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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電晶體與真空管優劣

現代使用於音響上的放大器不是JFET電晶體就是真空管,簡單來看,電晶體的優勢在於極高的頻率響應,很大的放大倍率和電流供應量以及較低的雜訊;而真空管的優勢則在於極佳的線性。看起來真空管只有一招可以闖天下?不過偏偏這招就是大絕招,所以很多高級發燒機都仍然是使用。以下水電工就用圖片來為大家說明電晶體和真空管的工作特性。

電晶體工作原理

電晶體從發明以來有好幾種不同結構,雖然都是三極控制結構,但因為原理不同也導致特性不同。好比早期速度最快的BJT電晶體來說,它的控制極會把輸入訊號的電子混入電流通道中以便導通,所以控制訊號的輸入電流需求較大。而JFET或MOS則因為只是利用靜電感應出電流通道所以輸入電流就不那麼大。

電壓是放大器關鍵

電晶體工作電壓通常都無法太高,音響使用的電晶體在日常電器當中屬於高規格,動輒電壓超過20V。之前提到的,當電流通路導通時,理想放大器是沒有內阻,電流應該很順利地流過通道。但是真實的情況是電晶體內部仍然有數十歐姆的阻抗,電流流經通道時會在通道內發熱,操作電壓過高、電流太大,電晶體容易燒毀。那麼放低操作電壓就好了?那有這麼好的事?

公式:功率=電壓x電流

電學第一條原理就是電壓即是電位能,只能由高往低走,也就是當系統電壓只有2V,那麼輸出端最多也只有2V。若是以一般8歐姆負載的情況來看,2V的輸出最多只能得到0.25A的電流,系統的功率就只有0.5瓦特。這種功率大概只能讓一般喇叭發出相當於人類小聲說話的聲音,就算是用號角喇叭在這種功率下聲音也會怪怪的,只有中音頻沒有低音域。

不線性的電晶體

電晶體真的很不線性,尤其是利用閘極來做輸入控制的時候特別明顯。我們來看幾張有名的電晶體特性圖就知道了,下圖是Pass  Lab老闆Nielson Pass大師最愛用的特殊製程JFET的特性曲線,我們可以看到閘極電壓低時線的距離愈窄,代表這顆電晶體在閘極電壓低的時候放大倍率比較小,而閘極電壓拉高時放大倍率會變大。當我們輸入1個動態大一點的訊號(動態大的訊號必然代表該訊號是由很低的電壓拉到很高的電壓),我們就會得到很不線性的結果。

造成電晶體不線性的原因有幾項,首先是因為電流通道的形成無法和閘極控制壓的變化完全等比例。這點是完全無法克服,只能透過電路設計來減緩這個問題,這也就是為什麼電晶體做的音響,大多會用到好幾顆電晶體,負迴授等等複雜的方式來構成放大器。

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

▲早期BJT型電晶體主要是透過P型轉性,達到控制的目的

漏電流影響特性

其次是漏電流,包括了電通流道本身以及閘極都會漏出電流,在bi-polar電晶體中甚至沒有這個漏電流,電路就無法導通。漏電流和線性有什麼關係呢?大家想想漏出來的電流會跑到那裡去?當然是流到電阻和電位都最低的電流通道末端(也就是輸出端)去了,線性放大器的放大是等於訊號電壓變化,但是漏電流的量是等於控制極(閘極或基極)偏壓加上訊號電壓。

這段不小心跑進輸出端的電流量根本不和訊號成比例,造成電晶體不線性的特性。這點在大型功率晶體上造成的影響還不算大,大型功率晶體輸出電流動輒好幾安培,漏個0.001A根本算不什麼。但是在第一級放大的時候,或是極小的訊號要撿出來做第一極放大用的電路,那時的小訊號電壓振幅有可能低到0.1mV以下,電流量也小到只有0.001A不到,若是漏出0.0001A就會造成很大的偏差了。

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

▲電子經由閘極導電層施加的電壓,被吸引上漂形成通道

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