简述放大器的历史和技术指标

1、简述放大器的历史和技术指标 自从爱迪生在1877年发明留声机至今已有120多年了，由当年机械式录音/重播系统发展到现在的高科技数码系统，其中的进步可谓翻天覆地。不过在这120多年中的音响技术发展却是很不平均的，在发明留声机后的大约60至80年中，音响技术的发展是相当缓慢的不过也取得了一定的成果，例如录放音以电动方式取代了机械方式，开始采用多极真空管等等。    使音响技术得以快速发展是在1927年，美国贝尔实验室公布了划时代的负反馈（负回输，NFB）技术，声频放大器从此开始步入了一个新纪元。所谓高保真（High Fidelity）放大器，其鼻祖应该是追溯至1947年发表的威

2、廉逊放大器，当时Willianson先生在一篇设计Hi Fi放大器的文章中介绍了一种成功运用负回输技术，使失真降至0.5%的胆机线路，音色之靓在当时堪称前无古人，迅即风靡全世界，成为了Hi Fi史上一个重要的里程碑。在威廉逊放大器面世后4年，即1951年，美国Audio杂志又发表了一篇“超线性放大器”的文章。第二年6月，又发表了一篇将威廉逊放大器超线性放大器相结合的线路设计。由於超线性设计将非线性失真大幅度降低，许多人硌起仿效，再次形成了一个热潮。超线性设计的影响时至今日21世纪仍然存在，可以说威廉逊放大器和超线性放大器标志著负回输技术在音响技术中的成熟。从那时候开始，放大器的设计和种类可谓百

3、花争艳。技术的进步是前70年所望鹿莫及的。    放大器的的规格是衡量其性能的一个重要指标，当然另一个重要指标是以耳朵收货。常听发烧友说音响器材的规格没多大意义，许多测试数据优良的放大器其声音却惨不忍听。这话只说对了一半，首先这优良的数据一般是在产品开发阶段测试原型机时得出的。在大量生产阶段一般来说其性能都会打一定的折扣，视乎器材的档次而定。其次的就是目前的科技虽然使放大器性能获得很大改善，但要对2020KHz的声频信号作出人耳无法察觉失真的放大，是一件极不容易的事，况且一般放大器的所谓性能规格只是给出寥寥几项数据，其中大多数只是在某些特定条件下测量的。根本不足以反映放大器

4、的基本性能。    用以评定放大器的技术规格的方法分为动态和静态两种，静态规格是指以稳态下弦波进行测量所得的指标。这实际上是属於古典自动控制理论（Classical Control Theory）中的频率分析法。在二十世纪二三十的代便已开始使用。测试项目包括有频率响应，谐波失真，信噪比，互调失真及阻尼系数等。动态规格是指用较复杂的信号例如方波，窄脉冲等所测量得的指标，包括有相位失真，瞬态响应及瞬态互调失真等。动态测试实际上也类似工业自动控制系统中常见的瞬态响应测试，只不过工业测试常用的是阶跃信号（Step Signal）而音响测试则用缩短了的阶跃信号方波。要大体上反映出放大

5、器的品质，必须综合考虑动态测试和数据。至於人耳试听方面由於含有较多主观因素，在此不打算详加讨论。由於大部份厂商对其产品一般都只是给出少数参数应付了事，故此笔者希望藉此机会对一些较重要的音响器材规格作一番介绍，方便新进发烧友及一些非工程技术人仕对音响技术有更深入的领会。频率响应    在众多技术指标中，频率响应是最为人们所熟悉的一种规格。一部分放大器而言。理论上只需要做到20至2万周频率响应平直就已足够，但是真正的乐音中含有的泛音（谐波）是有可能超越这个范围的，加上为了改善瞬态反应的表现，所以对放大器要求有更高的频应范围，例如从10 Hz100 kHz等。习惯上对频率响应范围

