科學角度看音響6:各類線路變體設計及原理,魔鬼藏在細節裡

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手機營造低阻抗耳機熱潮

回頭來看看手機和隨身聽,大多只配有1顆鋰電池,頂多能做到3.7V,就算用了升壓晶片,也不敢超過12V,如此一來,我們的工作電壓仍然只能用到11V左右(正負5.5V)。在長久的發展史中,我們的喇叭系統大多只有8歐姆和16歐姆的平均負載電阻。而耳機是較為特殊的,阻抗可能高達300或600歐姆,但在近年來隨身設備流行的情形下,低阻抗的耳機也成為主流。

這些高阻抗的耳機,所需的電流量都很小,其實很好推動,但問題是您的設備要的電壓就大了,可能要到正負9或15V才能讓它發出夠大夠紮實的聲音。因此若您的設備沒有高電壓輸出能力,耳擴就成了必備品。

回到我們的上期真空管特性曲線,上期中水電工就劃了2條負載線,紅線是1500歐姆,綠線則是3000歐姆,光是這2個不同阻抗的輸出變壓器就會造成了電路設計上偏壓和總輸出量的不同。而上方藍色曲線就是這支管子的最大屏耗,也就是流經這個管子的輸出屏最大的電流和電壓乘積,KT-88是約在40W,超過了就會燒掉。所以我們所取的工作範圍只要不超過或太接近那條藍色曲線都可以。

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B類擴大機線路簡圖

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B類推動足音質差

現在再來看看號稱節能的B類擴大機,B類的機器就像CMOS電路一樣,雖然1個聲道有2個晶體或管子在推動,但是永遠有1顆是關著的。當正電壓端的Q1是打開的,輸出電壓就上升,而Q1關閉時Q2會打開,輸出電壓就一直下降。所以一般在設計B類擴大機時,所選的偏壓點和A類的需求是相差非常多的。

我們要讓管子在某個電壓以下就關閉,所以自然不會用線性最好的那一區,而是用到很接近截止的那一區。如圖所示,我們會用到的偏壓,就剛剛好讓晶體或管子在輸入訊號為零時關掉(沒放過任何電流)。這一區塊的線性常常很不怎麼樣,gm也不一定大,不過因為有2支管子各負責上下半週波型所以推動是算是足夠的,問題還是出在音質上面。

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影響B類音質3大關鍵

影響B類音質的問題有3個,第一個就是我們使用的區域線性不怎麼好,上下半週的放大訊號對應的轉換斜率有可能不一樣,這點幾乎無解。第二個就是上下半週的接續是接不起來的,當Q1關閉的瞬間Q2無法立刻打開,造成缺陷而使聲音變粗。第三就是輸出端的電壓,因為Q1、Q2可能力道不同,尤其是用FET的機器,NPN和PNP電晶體的電流速度差了一截。所以在輸入訊號為零時,輸出端常常回不到零,這點可以用直流負回饋來控制。

我們在很多B類擴大機上,看到輸出訊號經過電容濾波和電阻後,回到輸入端做回授控制就是為了控制這個問題。負迴授也是一個很有趣的大題目,水電工有機會將會專門來談談。有許多設計師會干脆就做訊號的負迴授,想利用負迴授得到一些好處,但往往得不償失。原本是是聲音粗,加了負迴授後聲音變了稍細但是卻也糊了很多。

偏壓的2種設計方式

之前水電工也提到了2種偏壓的方式,這個在各類擴大機都有需要使用,我們看到的B類擴大機也是把訊號剛好偏壓到截止端。不過之前水電工沒有畫很多圖來解釋偏壓,在這裡我們也來看看2種偏壓法,自給偏壓就是前二期水電工示範的方法,讓電晶體或真空管接地端接上1個電阻,當電源開啟後,流過的電流會抬升晶體的對地電壓,一直到某個平衡點才會穩定下來,這樣從管子或晶體看到的閘極輸入電壓就變成負的。

而固定偏壓則是在輸入端就加入了偏電壓路,可能是乘法電路,也可能是簡單用電流源或二極體給個偏壓,這樣子就會把輸入的訊號範圍(我們的音訊輸入一定是以0V為基準的交流訊號),抬升或下降到我們要的電壓去。

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偏壓電路故障燒整機

理論上固定偏壓的聲音應該要是比較好的,但事實上卻常常相反。有幾個原因可以討論,首先,有些元件就是線性不佳,像我們用了好幾期的KT-88真空管特性圖,已經算是很好的了,但是在Vg=-10~-20V之間仍然很不線性,gm隨著Vg變大而不正常增大,若是我們非得用到這段偏壓,此時自給偏壓會降低這段的gm增幅,反而讓它變得比較線性了。但是這種降低gm的手法,對於天生就是線性好的元件反而成為破壞音質的因素。

另外輸入的訊號大多很弱,所以加上偏壓的方式若是不對,就會讓原訊號變形。若使用了乘法電路或二極體,又會把這些偏壓電路上的雜音送進去晶體一起放大。固定偏壓大多會用在高階機種上,因為它難做,但做得好聲音會很乾淨,空氣感十足。在B類和AB類擴大機上,大多會使用二極體和乘法電路提供偏壓。自給偏壓的偏壓電路故障時,放大器會無法啟動,因為電流通路掛了,所以根本不會運作,但是固定偏壓電路故障時,就得看使用者的八字重不重了,一不小心是會把整組放大器燒掉的。

