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技術專文：SF-811平衡式真空管耳擴

管理者 ()
2019/03/12 20:50  #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)

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