6、的规定是：当输出电平在某个低频点下降了3分贝，则该点为下限步率，同样在某个高频点处下降了3分贝，则定为上限频率。这个数分贝点有另外一个名称，叫做半功率点（Half Power Point）。因为当功率下降了一半时，电平恰好下降了解情况分贝。有一点必须指出的是半功率点对某些电子设备及自动控制系统虽有一定的意义，但对音响器材就未必合适，因为人耳对声音的解析度可达到0.1分贝。所以有一些高级器材标称20至20K达到正负0.1分贝，这实际上经起标称10至50K+3DB规格有可能更高。顺带一提的是，频应曲线图实际上是有两幅的，在控制工程中“波特图”（Bode Plot）。其中的幅频曲线图就是我们常见的频

7、率响应图，另一幅叫做相频曲线图，是用来表示不同频率在经过了放大器后所产生的相位失真（相位畸变）程度的。相位失真是指讯号由放大器输入端至输出端所产生的时间差（相位差）。这个时间差自然是越小越好，否则会影响负回输线路的工作。除此之外相位失真也和瞬态响应有关，尢其是和近年来日益受到重视的瞬态到调失真有著密的关系。对於Hi Fi放大器而言，相位失真起码要在2020KHz+-5%范围之内。谐波失真    任何一个自然物理系统在受到外界的扰动后大都会出现一个呈衰减的周期性振动。举例来说，一根半米长两端因定的弦线在中间受到弹拨的话，会产生一个1米波长的振动波，称为基波（Fundement

8、al），弦线除了沿中心点作大幅度摆动外，线的本身也人作出许多肉眼很难察觉的细小振动，其频率一般都是比基波高，而且不止一个频率。其大小种类由弦线的物理特性决定。在物理学上这些振动波被称为谐波（Harmonics）。为了方便区别，由乐器所产生的谐和波常被为泛音（Overtone）。谐波除了由讯号源产生外，在振动波传播的时候如果遇上障碍物而产生反射，绕射和折射时同样是会产生谐波的。    无论是基波或谐波本身都是“纯正”的正弦波（注：正弦波是周期性函数，由正半周和负半周组成，但决不能将其负半周称为负弦波！）但它们合成在一起时却会产生出许多厅形怪状的波形。图三：便是一个基波加一个二

9、次谐波（频率高一倍，幅度小一半）所合成的一个波形。大家所熟悉的方波就是由一个正弦波基波加上大量的奇次（单数）谐波所组成，这也解释了为什么方波常常被用作测试讯号的原因。    放大器的线路充满著各种各样电子零件，接线和焊点，这些东西可多或少都会降低放大器的线性表现，当音乐讯号通过放大器时，非线性特性会使音乐讯号产生一定程度的扭曲变形，根据前述理论这相当於在讯号中加入了一些谐波，所以这种讯号变形的失真被为谐波失真。这就不难明白为什么谐波失真常用百分比来表示。百分比小即表示放大器所产生的谐波少，也就是说讯号波形被扭曲的程度低。由不同的物理系统所产生的谐波其成份也不相同。但都有一个

10、共通点，那就是谐波的频率越高，其幅度越小。所以对音频放大器而言，使声音出现明显可闻失真的是频率最接近基波的二至三个谐波失真分量。厂商在标定产品的谐波失真时，通常只给出一项数据，例如0.1%等。可是由放大器所产生的谐波却并不是一项常数，而是一项与信号频率和输出功率有关的函数。图四表示出两台典型晶体管双声道放大器的谐波失真与讯号频率的关系曲线。图五则是一部输出为100W的晶体管放大器谐波失真与输出功率的关系曲线。由图中可见，当输出功率接近最大值时，谐波失真急剧增加。因为晶体管在接近过载（Overload）的情况下会发生削波现象。将一个讯号的顶部齐平削去一块明显地是一种严重的波形畸变。谐波失真自然会