上期水電工提到了有些追求極致音質的設計者,會用直接交連的電路來設計二級式的擴大機(事實上大多數管機都必需是二級式的,而B類、AB類也必需是二級以上的),直接交連就是把第一級的擴大電路順便當成了偏壓電路,同時控制好輸入至第二級的零點準位以及振幅,因此它也算是某種型式的固定偏壓。所以這類型的電路大多需要加上一些保護線路。若是沒有的話,那麼也是有可能發生因為第一級電路故障而把整組擴大元件燒掉的問題。

輸出入端電壓平衡

很多初次看到放大器電路的人可能會覺得,那麼像水電工這樣常用自給偏壓,必需使用交連電容來連結第一級和第二級電路,難道不會變成低通濾波器嗎?事實上是不會的,在電容器的原理來看,電容的確會抵抗電壓的變化。但是所謂抵抗的效果,事實上是發生在輸入端,而在輸出端來看時,輸出端和輸入端中間是沒有連結的,所以是靠二片簿膜感應到輸入端的電壓。

當輸入端電壓變高,輸出端馬上感應到而跟著拉高電壓,一直到兩端電壓一樣為止,電流馬上截止。所以當我們輸入直流訊號時,在輸出端根本看不到任何電流,沒有輸出。但我們若輸入交流訊號,則輸出端就會感應到完全一樣的交流訊號。也就是電容器根本上就是個對直流電斷路對交流電通路的元件。所以當電容如圖連結時,右端就會只看到左端的交流訊號,卻看不到直流的電壓(許多晶體機在輸出端也是利用電容器來當直流阻斷用的)。

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所謂的電容會吃掉交流訊號或變成低通濾波器,則是要接成另外那張範例圖,我們可以看成說,高頻的訊號被電容器感應到地線去吃掉了,而在另一端只看到被電容器吃掉高頻訊號後的低頻訊號。

在多級的擴大機中,每一級的輸出都會有輸出阻抗,而每一級的輸入也會有寄生電容,電路等效圖如下。我們可以看到對於負載端來看,就好像訊號被低通濾波器吃掉了高頻才被送到負載。而且這個吃掉高頻的比例,竟然還和放大倍率成正比,這就是有名的密勒效應。密勒效應對於我們選用多級的材料配對上有極大的影響,因為這個低通濾波器的-3db點(也就是頻率高過這個點的訊號就會被吃掉超過1/2以上),和放大倍率、元件上的寄生電容,以及前一級輸出電阻的乘積正相關。

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水電工一直很少使用像300B之類的大型三極管就是因為它的寄生電容異常地大,所以前一級的推動級輸出阻抗一定要夠低,否則整個放大電路很容易變成一個把高頻細節吃光光的低通濾波器。就算很小心地設計了,十台中也有八台是缺乏空氣感和動態的。

AB類推挽式大玩合體

回到B類擴大機的問題上,我們在前面看到B類擴大機用的偏壓段以及運作方式,很輕易可以看出線性不好,甚至是上下半波根本接不起來的老問題。因此有許多水電工前輩想出了一個好方式,也就是俗稱AB類的推挽式擴大機。我們把送往上下2個2件的波形再做一點偏移,這樣子2個元件就永遠無法關閉了,也就不會有上下波形接不起來的鳥事。

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上下2個元件永遠無法關閉,就會在電路上造成必然會流過一定大小的電流,很像A類擴大機,但是在訊號振幅大於偏移點時,其一元件會截止,但另一元件直接把電流灌進輸出端,讓輸出端電流大增,此時又像B類,因此這種架構俗稱AB類。

在A類切往B類的瞬間,雖然沒有波形接不起來的問題,但是很容易出現不線性的問題,因為此點以上的放大轉換斜率常常和此點以下的不同,所以會有粗聲的問題,可說是百試不爽,水電工每次都聽得出來。AB類的擴大機若是總瓦數是100W,一般來說在A類的範圍就是約在10W左右。但實際上A類的範圍是可以經由設計師改變偏壓大小來調整的,這點在抄他人線路的音響玩家,和設計師之間是很少人知道的。

設計好壞看需求而定

一般來說,對於接上高阻抗負載的AB類擴大線路,決定是否留在A類範圍的主要因素就是輸出電流,接上低阻抗負載的則是要考量總功率,因為會出現前段所提的阻抗匹配問題。Nielson Pass先生近來也大推他的AB類作品,為何呢? 老實說水電工在之前就談過了,因為一般人根本用不到什麼200W的功率。Pass Lab動不動就會出上百甚至千瓦的機器,若是做成A類,那個能源消耗量保證嚇死你!

400W的二聲道擴大機一開機就會吃掉2000W的功率,足足和冷氣差不多!而大部分的人卻只能用到其中的15~30W的功率區段,因為400W的能量一灌進喇叭中會發出驚天地泣鬼神的超大聲音,就像把一台卡車拆了消音器開進你家客廳一樣大聲。所以還不如推給這些愛比大小的消費者AB類機器,反正一台200W的AB類擴大機它的A類範圍也有個20W左右,在大部分情況下這台機器根本都在A類中運作,只有大場面或拿來看電影的爆炸聲才會動到B類的範圍。至於爆炸聲的粗細,水電工認為聽得出來的人大概也不多,就像你有聽過有人評論說這煙火爆炸得多美聲嗎?

老實說現在消費者這種只看數字比大小,又不管真正的產品精神的態度對於很多認真製作的原廠技師,以及像Pass先生這種大師級的人都造成了很多的困擾,咱們改天再來談談這個,繼續講下去水電工這一路來捅到的馬蜂窩就愈來愈多啦!

 

 

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