放大器技术 概述

1927年，美国贝尔实验室推出了革命性的负反馈（NFB）技术，标志着音频放大器开始进入新纪元。而1947年发表的威廉逊放大器，则标志着高保真（High Fidelity）放大器的面世，该机成功地运用负反馈技术，使胆机的失真降低达0.5%，音质之佳在当时首屈一指，是音响史上重要的里程碑。1951年，美国Audio杂志发表了一篇“超线性放大器”的文章，该放大器将非线性失真大幅度降低，第二年6月，又发表将威廉逊线路和超线性线路相结合的放大器文章，标志着负反馈技术在音响技术中的大量使用。从此，放大器的设计出现百家争鸣的局面，其影响一直延伸到今天。
　　在盛行“以耳朵收货”说法的今天，不少发烧友说音响器材的指标没多大意义，因为许多测试指标优良的放大器听感也不佳。但不能否认的是，人耳聆听由于带有较多的个人主观因素，因此往往带有很大片面性，只能作为参考，而不能作为标准，所以放大器的指标仍然是衡量其性能一个重要标志。一般来讲测试放大器技术指标的方法应分为静态和动态两种。静态指标是在稳定状态下以正弦波进行测量所得的数据，测试项目包括有频率响应、谐波失真、信噪比、互调失真以及阻尼系数等；而动态指标是指用较复杂的如方波、窄脉冲等信号测量得到的数据，包括有相位失真、瞬态响应和瞬态互调失真等。要大致反映出放大器的品质，动态测试数据必不可少。为了方便读者全面认识和了解放大器的方方面面，在这里，笔者对一些较重要的技术指标规格介绍，读者也可以从这些规格中大致了解了放大器的质素。
　　A、频率响应
　　一般对频率响应范围的规定是：当输出电平在某个低频点下降3dB ，则该点为下限频率，同样在某个高频点下降3dB时为上限频率。这个3dB点称为不均匀范围或叫做半功率点（Half Power Point），因为电平正好下降3dB时，放大器的输出功率正好下降了一半。
　　在传统的说法中，人耳能够听到的频率范围在20Hz-20kHz之间，因此放大器的频率范围理论上应做到20-20kHz（±3dB）平直就足够，但事实上音乐中含有的许多乐器或反射泛音谐波有很多是超出这个频率范围的。由于人耳对声音的判别精度可达到0.1dB，有些高级放大器的频响标称20-20kHz的不均匀度为正负0.1dB，当以±3dB不均匀度测量时它们的时频响可能达到10Hz至50kHz甚至更宽。从改善瞬态反应的目的考虑，放大器应该有更宽广的频应范围，像新一代音源SACD和DVD Audio的频响范围已超出传统的20kHz，因此现代高级放大器的频响应能达到从10Hz-100kHz（±3dB）。但放大器的频响也不是越宽越好，否则易引入高频或低频干扰，反而使S/N降低或诱发互调失真。
　　严格的频应曲线图应有两幅的，其中我们常见的频率响应图叫做幅频曲线图，另一幅称为相频曲线图，它是表示不同频率在经过放大器后产生的相位失真（相位畸变）大小，相位失真是指信号由放大器输入端到输出端产生的时间相位差，相位差过大时会影响负反馈线路的稳定性，并与相位失真和瞬态互调调失真有较大的关系，Hi-Fi放大器的相位失真在20-20KHz频率范围内应控制在±5%范围内。
　　B、谐波失真( Harmonics Distortion)
物体在受到外界的干扰振动后会出现一个呈周期性衰减振动。例如，两端固定的吉它弦线在中部受到弹拨时，会产生一个肉眼可见的大振动，这个振动称作基波（Fundemental），弦线除了沿中点作大幅度摆动外，线的本身还有许多肉眼很难看到的细小振动，它们的频率都比基波高，这些振动频率被称为谐波（Harmonics），乐器产生的谐波常叫做泛音（Overtone）。除了由信号源产生谐波外，声音振动波传播时遇上障碍物产生的反射、绕射和折射也会产生谐波。
