科學角度看音響3:真空管與電晶體之爭,談音響主動元件特性

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放大器元件

特性一般而言,元件特性圖都會有很多條線在上面,設計電路的水電工得按照自己的需求去把它轉成負載線或轉換線圖,水電工在此就先介紹大家看懂特性圖。為什麼會有很多條線?如同前段所述,有2個參數可以控制電流通道的總流通量,首先是控制極的輸入,其次是電流通道的電壓差。

為了方便使用,通常測量的人會先固定住控制極的電壓,好比先輸入-10V,然後改變電流通道的電壓差,例如由0V慢慢增加至500V,然後測量通道上的電流量。此時會得出第一條特性曲線,然後再把控制極電壓加到-15V,再把電流通道電壓差由0慢慢加至500V,然後得到第二條曲線,以此類推而得到畫了7∼8條曲線的圖。我們由元件特性圖就可以得知元件在我們的設計中應該使用的控制極輸入電壓應該是多少,而輸出又會得到多少,同時電流通道的電壓應該加上多少才合理。

元件特性圖可以方便水電工選擇工作電壓範圍,但是仍有一點可能是做不到的:也就是在選定的工作範圍內,由控制極輸入訊號的複製情況如何,在圖中是看不太出來的。因為控制極電壓是每隔一小段電壓才測量一次的,我們僅能看出在大範圍內是否有不線性的情況,卻不能看出小範圍內線性表現好到什麼程度。有經驗的水電工,都會在自己選定的範圍內再量一次轉換情況。

理想放大器模型的5個條件

  1. 輸入阻抗極高,這代表可以用很小的電流就推動它。
  2. 輸出阻抗趨近於零,這代表它是理想電流源,無論負載需求多大都能供應。
  3. 有絕佳的線性範圍以及理想的線性。
  4. 很寬的頻率響應,無論輸入的頻率是高是低,都可以得到相同的放大率。
  5. 各種寄生電容電感值極小,這樣才不會變成奇奇怪怪的濾波器造成頻率響應不佳,更甚者會造成群相角失真,讓聲音質感跑掉。

科學角度看音響3:真空管與電晶體之爭,談音響主動元件特性

▲水電工在屏壓500V處做了一些紅色參考線,每個點之間距離相等。我們可以看到這支真空管在屏壓500V時,柵極電壓在-10V∼-20V之間有絕佳的線性,在-20V∼-25V之間放大倍率就變小了

反應速度Slew Rate

進到下個段落之前,先來談談Slew Rate(反應速度、電壓轉換速率,可簡稱SR)。Slew Rate是指元件在輸入訊號改變時,輸出訊號跟著改變的速度。好比輸入訊號如果在1µs(微秒)內上升了0.5V,而輸出訊號因為經過放大可能必需在同樣的時間內上升5V,若是元件最大的Slew Rate就是5V/µs,那麼當然就沒問題。若是元件最大的Slew Rate只有2V/µs,會出什麼事呢?水電工必需說,後果會很難看,聲音會糊掉。

通常而言,真空管的Slew Rate都不會太高,以KT88的機器而言大都在10V/µs左右,但電晶體就驚人了,有的小型放大器甚至可以到1000V/µs。若是要表現1KHz的人耳最靈敏頻段,以輸出範圍從-15V∼+15V的小功率擴大機而言,假設是全功率大動態,那麼1秒就必需拉動60000V,等於每微秒只要能拉動0.06V就可以跟上了,若是20KHz極高頻(放給狗聽的音樂),那麼每微秒也只要能拉動1.2V就可以跟上。

真空管再怎麼慢,也不可能放不出音樂來。反應速度過快的元件在很多電路上更是會造成振盪自激的問題,為了解決這問題反而會弄得聲音又粗又冷。製作音響的老手都知道去追求反應速度和大頻寬電路是很笨的事。頻寬和反應速度都是足夠就好。不過反應速度的差異的確會造成聽感的不同,畢竟Sin波並不是斜率固定的一種波形,它在上昇下降段仍然會需要較大的速度,但這種聽感差異和聲音好壞沒有直接的關係,它只是讓聽者覺得動態感比較大。沒有人敢說一顆10V/µs的晶體一定會比2V/µs的好聽,事實上相反的例子可多著。

 

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