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【置頂】技術專文：SF-811平衡式真空管耳擴

管理者 (貓貓站長)
2018/09/17 13:48 #1

平衡式的耳擴 (文/李孟育) 本文經原作者李孟育先生授權刊載，轉貼請註明出處，謝謝。

常常有人問我：某某牌的耳擴聲音怎麼樣?跟另外一個牌子比起來如何？
如人飲水，冷暖自知。每種機器都會有喜歡的人也有不喜歡的人，音響/音樂之所以多元，實乃環肥燕瘦各有所偏好也。
我當然也有個人的偏好！既然是＂偏好＂，中文字的意義表達了很凊楚，就是並非每種聲底都是我喜歡的，簡單的說，我偏好：
1：暫態好的聲音。(速度快，乾淨利落)
2：頻寛要夠寛。(自認為本人的耳朵頻率響應不差)
3：頻率響應要平直。(受不了扭曲的聲音)
4：失真要低。(但不一定要非常低，太低的失真通常來自大量的負迴授)
5：低頻的控制力要好。(很多＂渾厚＂的低頻其實是沒有層次的)
6：要有足夠的動態範圍⋯就是輸出電壓要夠高！
7：$ 不能太貴也不要太便宜⋯太貴了買不起，太便宜了讓人主觀的覺得一定不夠好⋯⋯！
就醤！

如果我要一個平衡式的耳擴，會是個什麼樣子？
寛頻，低雜訊，高電壓及大電流輸出，足以應付各種低阻抗及高阻抗的耳機，而且必然是真空管放大的⋯(沒辦法，我就是真空管控！)回頭看看市售平衡式的耳擴，有符合的嗎？五萬美金的＂大奧＂怎麼樣？？(德國品牌怎麼會取了個日本名字！)
我相信那樣的産品，宣示意味濃厚，目的在打品牌知名度，即對大家宣示：怎樣！本品牌做得出這麼貴的擴大機⋯
我也可以設計一台定價百萬的擴大機，反正擴大機的定價又沒有一定的道理，但是既然你喊出了這個價錢，雜誌媒體就不得不多一些關注！而且⋯既然＂敢＂定那麼高的定價，就沒有人＂敢＂說不好，否則豈不就是承認自己的耳朵有問題！！⋯怎麼，這樣貴的耳擴你還覺得不好？這是行銷策略及手法。讓品牌知名度提升且増加曝光，產品本身賣不賣得掉，那並不重要。

您相信名牌嗎？
一個沈了的鐵達尼號，打響了LV，也沒有人去思考那印花塑膠皮的箱子如何能承受巨大的水壓或是含塩海水的浸泡及日曬！您知道＂believe＂這個字中間還了藏一個＂lie＂！Yes！You believe in lie⋯學習分辨是非真假的能力，音響產品也是一樣。
平衡式的驅動到底有什麼好處？在理想上，設計得宜的平衡式放大器，其失真及雜訊都小了6dB，聲音＂有可能＂比較好，尤其是像HD800s這一類的高阻抗耳機，平衡式的驅動提供了2倍的驅動電壓，可以得到更大的動態⋯但是：
平衡式的輸出所面對的阻抗變成了原來的二分之一，因此面對低阻抗的耳機，耳擴的驅動力將非常受到考驗。
所以我說有可能比較好，當然，也有可能比較差！有些耳機的阻抗可以低至12歐姆，平衡式的驅動這樣的耳機，相當於只有6歐姆的阻抗，耳擴的驅動力(主要是電流)不足的話，或是特性不良的擴大機在接上低阻抗的負載而呈現不穏定的情況，有可能得到更差的聲音⋯也因此，平衡式的輸出級更要比單端輸出大一倍以上的電流為設計重點。
再者，平衡式的耳擴多出了一倍的線路，如果設計不良，可能衍生更多的問題！不可不慎。