　　放大器线路中的各种各样电子元件、接线和焊点会在一定程度上降低放大器的线性表现。当音乐信号通过放大器时，非线性特性会令信号产生某种程度的变形扭曲，即相当于在信号中加入了一些谐波，这种信号变形的失真称为谐波失真。谐波失真一般用百分比来表示，百分比数越小即是放大器产生的谐波少，也就是说信号波形的失真较低。
　　厂商在标注产品的谐波失真时，一般只给出如0.1%单项数据，但由放大器产生的谐波，却是与信号频率和输出功率有关的函数关系。当输出功率接近最大值时，谐波失真急剧加大，特别是晶体管放大器会因接近过载（Overload）会发生将信号的顶部齐平削去的严重波形畸变失真。
　　但是胆机产生的谐波失真频率是基波频率2、4、6、8…倍（即偶次谐波），因此偶次谐波虽然也是失真，但由于其频率是基波的一倍，它可以和基波组成音符上的最和谐、动听的纯八度和声，这也是造成胆机声音甜美、乐感丰富的一大原因。尽管这种声音可能会很动听，但是却和高保真的要求相左。高保真放大器的谐波失真一般应控制在0.05%以下，目前许多优秀的放大器失真度均可达到这个要求。
　　C、互调失真（Intermodulation Distortion）
　　简单来讲，合成的信号称为调制信号，互调失真是指整个可听频带中高低频混合成全频的过程引起的失真。产生互调失真的过程其实也是一种调制过程，这是因为每个电子线路或每台放大器非线性作用下，不同频率的信号会自动相加和相减，产生出两个在原信号中没有的额外信号，当原信号为N个时，输出信号便会有3N个，可想而知，可听频带中由互调失真所产生的额外信号数量相当惊人！
　　由于互调失真信号全部是音乐频率的相加相减得出的信号，因此人耳对它较为敏感，虽然互调失真和谐波失真都是由放大器的非线性引起，两者都是在正弦波中加入一些额外的频率成份，但它们性质并不相同，谐波失真是对原信号波形的扭曲，它就算是单一频率信号通过放大线路也会产生失真、但互调失真却是不同频率之间的互相干扰造成的，放大器中互调失真往往大于谐波失真，而且它的测量远比谐波失真复杂，而且在今天仍未有统一的测量标准。要大量降低互调失真，可采用电子分频方式来限制每路放大器和扬声器的工作频带。
　　D、瞬态互调失真（Transient Intermodulation Distortion）
　　瞬态互调失真，简称TIM失真，这是在70年代才公开发布的失真，它与负反馈关系密切。众所周知，负反馈（Negative Feedback）的作用是将输出值倒相变为负数，随后将之反馈到输入端，和设定值相减，得出误差信号，然后控制器就会根据误差大小作出修正，从而大幅度减少失真。
　　但由于负反馈使输入信号和反馈的输出信号相减，降低了信号电平，当负反馈量大到使输出信号降低到和输入信号电平相同，即整个线路完全没有放大时，这种放大器叫缓冲放大器（Buffer Amplifier），它有输入阻抗高，输出阻抗低的优点，常被用来作阻抗匹配使用。如要要使输出信号有较大的电平，那放大器的增益要相应加大，而这在胆机和晶体管机中并不困难。
　　但负反馈在有效地降低失真时，却引起新的失真即瞬态互调失真，这种失真在晶体管（石机）上机最为严重。这是因为石机常用高达50-60dB左右的深度负反馈来提高工作稳定性和减少失真，虽然此时晶体管机将轻易获得较高的技术参数。但有得也有失，为减少由深度负反馈所引起的高频寄生振荡，石机一般要在前置推动级的晶体管集电极和基极之间加入一个小电容，使高频段的相位稍为滞后，但无论电容的容量如何小，也要有一定时间来充电，当信号中含有高速瞬态脉冲时，电容充电速度跟不上时，这一瞬间线路是处于没有负反馈状态，这个时候由于输入信号没有和负反馈信号相减，造成信号电平过强，使放大线路瞬时过载（Overload），由于石机负反馈量大，过载强度更高，常达到几十倍以上，此时输出信号会出现削波（Clipping）现象，瞬态互调失真由此产生，由于石机中这种失真出现最多，因此该失真常被称为“晶体管”声。
