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專題報導:E-2 綜合擴大機作者原文(上)

CatKing (貓貓站長)
2020/01/10 18:32  #1

專題報導:E-2 綜合擴大機作者原文(中)連結:
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站長代PO,本文作者:風清揚 <=(此乃筆名,不是華山劍宗那位...轉貼請註明出處,謝謝~^^)

E-2 綜合擴大機作者原文(上)      (文/風清揚)  

那些年,我們一起裝的擴大機⋯⋯
萬能老虎,聯合套件,ESS,SF106N,還是LUXMAN Kit,甚至futterman 或AudioNote 300B kit1的管機⋯你我被她們燙傷過,割傷過,甚至被炸過!聽到自己裝的機器發出第一聲美妙的聲音時的感動!這些點滴回憶都會永植心中,DIY迷人的地方!無論結果是如何!你我努力過。自己裝的機器總是多了一份感情!
喜歡管機的聲音,並非表示不喜歡晶體機的聲音,只是在我聽過的許許多多的晶體機的聲音裏,真正有感染力,能打動人心的機器並不多。為什麼呢?我相信這是許多人的疑問!
無庸置疑的是晶體機一般來說,低頻的控制力及乾淨度是比管機要好得多的,但是中高頻的感染力及光澤度則是管機的強項!我試著從學理上的觀點,來解釋這個現象:

管機的音染:
通常真空管後級的輸出阻抗較高,一般而言,如果是無迴授的推挽式真空管後級,其輸出阻抗大約
是2~3歐姆左右(不要懷疑這是怎麼來的!這是綜合計算屏極阻抗及輸出變壓器的初/次級直流電阻而來的⋯您可以爬一下美國DIYAUDIO的論壇討論,有比較詳細的說明),如果喇叭阻抗是8歐姆,那麼DF就只有4!(8/2=4)⋯很低,所以對低頻的控制力並不好!?
什麼是DF(damping factor)?有許多的討論認為DF是沒有必要的誤導,因為低音喇叭本身就存在直流內阻⋯而我倒是想從另外一個角度談一下音染的問題:
擴大機輸出阻抗高的另一個問題是音染!怎麼說:



上圖是一個反射式喇叭的阻抗曲線。
由於刺叭的阻抗會隨著頻率而變化,這個系統在200Hz時阻抗為8 OHM,但是其60Hz的阻抗可以高達65 OHM⋯如果擴大機輸出1V的訊號。(以下假設管機的輸出阻抗為4 OHM)
在200Hz時喇叭得到1x8/(8+4)=0.67V的電壓。⋯公式1。
在60Hz時喇叭卻可以得到1x65/(65+4)=0.94V的電壓!⋯公式2。

從公式1和2可以看到,在60Hz時被加強了2.9dB(0.94/0.67=1.403倍),聽感上您會覺得低頻變多了!2.9dB幾乎是用2倍功率去推動得到的效果!低音加強自然您會覺得聲音比較溫暖"有厚度"了些!
同樣的,高頻也會有一樣的問題,只是喇叭的高頻阻抗通常是緩緩的上升,如此一來,高輸出阻抗的管機反而比較容易營造出"高頻華麗"的感覺!以上圖為例,10kHz也比200Hz時加強了2.3dB。
而且因為是緩緩的上升,因此容易給人有"飄逸"的質感!
這是實際接上喇叭的狀況,和在實驗室裏用假負載量到的不同!因為假負載不會隨著頻率的改變而呈現不同的阻抗!喔~這也是我一直在告訴您的:實驗室的數據結果其實和實際聽感是不同的。再者,可以看出公式1及公式2,當擴大機的輸出阻抗愈趨近於零,公式1和2的值就會愈相近,音染也就愈小!至於晶體式的擴大機,其輸出阻抗通常小於0.1 OHM,因此比較沒有因為喇叭的阻抗變化而有音染的問題!(可以把0.1代入公式1和公式2就知道了。)
然而這樣的音染好不好聽,則是見人見志的!
當然,如果是有迴授的管機,輸出阻抗㑹小一些(大約1~2 OHM),但是如果是"單端無迴授"的管機,那可能會是狀況最糟的!(因為輸出阻抗最高)