11、大幅度增加。    谐波失真并非完全一无是处，胆机的声音之所以柔美动听，原因之一是胆机主要产生偶次谐波失真。即频率是基波频率2468倍的谐波。因为谐波电平和频率成反比，所以2次谐波幅度大，影响也大，其余的由於幅度小，所以影响也大，其余的由於幅度小，所以影响轻微，虽然二次谐波技术上讲是失真，但由於其频率是基波的一倍，刚好是一个倍频程，也就是说右以和基波组成音乐上的纯八度。我们知道纯八度是最和谐，动听的和声。所以胆机声音甜美，音乐感丰富也就不难理解。在40年代时，有许多较“小型”的收音机故意加入相当程度的二次谐波失真。目的是制造“重低音”去取悦消费者。声音会很过瘾，但是和高保真

12、的要求却是完全背道而驰。讯号噪声比（Signal Noise Ratio）    简称讯噪比或信噪比，是指有用讯号功率与无用的噪声功率之比。通常贝计量，因为功率是电流和电压的函数，所以讯噪比也可以用电压值来计算，即讯号电平与噪声电平之比值，只是计算公式稍有不同。以功北率计算讯噪比：S/N=10 log 以电压计算讯噪比：S/N=10 log 由于讯噪比和功率或者是电压成对数关系，要提高讯噪比的话便要大幅度地提高输出值和噪声值之比，举例来说，当讯噪比为100dB时，输出电压是噪声电压的一万倍，以电子线路来说，这并不是一件容易的事。    一台放大器如有高的

13、讯噪比意味着背景宁静，由于噪声电平低，很多被噪声掩盖着的弱音细节会显现出来，使浮音增加，空气感加强，动态范围增大。衡量放大器的讯噪比是好或者是坏没有严格的判别数据，一般来说以大约85dB以上为佳，低于此值则有可能在某些大音量聆听情况下，在音乐间隙中听到明显的噪音。除了讯噪比外，衡量放大器噪音大小也可以用噪声电平这个概念，这实际上也是一个用电压来计算的讯噪比数值，只不过分母是一个固定的数：0.775V，而分子则是噪声电压，所以噪声电平和讯噪比的分别是：前者一个绝对值，后者则一个相对数。    在许多产品说明书中的规格表数据后面，常常会有一个A字，意思是A-weight,即A计

14、权，计权的意思是指将某个数值按一定规则权衡轻重地修改过，由于人耳对中频特别敏感，所以如果一台放大器的中频段讯噪比足够大的话，那么即使讯噪声比在低频和高频段稍低，人耳也不易察觉。可见如果采用了计权方式测量讯噪比的话，其数值一定会比不采用计权方式为高。以A计权来说，其数值会较不计权高约会分贝。互调失真    顾名思义，互调失真（Intermodulation Distortion）是指由於讯号互相调制所引起的失真，调制一词本来是指一种在通讯技术中，用以提高讯号传送效率的技术。由於含有声音、图像，文字等的原始讯号“加进”高频讯号里面，然后同志将这个合成讯号发送出去。这种将高低频相

15、“加”的过程和方式称为调制技术，所合成的讯号称为调制讯号。调制讯号除保留高频讯号的主要特征外，还包含有低频讯号的所有信息。产生互调失真的过程实质上也是一种调制过程，由於一个电子线路或一台放大器不可能做到完全理想的线性度，当不同频率的讯号同时进入放大器被放大时，在非线性作用下，每个不同频率的讯号就会自动相加和相减，产生出两个在原讯号中没有的额外讯号，原讯号如有三个不同频率，额外讯号便会有6个，当原讯号为N个时，输出讯号便会有N（N-1）个。可以想像的是，当输入讯号是复杂的多频率讯号，例如管弦乐时，由互调失真所产生的额外讯号数量是多么的惊人！    由於互调失真讯号全部都是音乐