　　虽然负反馈的时间延迟很难解决，但要减少其影响，可用大环路浅度负反馈，这样就算有负反馈时间延迟，输入信号也不过强；另外也可用多级负反馈，这样由于反馈时间快，路径短，不容易诱发瞬态互调失真。此之外，在设计制作时还应尽量利用各种屏蔽和滤波措施来减少各种高频干扰信号进入放大器，这些射频干扰虽然人耳听不见，但它们的频率很高，极易诱发瞬态互调失真。
　　瞬态互调失真是当信号速度超过放大器的瞬态响应能力范围之外才会发生的，另外，除了这处失真外，过快的信号也会产生另一种即振铃（Ringing）失真现象，当输入信号速度快而幅度小时，最先出现的是振铃现象，当这个信号的速度快到某种程度时瞬态互调失真也会出现，但当信号速度快兼幅度大时，是直接进入瞬态互调失真状态。各种各样的速度快但幅度小的高频干扰噪音，最容易引发振铃，这就是音响设备要有完善的抗干扰措施的一大原因。
　　E、界面互调失真（Interface Intermodulation Distortion）
这种失真较少为人知道和提及，它和下面提到的阻尼系数一样，不但和放大器线路有关，而且和音箱也有很大关系。因此在介绍这两项指标前，应先了解音箱有关这方面的特性。目前的音箱所用的单元绝大部分是采用动圈式喇叭，其主要结构包括有一个产生磁场的永久磁铁和一个音圈，严格来说动圈式喇叭属于一种特殊的直流马达，只不过音圈只需要的是直上直下的来回活动而不是旋转。
不管是交流马达或是直流马达都有可逆性的，也就是讲在某种条件下它们能充当发电机，直流马达其实在结构上和直流发电机没有什么区别，永磁式直流马达的转轴转动，就能在接线端上产生出一定的电压，同理，动圈式喇叭的振膜运动时就会在接线端上产生电压，电压的大小与运动的速度和幅度有关。
由于非线性化和损耗的关系，扬声器不能对放大器输出的全部电能加以利用，因此会有剩余电能产生，当放大器输出的电能无法全部转变为机械能量时，多余的电能必定会在扬声器音圈中产生出额外的反电动势（Back emf），这个反电动势会由喇叭线反馈到放大器的输出端，然后根据放大器内阻的大小形成一个电压，这个电压会被负反馈线路反馈到输入端，和输入信号打成一片，使中低频声音混浊，此时的分析力和层次感会大大减弱。这时产生的问题称为界面互调失真，另外由于振膜的机械惯性原因，在音圈中也会产生多余电能，这会使扬声器的低频控制力变差。
界面互调失真和喇叭内阻和负反馈线路有关。
降低负反馈量和放大器内阻（即提高阻尼系数），能减少界面互调失真的影响，同时Bi-Wird双线接驳也是另一种改善方法，因为高低音分开传输能使低频的反电动势不能对高频信号产生影响，从而有效改善地音质，这也是为什么我们在双线接驳的系统上听到的音质更清晰一些的缘故。
　　F、阻尼系数（Damping Factor）
　　阻尼系数是功放额定输出阻抗，它是取扬声器输入阻抗和放大器输出内阻之间的比例，并表示对某一个过程中进行变化的物理量加以抑制的状态。在扬声器中，要抑制振膜在没有信号输入的情况下所作的惯性振动。扬声器的振膜是不能用机械阻尼方式来制动的，它只能使用电磁方式的阻尼，而这种方式要求系统必须尽量处于发电机状态。
　　前面曾说到扬声器会很容易进入发电机状态，当输入信号消失后的一瞬间，扬声器振膜在惯性作用下还在振动。此时会在音圈中产生出一个感应电压，这时如果放大器输出内阻不大时，就相当于在扬声器端子上并接一个小电阻，音圈上的感应电压就会产生一个较大值的电流流经放大器的内部线路，就是说扬声器这时已成为电源，而放大器的功率输出级线路却变成负载。根据电磁感应定律，这个电流是音圈在永久磁铁的磁场中振动所产生的，所以这个音圈电流肯定会产生一个和振动方向相反的力去抵消振动。放大器的内阻越小，电流就越大，抵消惯性振动的作用也就越强。扬声器在重播低频时的振幅最大，所造成的惯性振动也最严重，如果此时不加以抑制会使低频控制力变差，缺乏力度、弹性和层次感，但过份抑制则会使声音变得干瘦。