您是否聽了很多年扭曲的聲音而不自知?
下圖是以一個密閉式音箱的等效阻抗來進行模擬,以不同輸出阻抗來評估對頻率響應的影響。

總共16條曲線,最上面那條是輸出阻抗為0.1 OHM時的情形,然後每條曲線增加0.2 歐姆,一直到最下面一條是擴大機輸出阻抗為3.1 OHM時的頻率響應!!??哇嘞XXOO亼亼⋯⋯
是不是感覺上像是加了劣質的Loudness的效果!
很驚訝是嗎?看到這般歪七扭八的頻響!您是什麼樣的擴大機?頻率響應是哪一條呢?
不幸的是:這是您可能聽到的聲音。從這個圖看起來,擴大機的輸出阻抗至少要小於0.1歐姆以下才能有個比較像樣的頻率響應!(最上面那條線,其頻率響應的偏差可以控制在0.2dB以內)
以上的解釋,您大概可以了解如果是一個單端無迴授的真空管擴大機去推一個2音路的密閉式喇叭(LS3/5a之類的)的頻率響應會變得多麼糟糕!(應該是最下面那一條)
所以,所謂的低頻控制力不好,應該是低頻響應的奇怪扭曲而造成低頻聽起來"怪怪的"!這必須是要相當有經驗的耳朵才能聽得出來的。

失真對於聽感的影響:(管機的失真vs晶體機的失真):
至今我們至少認為,不同的機器之所以聽感不同,源自於失真成分的不同!失真,就是和原來成分不一樣的東西!在理論上,如果是一台絶對線性的擴大機,則其輸出只有原來的訊號乘上常數放大率而已!只是這樣的擴大機不存在,因此,必然會在放大的過程産生非線性失真。然而,要如何測量出"和原來不一樣的成分"?這則是個大哉問!
擴大機在"不同頻率","不同振幅",及"不同頻率組合"下所產生的失真都不太一樣!
真空管或是FET具有"平方型"的轉換函數:也就是輸出是輸入的平方關係...
Square Law IV transfer function:Id=k(Vgs-Vt)2 …公式3。

而雙極性電晶體則是
"指數型"的轉換函數(Exponential transfer function),
其集極電流:Ic=Is.
e(Vbe /Vt) ⋯公式4
這兩個式子都不難,就拜託您記住它們,等一下會用得到。
兩者是相當的不同!當然,也有人說真空管是屬於電壓控制電流的元件(Transconductance device),和電晶體是電流放大元件(Current amplifier)不同!不過,我比較持不同的看法:我認為只是電晶體的輸入阻抗比較低,但其實也是因為Vbe的微量變化,引發了電場的改變,由於電晶體的基極(Base)很薄,其微量的電場變化就能引發大量的集極(Collector)電流的改變(指數關係)。由公式4就可以看出來,電晶體的集極電流Ic是和Vbe呈現指數型的變化關係。

由於平方型的轉換函數在失真的頻譜上比較偏向於偶次諧波,而指數型的轉換函數則是偏向奇次諧波(這可以由傅利葉函數轉換去証明),有許多文章都認為偶次諧波是比較悅耳的!基本上弦樂器的泛音都偏向於偶次諧波。因此有可能是真空管擴大機比較有感染力的一個原因!

