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

ADVERTISEMENT

真空管線性表現佳

真空管是音響界水電工很愛玩的小玩具,它的原理也不難,以直熱式三極真空管為例,我們用電流加熱燈絲,讓電子在真空的管子內部亂飛,輸入的訊號則做為控制極,大家應該知道電子喜歡往高電壓跑,所以圍繞在燈絲週圍的控制極(柵極)我們都會通上低的電壓,讓電子不要飛出來就直接撞到陽極。而能夠飛出來撞進陽極的電子數量,就是輸出電流,它會隨著我們改變柵極的電壓而改變,所以它是可受控制的放大器。

三極管特性不太理想,常常有寄生電容過大,輸出阻抗太大,效率不佳的問題,所以後來又改進成了五極管和束射管。五極管的原理如圖所示,陰極不像三極管是用燈絲當陰極,而是採用獨立配置,在它週邊我們安裝了燈絲去加熱陰極。

電子衝出陰極後必需通過柵極,我們同樣在此利用低電壓來控制電子通過的數量,而電子在通過柵極後,會再經過簾柵極。這個簾柵極是用來降低輸入端寄生電容的,通常此處會接上比陽極低一截的電壓,這會導致電子在通過簾柵極之前不小心又被這個電壓加速了一段再去撞陽極。此時因為速度過快,不但沒有把自己留在陽極上金屬片當中,反而還把陽極上的電子給撞飛了出來,導致於當我們把柵極電壓拉高,期待管子要出更大的電流時,電流反而變小了,於是在簾柵極和陽極間我們又加上減速用的抑制極。從結構及實測上,由於真空管的電子通路是固定的,能放過多少電流是看柵極阻擋的力量有多大,所以線性的確是好很多的。

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

▲圖是某顆號稱神兵的電晶體量測特性,從2∼2.5V每條間距都不同,放大倍率並不線性

三極、五極管差異大

三極管和五極管在特性圖上面有極大的不同,三極管的屏極和陰極電壓差變化可以導致大量的導通電流變化,如圖所示,每根線都往天上走了,而且這段的通量和電壓變化不成線性正比。而五極管則比較像電晶體,在屏極電壓的變化導致的流通量會緩和許多並且是較為線性的。

這代表著三極管在應用上的確有較多的限制,而且大部分三極管的輸入寄生電容都有點太大,會導致Miller effect(米勒效應)。米勒效應是指在放大器的輸入端,看到的電容乘以電阻值,就代表放大器的作用頻寬,當這個值愈大頻寬就低。如果在多級放大中,前一級的輸出阻抗不夠小,這裡的R x C值就會有更大的影響。水電工必需說三極管(尤其是直熱式)在電路學上可以明顯看出,除了在電子放射量有較大的優勢外,幾乎占不到什麼便宜。

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

▲直熱式三極真空管可做為簡單的範例,加熱燈絲(陰極)就能釋放電子,控制極(閘極)通上低電壓藉此控制電子,最後撞進陽極成為輸出電流

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

▲五極管顧名思義有陰極、柵極、廉柵極、抑制極與陽極,簾柵極用於加速而抑制極用於減速,控制好速度後才會進入陽極

名管不見得人人稱讚

在音響界不乏有人炒作某些名管,好比300B就是直熱式三極管。水電工也聽過不少號稱高手做的300B擴大機,可以說清一色的是讓水電工耳朵很不自在,細節又少又軟,號稱聲音很柔,但實際上是什麼都聽不到。再加上老管又被炒到天價,中國製新管也貴,還真不如不要玩。日本無線與實驗雜誌的自作派音響大賽中,300B的機器很久沒拿過什麼好名次,除非您真的是耳朵太敏感,受不得一點點帶細節的聲音,否則對某些發燒炒作管實在是沒有跟風學習,甚至一心收集的必要。