線路架構如圖1，這只是一個聲道的線路！採用真空管為主放大缐路(當然要真空管！)，而且為了平衡式放大的需求而接成了差動放大的結構。我喜歡真空管的音色，喜歡它的線性及可愛的外型！
您切莫以為真空管是＂慢速＂的元件所以可以營造溫暖的音色⋯這是天大的誤會！我用的ECC802s雙三極管，是不折不扣的高速高頻寛的元件，只是其工作於較高的溫度及燈絲發出的澄色暖色調，讓您＂主觀上＂覺得音色溫暖！(當然，其偏向偶次諧波的失真特性也可能是聲音溫暖的原因之一！)
這樣不是很妙嗎？真空管是同時擁有高速及溫暖聲音特質的元件。只是設計起來比較麻煩，需要額外的燈絲電源及屏極高壓等等⋯

電路原理：

(圖一)
這並非全部的線路圖，這是截取一個聲道主放大線路，真空管組成的差動放大級以正負電源來供電，這是很標準的線路，真空管的屏極被接上了電流鏡(current mirror)，以獲取二倍的電流輸出，我希望本級的電流儘可能高一些，這樣對大輸出時候的失真是有幫助的，電流鏡也可以讓真空管處於比較高的屏壓下工作，和固定電阻負戴不同，電流鏡只有＂吃掉＂0.7V左右的電壓。而且電流鏡讓相位再反轉180度，因此讓本機的輸出和輸入維持了相同的相位。
在線路設計時也曾考慮6DJ8(ECC88)，從規格來看，ECC88電流是比ECC82要來得大的…只是實測的結果還是ECC82的失真比較低，因此最後還是選擇了ECC82(12AU7)。

真空管的選擇：
理論上12AU7同等級的管子皆可以，本機特別選用了ECC802s，ECC802s最有名者非德律風根的莫屬，本來就是ECC82的長壽型(10000小時以上)，加上長屏極及螺旋式的燈絲設計，讓ECC802s的聲音不論是高頻延伸或是低頻能量，都不是ECC82能比的，也因為如此，很多人說ECC802s的聲音簡直是真空管之＂聖杯＂(Holy grail)！
NOS的ECC802s貴上了天而且可遇不可求，感謝JJ復刻管，讓好聲音得以延續，從外觀上看起來，ECC802s真的很漂亮，尤其本機採用了金腳金字的特選管，價值非凡。

Diamond buffer：
或是稱作鑽石緩衝器！電流鏡的輸岀經過交連電容後接往此＂鑽石電流放大器＂。
Diamond buffer 常見於一些高速的電流放大元件，通常可以提供很高的輸出電流及kV/uS 以上的超高迴轉率。本機共用了16顆高速大電流的電晶體以作為diamond buffer的核心元件。而由於本Diamond Buffer 工作於比較大的電流(約25mA)，電壓也很高(+-24V，以期可以輕鬆驅動高阻抗的耳機）因此同一聲道的這些電晶體都被固定在同一個散熱片上，以取得熱補償，避免輸出級電晶體因為缺乏熱補償而形成熱跑脫現象(Thermal RunAway)。而且整個線路都在同樣的溫度下工作，也有助於整個擴大機對溫度的穩定性。溫度的穩定對於聲音的穩定也是非常重要的⋯
散熱片也是特別訂製的超大面積型，大輸出長時間工作也能維持溫度的穩定。
話說這16顆ON-SEMI 的電晶體是個個具有8A(5mS)高電流驅動能力的元件，您完全不用擔心驅動力不足的問題！看起來是16顆，其實每顆內部都是複合的達林頓結構，所以總共有32顆電晶體來組成兩個聲道的平衡式輸出，採用複合晶體可以簡化線路及PCB，我喜歡這種線路不簡單但是PCB看起來很簡單的設計。