16、频率的和兴差讯号，和自然声音完全同，所以人耳对此是相敏感的，不幸的是，在许多放大器中，互调失真往往大於谐波失真，部份原因是因为谐波失真一般比较容易对付。虽然互调失真和谐波失真同样是由放大器的非线性引起，两者在数学观点上看同样是在正浞导号中加入一些额外的频率成份，但它们实际上是不尽相同的，简单的说，谐波失真是对原讯号波形的扭曲，即使是单一频率讯号通过放大线路也会产生这种现象，而互调失真却是不同频率之间的互相干扰和影响，测量互调失真远比测量谐波失真复杂，而且至今尚未有统一的标准。瞬态互调失真    瞬态互调失真（Transient Intermodulation Distort

17、ion），得称TIM失真。是什么时候被发现的笔者搞不清楚，但是TIM测量方法则迟至70年代才公开发表。由於瞬态互调失真与负回输密切相关，所以在讨论瞬态互调失真时就需要先从负回输说起。负回输（Negative Feedback）是一种广泛应用於各类工程技术领域，简音而实用的控制技术，负回输本来是属於控制技术中的闭环控制（Close Loop Control）系统的一个环节，但因为应用广泛，所以常常被用作闭环控制的代名词。负回输实际上是一种普遍存在於人们日常生活中的自然规律，举例来说，当我们驾驶汽车的时候，如果发现汽车偏离得驶路线，我们就会向相反方向扭动方向盘，使汽车驶回正确路线。在这里我们的眼睛

18、就是充当负回输通道的作用，负责把输出值（汽车得驶方向）回馈给挖掘器（大脑） ，然后控制器将输出值和设定值（正确方向）互相比较（相减），然后根据比较后的误差，发出修正讯号（扭方向盘）去纠正由此可见，负回输的作用是将输出值倒相（变为负数），随后将之回馈至输入端，和设定值相减，得出误差讯号，然后控制器就会根据误差大小作出修正。    在电子放大线路中，由於零件的对称，温度的变化，噪音的干扰以及其他种种原因，使读号的被放大的同时，无可避免地被加入各种各样的失真，而负回输则能有效地降低这些失真。举一个简单的例子来说，如放大器在放大一个正弦波讯号时，加入了一个失真的方波讯号，这个正弦加

19、方波的讯号会被负回输线路反相，然后加馈至输入端，和原来的正弦波相减，使原来的讯号幅度变小之除还含有一个相反的方波，这个新的讯号在经过放大器时同样会被再次加入一个失真的方波讯号，由於讯号里面已有一个相反的方波，这样正反方波便会互相抵消，使输出讯号只含有正弦波，这就明显地降低了失真。不过负回输的缺点也是很明显的，因为负回输令输入讯号和回馈的输出讯号相减，降低了讯号电平，如果要使输出讯号相沽，降低了讯号电平，如果要使输出讯号被放大到足够的强度，放大器的放大率（增益）便要加大，所幸的是这并非难事，尢其是晶体管机。如果我们将负回输量加大，使输出讯号降低到和输入讯号电平相同的程度，即完全没有放大，这种放大

20、器线路有一个特殊的名称，叫缓冲放大器（Buffer Amplifier）。虽然讯号没有被放大，但因为放大器一般都是输入阻抗高，输出阻抗低。所以缓冲放大器常被用作阻抗匹配之用。    既然负回输能有效地降低失真，但为会么又会引起瞬态互调失真呢？原来问题出在时间上，其中又以晶体管机最为严重。和真空管相比，晶体管有坚因耐用，体积小，重量轻放大率高等优点，其缺点是工作特性不稳定，易受温度等因素影响而产生失真甚至失控。解决办法之一是采用高达50至60dB左右的深度负回输。反正晶体管的放大率很高，牺牲一些无所谓，由於采用了大深度的负回输，大幅度减少了失真，所以晶体管机很容易获得高超的技

