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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線路的意外狀況與原因

放大線路線性很差,又被做成了深度的負回授,此時就會發生寄生震盪。為何呢?因為深度負回授基本上就是讓回授訊號的大小很接近原訊號,那麼有沒有人保證回授的訊號會不會不小心大於原訊號,一減之下反而變成負的呢?若是一旦發生了,就會產生很奇怪的震盪雜訊。如圖J所示:

科學角度看音響7:諧波變噪音、差動放大器模型詳解

(圖J)

為什麼會發生這種事呢?絕大多數的情況都是因為放大元件線性不好,在某個訊號準位過後的放大倍率會快速增加,我們原本估計輸出訊號除以N應該小於原訊號,但是偏偏在某個電位下就是會大於原訊號。

原訊號在經過一段時間t後才會回來和新訊號相減,若是輸入的訊號中有訊號它的週期剛好等於2t時會發生什麼事呢?原本要相減的成份竟然就變成相加。後果呢?就是一個振幅愈來愈大的波,如圖K中,原訊號是藍色線的sin波,而紅色線就是個很不巧的負回授,不但沒有穩定趨近於某個範圍,還愈長愈大。

這樣子的震盪是很容易發現的,因為系統中會充滿了高頻的噪音或者是奇怪的聲音。為什麼是高頻呢?因為大部分電子零件反應速度都很快,所以這個時間差t都很小,所以若有震盪有時甚至會是跑到上百MHz的無線區段去的!大部分這種震盪都會很耗能量,所以元件也會很容易發燙。也導致音頻訊號得不到足夠能量而大量失真,所以並不是我們聽得到這麼高頻的東西,而是音頻訊號受到了干擾。

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(圖K)

在差動放大器中,我們的訊號若不是很準確地落在(Vi-)=-1*(Vi+) 而是有很大的偏差,好比(Vi-)=-1*(Vi+)+3,這個時候就有可能會在負回授時產生奇怪的現像,會讓輸出訊號快速衝到系統最大值又在某些時候快速掉下來,這情況在某些運算放大器很常見,叫做phase reversal。如圖L這張由儀器所量的情況所示,原本輸入的是個帶有偏移的sin波,輸出卻出七八糟了:

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(圖L)

那麼負回授是否真的有什麼好處呢?我們在個很不線性的單一晶體系統中,輸入振幅0.3的sin波然後利用負回授讓它的振幅變小,我們使用了2個不同的回授值,第一個是放大後訊號乘以0.2,第二個是放大後訊號乘以0.4,我們可以發現如圖M中,紅線是較深的負回授,它明顯地比較沒有上下半部不同大小的問題。但是紅線的情況中,輸出的最大值就比藍線小了很多。我們為了比較線形而把二者縮小成一樣大,請讀者切莫誤解。

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(圖M)

負回授是好還是壞

負回授是好是壞在音響界有許多「異見」,有許多人信誓旦旦地說只要系統中有負回授,就會產生聲音糊掉的問題,因為我們把輸出的訊號在經過一段時間之後拿來和新輸入的訊號相減,這個在數學上很明顯地不是線性的情況。更有許多名廠打死都不讓系統中出現負回授,包括從DAC訊號檢出放大,到前級後級放大,他們用了許多非常貴的元件和技巧想避開負回授。

我們知道音響無論是黑膠唱片或者是CD的DAC甚或是電腦音效卡的DA,這第一關真正產生聲音的元件能產生的電流都非常小,往往小到只有5毫安培以內,電壓也可能只有幾個微伏特,要做到把振幅放大千倍或者把電流量放大千倍,不使用極大放大倍率的電子零件(如OP AMP)是很困難的。但這些零件大多會導入負回授,所以很多廠商在貴到驚人的音響中,使用包括變壓器線圈等等放大方式。不過水電工又得再得罪這些偉大的原廠一次了,水電工認為這些人都是在花大錢繞遠路,不但效果不明顯還帶入了許多的副作用,好比聲音變肥,透明度降低,低頻反應太激烈等。

為什麼呢?負回授的發明和驗證都是很多博士級論文驗證過的,如果真的會有讓聲音變糊的副作用,早就被淘汰了。我們才只是拿來處理聲音而已,人家還得拿來處理複雜的雷達回波和訊號調變。要是會糊的話全世界的雷達都是糊的,你去醫院照的PET、CT也都是糊的,ADSL、VDSL modem的調變訊號也都是糊的,網路也都變一團漿糊,水電工看世界大概也快毀滅了。

但是這些說法也未必全然沒有道理,在圖N,我們簡述了一下負回授的流程和時間差,我們可以發現,影響負回授的幾個重要因素,其一是時間差,造成時間差的因素主要是元件從訊號輸入後到真正開始改變輸出值是需要一點時間的。而另一點則是元件開始反應後的拉升速度,各位記得前幾篇中講過的slew rate嗎?

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(圖N)

波不糊的主因

在前面幾個段落中,水電工畫了一堆經過負回授處理的sin波,為什麼完全沒有糊掉的現象呢?那是因為水電工在寫模擬程式的時候,假設了負回授的總時間差只有sin波週期的數百分之一而已。而且元件的slew rate則是完全跟著原訊號走,也就是原訊號上升多快,放大後的訊號就會呈現等比例上升,好比若是一個放大100倍的線路,原訊號上升速度是每微秒10V,放大後的訊號上升速度就是每微秒1000V。老實說世界上能達到這麼快的零件真的還不多,如果我們把條件都變爛會有什麼事呢?

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(圖O)

圖O就是我們把負回授的時間差設定為sin波週期的1/16,紅色線就是最終結果而藍色線則是原sin波,當然結果應該是要晚1/16週期才出來,為方便比較我們把紅線稍稍前移了一下。紅線不只相角不太對,還似乎有奇怪的失真?我們把這2個訊號做一次頻譜轉換,把主頻到17次諧波的能量相減,才發現原來除了主頻能量變少之外,紅色訊號在任何一個高次諧波都多了很多。這個例子裡主頻能量只有256左右,但紅線多出來的高次諧波加起來都快超過主頻的10%了。

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所以若是零件反應速度很慢的話,使用負回授的確會有負面效果。但我們想想,聲頻的頻率頂多20KHz,也就是週期有50微秒,只要零件的反應時間延遲(Latency)在1微秒以下就不太看得出來失真了。現在的電晶體latency幾乎都在幾個奈秒而已,所以根本看不出會有什麼諧波失真跑出來。至於真空管這種老舊零件,就得看設計者如何拉回訊號而定了,若是做得不好是有可能造成多餘的失真的。

當然有很多時候廠商是為了市場因素考量,有的時候音響賣的是虛榮感,音質等等問題除非是金耳朵否則很難滿足不了,如果很輕易地使用了什麼量產元件或者是大家都知道的技術來做產品,那麼這產品還能賣百來萬嗎?另外一個問題,就是反正量產零件大家都有錢可以買,要是一個不小心,明天咱們郭董就買了幾百萬個下來生產「紅海牌音響」,而且才賣個幾萬元,就和這些很高貴的廠商有一樣的聲音特性,那麼高貴廠商又要如何和用戶交待?

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封面圖片來源:HDW

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