市售IC的問題：
一般耳熟能詳的TI的buffer IC：BUF634正是diamond buffer 的架構，只是其工作電流很低，通常只有2～3mA，(意思就是非常靠近B類的AB類放大器！)而且出力很有限，大約250mA，如果您買的耳擴採用BUF634為輸出級⋯拜託一下，本機是好幾安培級的出力好嗎！
TPA6120的問題：
很多的廠機採用這枚IC作為耳擴的核心元件，印象中一些天價的音效卡也有採用的！因為規格看起來不錯！寛頻，低失真⋯但是您注意到TPA6120基於高頻的穩定性及輸出能力的考量，其輸出端必須要串聯一個39.2歐姆的電阻！
坦白説，我不認為這是一個好的設計，市售很多耳機的阻抗都在25～40歐姆之間，這個39歐姆的電阻串聯在輸出端，大大降低了阻尼因素(DF只剩下1)，阻尼因素太低，低頻的控制力會變差，低音就會糊糊的，不乾淨俐落。
更嚴重的是：通常耳機的阻抗都不是定值，是隨著頻率而變化的，以HD595耳機為例，在1kHz～2kHz時阻抗約為50，如果此時TPA6120輸出1V的電壓，則耳機大約可以得到0.55V的電壓(因為0.45V被串聯的39歐姆電阻吃掉了)，然而在100Hz時HD595呈現220歐姆的阻抗，同樣TPA6120輸出1V而耳機在此時卻得到0.85V，比1kHz多了3.8dB的音壓！因此您會覺得100Hz的低音變強了(3.8dB差很大的)，其實是聲音被扭曲了！此耳機在100Hz附近的阻抗變化劇烈，所以並非單純加強低頻那麼簡單，而是聲音被嚴重的扭曲了！
但是不接這枚電阻也不行，電路可能會不穩定而產生髙頻的寄生振盪⋯寄生振盪是非常可怕的東西！它在擴大機無輸入信號時不存在，但是一旦輸入某些信號，由於擴大機不穩定因而伴隨著振盪(通常是高頻)，此振盪要不就是影響聽覺或是聽感，要不就是影響擴大機的性能，厳重者甚至可能傷害聽力！
更詭異的是該公司的application note Fig17竟然説接了25 OHM 的負載還能夠有0dB的增益曲線⋯⋯自動忽略輸出串聯39.2歐姆電阻的影響！讓人懷疑這些曲線是怎麼來的！
另外一個嚴重的問題是⋯當你接上三米的耳機線時，耳機線感應到的高頻訊號竄回擴大機，因為輸出阻抗不夠低(串了39歐姆的電阻)，無法吸收掉這些高頻雜訊，導致許多雜訊在PCB內竄來竄去⋯這不是危言聳聽，是我真實使用時發生的狀況。

再看看一個重要的規格：靜態電流！BUF634或是TPA6120每個OP的靜態電流都只有2～3mA左右，這表示都是非常接近B類的放大器！其低失真是靠著大量的回授壓下來的。您真的會喜歡B類放大器的聲音嗎？拜託這些個大公司的IC設計工程師們，多花點心思OK？耳機的阻抗並不是恆定不變的。A類的聲音還是比B類要好的。設計個A類又不難，不要整天都在cost down 節省晶片面積，為了賺錢⋯！
而聰明的你，睜大眼睛看淸楚，花的錢買的是什麼東西！！

晶體的選擇：
我一直偏向於選擇歐美的品牌的功率電晶體。這只是我個人的＂偏好＂！
我解釋一下為什麼我選的晶體規格書上寫的是4A而我卻説8A呢？通常電晶體規格書表列的集極最大DC電流是表示在連續直流的情況下，集極所能容許的最大電流，但是音樂訊號既然不是直流，當然就不能只看這個規格。
通常電晶體的規格書會提供另外一個規格＂圖＂，是在不同眽波寛度下集極能夠忍受的最大電流，在交流脈冲寛度不大於5mS的情況下，晶片都能夠提供2倍於DC電流的能力！看一下本機的電晶體，高達8A，這是比採用IC為輸出級的三十倍電流以上的驅動力！
一如往常的習慣，功率級採用ON-SEMI(即之前的Motorola semiconductor)的産品，基於我個人對於聲音本質的偏好(我就是喜歡美國晶體的聲音，沒有道理，或許是幾十年來對聲音的認知和經驗之所驅！)，一致性及可靠度等多重考量。正如歐洲車和日本車在馬力的標示上定義不同⋯同樣100匹，但是測定方式不同！