那麼,為什麼不做一台失真很低很低的擴大機?那麼,管它是偶次還是奇次就不重要了,不是嗎?!
問題的重點在於失真的測量方式!如果測量的方式有問題,就算測起來很低,其實很高,那麼又有什麼意義?很不幸的是,如前所述:要如何判斷"低失真"的擴大機卻是一件很不容易的事!?目前的許多失真測定或是表達方式,其實並不能真實的反應實際聽到的音樂的情況⋯
很多的研究指出:人耳對失真的絶對值並不敏感,但是對失真的"成分"卻是比在意的。
這也許可以說明許多真空管擴大機雖然失真比晶體機高,但是聲音就是"好聽"!
在真實的世界裡,諧波是一直存在的⋯這就很吊詭了!除非您非常清楚某個特定的樂器或人聲的音色,否則又如何能夠分辨哪一套音響的聲音比較"真實"呢?
很多THD數據很漂亮的擴大機,其聲音都很死板,⋯廠商在規格書提供的數據只是廠商想要告訴你的"最佳狀態"!而偏偏擴大機在大部分的時間都不是工作在"最佳狀態"!
很多做classD Amplifier的廠商絕對不會告訴你他們的擴大機頻寬只有30kHz,而且不太平坦,再者,其THD測試必須採用一個特殊的濾波器(不是A-weight這麼簡單!)才能測出廠家認為合理的,看得過去的數據!然後show給你看,讓你買單!⋯
我們來假設一個量測THD的狀況:我們輸入待測擴大機10kHz的單一頻率訊號,其放大後産生的二次以上諧波,由於超過20kHz,所以被量測儀器的A-Weight filter濾掉了,因此這個擴大機可以得到非常好的THD數據。
(附記:我認為A-weight 的測試方式也是值得討論的,20kHz以上的頻率雖說"聽不到",但是卻會影響聽感。這是無庸置疑的。)
好,如果我們輸入二個頻率的訊號,一個是10kHz,另外一個是11KHz的訊號,由於非線性放大的影響,會產生差頻(2個相減):1KHz⋯以及相加的21kHz,這1kHz繼續產生2kHz,3kHz⋯⋯的諧波,並且繼續和原的10k及11k產生差頻而形成9k,8k,7k⋯⋯最後變成了亂七八糟一大堆複雜頻率,而這些都不是A-Weight filter能夠濾掉的!這複雜諧波的産生則與輸入頻率及強度會有不同的變化,端看擴大機的線路放大"級數"及整體的線性度非常有關係!
很不幸的是,音樂訊號何止二種頻率而已!其包含了太多複雜的頻率及各種不同的強度!因此單一頻率的THD量測並不能代表聲音的好壞!
就好似SONY不太喜歡公佈其電視的對比度(contrast ratio),可能是數據並非頂尖!但是你能説SONY的電視不好嗎!?



上圖是Linear Audio 期刋,也有談到Square-Law和Cubic-Law 擴大機,這個期刋內容豐富但是很多數學,這可不是一般的雜誌,請閲者自行斟酌!
Douglas self 在其所著的Audio Power Amplifier Design 一書曾經提出了一些有趣的觀點,他認為:
一個設計好的B類擴大機聲音比AB類還要好,甚至和A類的聲音不相上下!而且這些都是有實測的數據來佐證的,甚至找了很多耳力很好的受試者來做盲眼測試,結論是無法分辨B類及A類的差別!
他也認為:負回授會惡化音質的說法是非常錯誤的!⋯您如果有興趣,不妨讀一下內容,七百多頁而已!但却是少數完整介紹晶體擴大機的書。

問題就在這裏:很多搞音響的人,不重視理論基礎!以為在網路上抄一個線路,裝個箱子就能得到
媲美名牌的聲音。


我也認為負回授是重要的,有助於改善整個擴大機的各項特性及穏定度。在理論上及實際使用上都是如此。另一方面,您怎麼能夠期待元件完全不會老化!而且每天的氣溫和電壓都不一樣,那豈不是每天的聲音都不太一樣!更何況,嚴格來說,沒有負回授是不可能的,就算是最簡單的一個共射(CE)放大器,也存在內部微小的電阻而産生負回授。那如果說级間回授才是萬惡之首,那麼,可能需要好好討論為什麼"級間"就不行,而"級內"就可以!?您覺得MBL的擴大機聲音很棒嗎?
告訴你,那裏面一大堆OP⋯(AD797,NE5534⋯⋯)OP代表大量海量的負回授!因為OP的開環路增益都非常高,您覺得Ayre的聲音很棒嗎?它也有OP當輸入的機型。
在台灣,真正談音響擴大機的中文相關文獻是很少的!我指的是有理論根據及實驗佐證的論述。

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UFO (想不到暱稱)
2019/12/25 15:31  #2

讚!終於出現了!

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