法，在時域分析中最重要的就是瞬態響應（transient response），簡單來說就是瞭解一個系統對快速上升和下降的訊號能不能跟得上。在所有訊號波形中，上升和下降最快的無疑是方波，因此放大器的瞬態響應就是對其輸入一個方波後，看一看放大器的輸出是不是也是一個方波，要它們完全一樣當然不可能，但形狀越是相近的話其性能也會是越好，以筆者經驗來說，如果在示波器上用肉眼都看不出方波變形的話，這台放大器的音質表現再差也差不到那裏去。

放大器的規格還有不少，可是本篇已是太長，寫到手軟，下一篇再來。

※ 本文輯錄自【音響技術】2024年8月號第515期 ※