Diamond buffer 本身的音色非常透明，失真很低，幾乎不會加上任何的味精，可以很忠實的反應真空管的音色到耳機。有些非常好聲的名廠後級(例如Audio Research D240)也喜歡採用這樣的架構作為輸出級，D240的好聲音就不用我多説了吧！它仍然是我聼過的器材之中數一數二的好聲。但是很不好設計，尤其是直流偏移的問題！

另外，Diamond Buffer 輸入端這枚交連電容器不能省略的原因是因為前面的真空管在剛剛開機時燈絲從冷到加熱至工作溫度，在這段過程屏極電流也是隨之慢慢增加，因此電流鏡的輸出電壓是處於變動狀況，需要電容器來隔離此一不穏定的直流準位。很不幸的是這個大量的直流偏移無法(也不適合)用直流伺服電路拉回來！

直流伺服器：
鑽石電流放大器加入了直流伺服電路(DC servo)，以維持輸出電壓為～0V(通常在10mV以下)，如此可以保持此diamond buffer 在最佳工作狀態，而且可以拿掉那個麻煩的輸出的交連電容器。從此不用擔心有個輸出大容量的交連電容會影響音質的問題！
直流伺服電路的原理很簡單，通常是以一個OP接成積分器，來偵測輸出端的直流狀態，此積分電壓的輸出饋入主放大器的負相輸入端，因此可以連續調整輸出電壓的直流漂移至最低的程度(通常是此OP的 offset voltage)！
這顆OP由於輸入端的積分線路通常採用很高阻值的電阻(百k～Mega 歐姆)，因為其積分的時間常數需要很大，為了避免OP本身的input bias current 流過這枚電阻而形成 offset voltage 造成直流伺服電路的誤差，因此最好是採用JFET輸入的OP，如果採用bipolar input的OP，那麼OP正負輸入端最好儘可能串接一樣阻值的電阻，以抵消input bias current 造成的offset voltage。
再者，由於本鑽石緩衝器工作於高壓(+-24V），因此，此OP也採用了高壓型而且是JFET輸入的製品(比較少見，因此也比較貴)。

負迴授：
我加上了很少量的負廻授，負迴授有助於增加頻寬，減少失真，降低輸出阻抗及增加電路的穏定度，對於低頻的控制力也有相當的幫助，小心設計處理，利大於弊。
本機的閉環路增益大約在5倍，以平衡方式而言則是10倍，對耳機所需要的放大率是綽綽有餘的。負迴授只有10dB左右，但是卻足以改善因為真空管之間的特性誤差而形成平衡式放大器正負端的輸出不對稱或是左右聲道放大率不一致的問題。