　　胆机因为有输出变压器的线圈电阻存在，阻尼系数不能做得很大，相反，晶体管机采用多管并联等方法可轻易将阻尼系数提高到100-500，不同的阻尼系数也就造成了不同的扬声器和放大器之间组合会有各种不同音色表现。
　　对采用了大环路负反馈的放大器来说，阻尼系数并不是唯一会对扬声器进行制动的方法，因为扬声器的惯性振动电流流经放大器时，将会产生某个数值的电压，负反馈线路会将之反馈到输入端，使放大线路认为出现了一个不该出现的失真电压，于是使产生一个反相信号加以抵制。这种制动称为“反接制动”（Plugging）。这种制动方法在理论上并没有问题，但实际应用时却有来自负反馈的麻烦。
因为扬声器由振膜振动产生的电压，并不会像麦克风那么准确，所以放大器产生的抵消电压也不可能做到完全和振动方向相反、大小相等。结果是使抑制过程出现不稳定，低频迅速减弱，这个过程其实和界面互调失真的过程非常相似。这就是一些晶体管放大器的低频控制力比不上胆机的原因。一般来说，阻尼过大时低频偏干瘦，而声音拖尾音过长时是阻尼偏小。
　　H、转换速率（Transient Response）
　　除了因放大器大环路负反馈的时间延迟诱发瞬态互调失真外，放大器转换速度慢也令瞬态互调失真升高。放大器的转换速度是指放大器对猝发信号或脉冲信号的跟随或响应能力，即瞬态响应能力。它是衡量放大器性能的一大指标。放大器的响应速度一般是用电压转换速率（Slew Rate）来衡量，其定义是在1微秒时间里电压升高的幅度，就是方波来测量时就是电压由波谷升到波峰所需时间，单位是V/μs，瞬态响应越高，数值愈大。优秀的放大器转换速率都在15V/μs以上。对于声音精要求不高的系统，我们可以单独选择瞬态响应或频率响应去判断器材的性能，但在要求高的系统中，两者都要考虑。
提高瞬态响应速度最简单的办法是采用高频特性佳的元件，并用适当的环路负反馈来改善。
　　I、信噪比（Signal Noise Ratio）
　　信噪比是信号噪声比的简称，它是指信号电平与噪声电平之比值，通常以分贝（dB）为单位，当信噪比为100dB时，输出电压是噪声电压的一万倍。除了信噪比外，放大器噪音大小也可以用噪声电平来表示，但这种方法是用电压来计算的信噪比数值，它的分母是一个固定的0.775V，而分子则是噪声电压，因此，它得出来的噪声电平是绝对值，而信噪比是相对值。
　　不少产品说明书中的信噪比数据后面，常会标注有A计权，其意思是指将某一数值按一定方式修改过，由于人耳对中频特别敏感，当一台放大器的中频段信噪比较高时，那么就算低频和高频段的信噪比较低，人耳也不易察觉。以信噪比计权方式测量时，其数值多是以中频段比为参考，此值肯定比不采用计权方式测量值高几个分贝。
　　放大器如果信噪比指标较高，那重放的音乐背景则较宁静，由于噪声电平低，原来很多被噪声掩盖着的弱音细节会显现出来，使空气感加强，动态范围增大。一般来讲，放大器的信噪比要有85dB以上才有较佳的听感，如低于此值时有可能在音乐间隙中听到的噪音。由于信噪比和功率或电压成对数关系，要提高信噪比则要提高信号电平和噪声电平的比值，但这并不是一件轻而易举的事。
　　结束语
　　当前的放大器技术已很难在线路设计和材料运用方面有突破性进展，每前进一步都不容易，那些高质素的器材也只能是靠近乎苛刻的认真、以大量的琐碎技术精益求精，一点一滴去改善，这也使得成本和成果愈来愈不成比例，其实有很多Hi-End器材，之所以得以面世，它们所投入的研究成本往往是惊人的，因此，市场上所谓“高性价比”只是相对，没有大量的投入，不论是技术或是产品都是以难以推陈出新的，尽管有时候成果可能只是某项指标的小进步，但如果不愿钻研和付出，那永远不会有进步和收获。