高電壓的真空管

先前特性圖中我們可以看到,在柵極電壓輸入以及電流輸出的對照中,真空管是非常線性的,但真空管的運作方式因為必需要加熱燈絲,所以熱噪音都會比電晶體大一點,所以SNR(噪訊比)通常都只有-90db左右。實際聽感而言,真空管放大的聲音大多比較耐聽,沒有生冷感,細節多又富有情感,不過在實際應用上,真空管的確不適合在超大功率的應用上,最佳的應用範圍是在0.1W∼30W之間。

真空管的運作,必需要使用高壓電,對於大型功率管而言,動不動就要200V,常見的束射管都要到600∼800V,而單支就有大功率的管子動不動就是上1000∼2000V。為了供應它電源就要花掉很多材料,電路設計稍有不慎就會爆炸,在大功率的情況下未必會有好處。更何況單級放大倍率通常都不高,KT-88這種大型管也不過gm=40mA/V,要得到真正大功率得三至四級放大,反而容易造成失真。

真空管放大器由於屏壓都在數百伏特,也不可能直接把訊號送進喇叭,會燒掉您寶貴的喇叭。所以都要經過輸出變壓器降壓,簡而言之,真空管是高電壓低電流的運作方式,電晶體則是低電壓高電流的運作方式。輸出變壓器本身又會再造成一些失真,若要不失真,所費的成本就相當驚人了。

真空管、電晶體

該選誰如同前面所述,電晶體具有高大電流低電壓,低雜訊的多項特色,同時也不必透過輸出變壓器做變壓,就可以直接輸出至喇叭。但是偏偏在線性這關就卡住過不去,導致於許多晶體機都有冷聲底的問題。電晶體機種的反應速度快,細節也多,對於中高頻細節的反應都很快很順,如果設計得宜的話,當然還是會有不錯的聲音。

不過就水電工自身的經驗顯示,這絕對不是簡單的事。許多售價上百萬的高階晶體機,號稱聲音很乾淨,但實際聽感卻是毫無感情和細節,聲音好似退後了50公尺的感覺。這種調音方式用在耳機可能還可以,用在大型系統卻會讓整個氣勢及情感消失無蹤。當然某些高階機的支持者可能會說這是水電工個人觀點,不代表市場主流。水電工認為不妨多聽現場演唱會、現場演奏會,看看世界上各個專業的高手在調音是怎麼調的,演奏廳裡那些負責設計音場的大師又是在聽什麼樣的聲音。

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

▲三極管與五極管的特性差異相當大,三極管在應用面有較多的限制,容易產生米勒效應

真空管不等於復古聲

當然,上百瓦的機器買回家裡,就算您是住在帝寶恐怕也不是件聰明的事,為何呢?因為大多數的情況下,您所聽的音響都運作在10W以內。這點之後我們會再詳述。那種400∼500瓦的機器大概只會在大型演唱會中才有機會出盡全力。便宜的晶體機問題更不用說,聲音乾扁變形,因為用的料件根本沒有什麼線性和低漏電流可言,音場也又小又鬆散,可以說是過去20年來讓晶體機飽受高階玩家批評的主因。

真空管機當然也有許多設計上的問題,不過大多不出現在電路設計上,而是在材料以及電源處理上,真空管機的聲音因為線性好,所以往往小管子就可以出好聲,水電工必需再強調一次,先決條件是設計和用料都沒問題。真空管機許多人認為反應速度慢,但其實那種慢,是人類感覺不出來的慢,上好的管機聲音仍然應該要清楚,細節反應快速,音場也不能縮小跑到幾百公尺之外。

發出失真太嚴重像FM廣播的古早聲更是水電工的大忌,當然水電工也知道有一些人,就是不斷在追求70年代的古早聲音。那種聲音是有某些迷人之處,尤其是玩黑膠唱片的人有部分會很追求的。但是實在失真過多,雖然很懷古,但是毫無臨場感。 (作者:台灣水電工)

本文同步刊載於電腦王雜誌
  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
歡迎加入電腦王雜誌粉絲團

使用 Facebook 留言

發表回應

謹慎發言,尊重彼此。按此展開留言規則