科學角度看音響7:諧波變噪音、差動放大器模型詳解

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影響表現的4大問題

第一,差動訊號如何產生的?如果您的前一級訊號是原生的差動訊號,好比說黑膠唱盤的唱針就是可以做成原生的差動訊號,那麼當然沒問題;如果前一級是單端訊號,那麼如何轉成差動訊號就有問題了。轉得不好的話可是會難聽無比,水電工已經見過很多貴得要命的設備死在這點上了。

第二,Q3和Q4的電流真的會100%一樣嗎?答案是否定的,因為Q3和Q4的受到Q1和Q2放過的電流影響,所以Q3和Q4的是不同樣的,而回到之前我們談的晶體導通公式,當VGS相同的晶體,愈大的放過的電流也愈大。

第三,Q1和Q2,以及Q3及Q4它的精密度也要相當高,Q1和Q2必需一樣寬,而Q3和Q4也要一樣寬,否則二邊對於同一個Vi+及Vi-反應放過的電流也會呈現不對稱的狀態。因為無法完全減掉,這個不對稱就會造成失真。

第四,就算Q1和Q2完全對稱,在數學上仍然可以發現無法達到完美的線性,因為Q1和Q2在放過不同電流時,仍然是不同的。而公式四中I又和成正比,根本無法用減法去掉這個非線性項目。圖H就是我們代入這個變化量後得到的輸出值,看起來雖然很像sin波,但和真正的sin波(紅線)比起來,就是吃太多而是胖了一號的sin波。水電工程做到連sin波都會發胖,這是不能容許的。

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(公式四)

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(圖H)

理論與實際上的落差

理論上我們可以得到無失真的線性輸出,但事實上根本不可能,只能盡量接近完美而已。同樣地一個放大器如果我們用真空管,那麼由於天生失真就小得多,所以就算兩邊放過的電流不太對稱,甚至代入對輸出電流的影響,但是聽起來還是好得多。另外一個在功率級常常用的差動式線路則是如圖I所示。

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(圖I)

圖I中喇叭所看到的電動勢變化就是Vo1-Vo2,同樣的在相減後會得到1組很少非線性失真的波形。這個線路使用了定電流源做為偏壓,將Q1及Q2對地電壓拉升到固定值,因為定電流源不隨著訊號變化,對於交流訊號而言在這個點等於是死路,所以交流訊號會全部往喇叭推過去。

而且Q1和Q2的交流訊號是反相,所以在喇叭看到會是2個訊號互推,因此推動力會更好。而這個電路同樣面對之前段落所提到的4個非線性問題。這種設計的電晶體擴大機有個很重要的使用要點:如果沒有裝保護線路的話,絕對不能在沒有裝上喇叭時開機,更不能在放音樂時拆掉喇叭線,否則不用1秒鐘電晶體就燒了。

負回授的探討

上段所提到的方式,當然可以大幅解決各種主動元件失真問題,但是在某些情況下仍然要有其它方式解決失真問題,好比沒有差動訊號可用時或者是就算使用了差動輸入仍然無法達到令人滿意的線性。這時就要回到我們在前幾個段落中提到的事了:在非線性系統中輸入的訊號振幅愈小得到的失真也會愈小。

要如何縮小輸入訊號的振幅呢?用分壓網路如何?電阻構成分壓網路是很方便的事,但是有幾個大問題,其一就是SNR會變高,假設原本系統中帶有個振幅0.1V的雜訊,若是訊號被我們用分壓網路減少到0.2V,那麼豈不是雜訊變成音樂訊號的一半大?這種線路用膝蓋想也知道不能聽。事實上系統中的雜訊只要到達0.1%,人耳就可以很明確地感受出來。

我們減少輸入訊號的振幅,輸出當然也會減少,所以放大倍率也要跟著做大,好比許多高性能的放大晶片的放大倍率都有數十萬倍。若是先把訊號除以數十萬大概就和雜訊差不了太多了,再輸入元件放大數十萬倍,出來的聲音也是肯定不能聽。

再者,利用分壓網路降訊號大小有個很大的副作用,就是這個動作本身就會產生一堆熱雜訊,而且若是訊號本來就不怎麼大,那麼真是屋漏偏逢連夜雨。所以對於小訊號而言先除再乘的觀念是絕對行不通。

因此在70年代就有提出了負回授的觀念,使用負回授的方式很簡單,只要把輸出的訊號除以某一個值再拉回輸入端,和原本的輸入訊號相加或相減。若是正向放大器就要相減,如果是反向放大器就要加,這樣即可以達成負回授。使用負回授會讓輸出訊號和輸入訊號自動做一個平衡,因為Vo=A*(Vi-Vf),而Vf=Vo/N,若是訊號是一個簡單的直流,那麼我們可以看做Vo=A*(Vi-Vo/N),由此可知公式五。

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(公式五)

實際的放大倍率並不會像A這麼大,而是會變成。若是A到達數十或百萬的話,實際放大倍率就會變成N了。因此我們可以知道負回授的作用,就是在於降低放大倍率換取其它的性能改善。通常會改善的部分是頻率響應,因為按照物理定律來看放大倍率大的系統頻率響應就會愈差,對高頻特別無法應付。

放大不會超過工作電壓

讀者一定會想到,若把訊號放大百萬倍?那不是很危險嗎?事實上,我們之前提過這麼多放大器工作原理請大家仔細想一想,放大器工作的能量是由Vcc提供的,也就是放大百萬倍的結果絕對不會超過我們提供的電壓,所以會變成訊號爆掉的情況,全然看不出原訊號長什麼樣子。假設我們在某個5V的工作電壓的放大器中輸入0.1V的訊號,在無負回授情況下被放大百萬倍,我們也只會得到5V的訊號。

如上面所述,負回授對於靜態訊號來說會達到某個靜態的平衡點,記得之前我們在討論B類擴大機時,水電工有提過B類擴大機都會做個負回授吧?B類擴大機正確的做法並不是把交流訊號做負回授,而是把直流的成份拉回來負回授,讓系統的直流點回歸到地線電壓(通常就是0)。但是對於動態的訊號而言,負回授又會變成怎麼一回事呢?

在交流訊號中,由於信號隨著時間不斷變化,所以負回授很明顯地就會變成了時間函數了。也就是說我們輸入的訊號在完全反應在輸出訊號之時已經改變了,因此由輸出訊號再拉回到輸入訊號相減時,我們看到的輸入訊號也已經是新的訊號了,整個系統變成了由新訊號值減掉舊訊號值的情況。如果在穩定的形態下這種時間函數還不至於產生新的諧波和雜訊,但是世事難預料,凡是用到負回授的線路在某些特定條件下,都可能產生預期之外的情況。這些意外有幾種形式和發生的原因,我們以下就來看看幾種情況。

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