(圖二)
壹佰萬uF的電源：(1,000,000uF)
如上圖，是全機的電源以及輸出延時+直流保護迴路。
以adaptor 直入的12V電壓經過進一步的濾波以後供應燈絲電源。
輸出的鑽石缓衝級以一組特殊設計的高功率(15W)+-24V的DC/DC轉換器來供應。
這個高能量的DC轉換器，以200kHz以上的頻率工作，必須要了解的是這是200kHz高速超高頻換流，與60Hz的交流慢慢地整流，16mS(如果是全波整流則是8mS)才能對濾波電容充電一次是天差地別大大不同！(相差3000倍)
大水塘設計的擴大機，由於不可能弄個數拾安培電流的變壓器，因此，以超大的濾波電容去維持電壓的穩定，您看到功放有幾萬uF容量的電容器算是非常的驚人了，而本機的電容量如換算成60Hz的話，則相當於高達100萬uF(1法拉)！！夠強了吧！
也就是説，本機的直流穩定度相當於以60Hz整流的電源加了個100萬uF的電容器一般！您㑹說這樣的能量發不出好的低音？
面對於HD800s之類的高阻抗耳機，本電路平衡式可以輸出超過50Vpp的峯值電壓，完全沒有動態不足的問題！而面對低阻抗的耳機，超強的電源及大功率高電流的輸出級也能輕鬆應付自如，這樣成就了本機可以驅動任何阻抗耳機的能力！

本機的總耗電量大約是600mA，其中二隻真空管的燈絲總共需要300mA，其他的線路和Diamond Buffer約消耗300mA。但是因為燈絲冷的時候其阻抗只有1/5左右，所以剛開機時本機㑹需要至少1.8A的電流，選擇12V，3A以上的adaptor 會比較保險！

輸出延時線路+直流保護：
開機大約5秒鐘Relay動作後耳機才會接到放大器的輸岀，如此可以避開開機時的衝擊聲，relay 是選用品質非常好的高信賴型，而線路則是是很簡單的RC(R33和C78)充放電，然後驅動達琳頓接法的雙電晶體，用以分別驅動兩個雙連(DPDT)的Relay，並聯在R33上的是一顆特別挑選的低漏電流的二極體(並不是任何二極體都可以，因為一般的二極體其反向漏電流太大會影響RC的準確度)，其目的是當Power off 時候，電容器內的電荷可以透過此二極體快速放掉，而且其低漏電流的特性可以避免影響RC常數的準確性。繼電器則是採用日製長壽命的製品，而且在線圈兩端並聯反向的二極體，用來消除電晶體由Turn on 轉為Turn off 時，線圈內的電流會産生反向高電壓而打壞了電晶體。電晶體的射級串聯了LED，由於LED的順向導通電壓比較髙(大約2V)，可以提高RC的時間常數，另一方面也當指示燈用，繼電器動作時，此二枚LED會被點亮。
Q34和D21周邊的線路組成了直流檢知器，當電路不明原因產生直流時(不論正或負)，Q34導通，C78的電荷被釋放，因此繼電器斷開，輸出斷路，進而保護了您的昂貴的耳機。

全部High－End零件：
我特別在一些地方採用了碳精電阻(carbon composition resistor)，以營造出一點＂古典＂的音色質感，不要太多，一點點就好，我喜歡碳精電阻的聲音，但實在很貴，所以用在重點部位即可，當然，用太多可能聲底會太復古…這也不太好，碳精電阻的阻值很難很精準，通常是5%的製品，所以要挑地方用，用錯地方，造成聲音不平衡就不好了！另外古代的碳精電阻不耐濕氣，因此晴天或雨天的聲音不太一樣！但是近代的製程改善了這個問題，因此我也偏向選擇現代製程技術的碳精電阻⋯值得留意的是＂理研＂(Riken)電阻是碳膜的結構，與碳精電阻整隻都是碳棒的結構不同⋯，這些都是零件選擇時必須要注意到的細節。
除此之外，Vishay SMD電阻，WIMA 電容，BC電容，On-Semi 半導體，高檔鍍金RCA座，Newtrik 4P平衡端子，鍍金的6.3mm耳機座，金腳金字的ECC802s真空管+鍍金管座⋯，10萬元以下的耳擴無人能出其右！

電池盒的選項：
這是讓本機的音質更進一步升級的選項！
外接內含鋰離子電池的專用電池盒可以提供純浄的直流電源，電池盒內含大電流(3A)的LDO線性穩壓器，可以穩定的輸出12V的電壓。由於本機並非以＂可攜式＂為訴求，電池只是用來提供純淨的直流用，可以一直插著adaptor邊充電邊使用，當然您也可以拔掉adaptor，只由電池來供電。以Panasonic 18650型的3400mAH電池，大約可以連續使用四～五個小時左右！
廠機只要是採用電池的(我説的是鋰離子動力電池，不是便宜的鋰聚合物電池！)，很多都是天價(Dynaudio 的 arbiter 擴大機售價超過30萬美金)，除了電池很貴，充電電池的保護及電量顯示等複雜度都比交流變壓器為基礎的AC整流濾波要高。

電池盒還內建電量顯示，是採用4合1的比較器IC: LM339，並且以一枚RGB的三色LED來表示，只是這三段並非設計成線性，如果採用線性分段，常常當只剩下亮一個紅色LED時卻還有接近50%的電量，但是郤是會讓人神經緊張的要去充電⋯
藍綠LED皆亮時代表有超過85%的電量，只亮綠色代表有的20％～85%，如果亮紅色(R)LED則代表剩下20％以下⋯至於何時該充電？您自己斟酌！提醒您：有不少的研究顯示鋰離子電池放電不要超過50%就進行充電，其電池的使用次數可以大幅提高2～10倍以上，因此，原本500次的使用次數可以延長至1000次～5000次，就算是每天用一次，也可以使用16年！16年後，相信有新的電池科技可以升級了。

SONY 4.4mm規格的平衡輸出端子選項(option)：
我仔細研究過這個端子，其實SONY設計得很用心，它的接觸是環狀的一圈，比起傳統的3.5mm單端耳機端子只有單點接觸要好！果然是有考慮Hi-End的需求，但是並非每個人都需要這樣的端子，而且單價不便宜，所以會放在選配中。
其實Neutrik 4P的平衡輸出端子非常好，鍍金而且結構札實，經得起長期使用的考驗，其接點至少都有5A的電流能力，接觸很札實，阻抗很低。

聲音如何？
坦白說為了達到我要的聲音(文章一開始的六項要求)，PCB就改了6次，電路更是不知道修了多少次，務必讓呈現的聲音，經得起時間的考驗。就如同一開始我定調的聲音需求，如果全部以真空管來設計，低頻控制力一定不好，而如果是全晶體的設計，高頻太乾，人聲也少了些溫度和感情，看來只有管晶合一是我最滿意的架構。
ECC802s真的是很好的管子，光是看管內長長的屏極就感覺很有份量的價值感！仔細端詳其內部的結構，幾乎和天價的Telefunken ECC802s 一樣！真的是好聲又不貴的好東西。
蒲鴻慶帶著HE1000(3千美金定價的耳機)來試聽這個耳擴，聲音好到讚不絕口！明白表示值得18萬以上(為什麼不是20萬？！)，要知道HE1000阻抗35歐姆，而且效率只有90dB，要推出好聲，非常考驗耳擴的能耐！假設其90dB是在輸入1V的條件下測得，那麼如果我要達到110dB的音壓勢必要輸入10Vrms 才行，這相當於28Vpp(峰對峰值)，因此輸出級必須有能力瞬間輸出28/35=0.8A(0.8安培)的電流能力才行！⋯以IC為輸出級的耳擴通通出局了！一般小型的真空管輸出級的耳擴也達不到！
而我自己則拿來接HD800(已經改了Cadas平衡線)，聲音非常非常的好。有多好？坦白說，我實在很希望說服Hiton能夠賣30萬(含電池及4.4mm輸出端子)，⋯⋯不管怎麼說，相信我，一旦聽了，就拿不下來了！

TOM1970 (TOM1970)
2018/09/17 14:07 #2

這東西已經是夢幻逸品等級!

RyanLin59 (RyanLin59)
2018/09/19 14:00 #3

這價位帶無敵...根本是怪獸級耳擴。

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【置頂】技術專文：SF-811平衡式真空管耳擴

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