21、术规格。不过麻烦也就因此而起，为了减少由深度负回佃所引起的高频寄生振荡，晶体管放大器一般要在前置推动级晶体管的基极和集电极之间加入一个小电容，使高频段的相位稍为滞后，称为滞后价或称分补价，可是无论电容如何细小，总需要一定时间来充电，当输入讯号含有速度很高的瞬态脉冲时，小电容来不及充电，也就是说在这一刹那线路是处於没有负回输状态。由於输入讯号没有和负回输讯号相减，造成讯号过强，这些过强讯号会讼放大线路瞬时过载（Overload）。因为晶体管机负回输量大，讯号过强程度更高，常常达到数十倍甚至数百倍，结果使输出讯号削波（Clipping）。这就是瞬态互调失真，因为在晶体管线路最多出现，所以也被称为“

22、原子粒”声。    顺带一提的是，这种负回输时间延迟问题在工业控制系统中也常常遇到，称为纯延迟（Dead Time）问题，其起因绝大部份是因为感应器（Sensor）安装位置太远。例如在一个恒温热水器中，瘟度探测被安装在远离发热顺的位置，结果是当探测器感应到水温足够时，在发热器附近的水温早就已经过热了。这样的控制结果必然是水温在过热和过冷之间大幅摆动，称为控制超调（Overshoot）或系统振荡。纯延迟至今仍然是困扰自动控制技术的一大难题，有关解决方法的论文由五十年代至今少说也有上千篇，但始终找不到一个简单而行之有效的办法。    虽然负回输出现时间延迟不

23、好对付，但要解决也不是没有办法，我们可以干脆让它出现，或即使其出现也不至於造成太大的破坏，方法有多种，例如只用小量大环路负回输，这样即命名出现负回输时间延迟，输入讯号也不至於过强。所减少的负回输量则由只跨越1个放大级的局部负回输代替，局部负回输路径短，时间快，不易诱发瞬态互调失真。真空管工作稳定，不一定要用大深度负回输抑制失真，况且其失真多数是人耳爱听的偶次谐波失真所以胆机没有一般所谓的“原子粒”声。至於其他用於线路设计上防范瞬态互调失真的方法，因涉及较多枯燥的理论，这里就不一一介绍了。    除了在线路设计上防范瞬态互调失真外，发烧友还可以采取另一项措施去减少瞬态互调失真

24、，那就是尽量利用各种屏蔽和滤波措施去减少各种高频干扰讯号进入放大器，虽然这些讯号有许多是属於人耳听不见的射频干扰，但因为其频率很高，极易诱发瞬态互调失真，令输入级过载，使音乐讯号得不到正常的放大。转换速率    瞬态互调失真除了由放大器大环路负回输的时间延迟引发外，放大器速度不够快也是一个重要的原因，如果放大器的速度够快的话即使在同样负回输条件下，瞬态互调失真度也可以降低。放大器的速度是一个通俗的形容，正确的说法应该是指放大器的瞬态响应能力（Transient Response）。在控制理论中，瞬态响应和频率响应是衡量系统性能的两大方法。它们的优点是不需经详细了解整个系统的

25、详细数学模型，只需要根据系统对特定输入讯号的响应曲线介可估算出系统对特定输入讯号的响应曲线便可估算出系统的特性，从而作出补偿或改善。但相反来说，如果我们知道某个系统的数学模型，也可以不经测试就估算出该系统的响应模式。    对于精确度要求不高的系统，我们可以选择性地采取瞬态响应法或频率响应法去评估系统性能，而对于要求高的系统，两者都必须加以考虑。作瞬态应测试时常用的讯号是单位阶跃函数（Step Signal）和单位脉冲函数（Impulse）。为方便起见，放大器测试多用前者的特殊形式：方波/。一个较为理想的方波含有一个速度极高的电压上升沿和降沿，用来测试放大器的瞬态响是非常合

26、适的。衡量放大器的响应速度一般是用电压转换速率（Slew Rate，台湾称“回转率”）。其定义是在1微秒时间里电压升高幅度，如果以方波测量的话则是电压由波谷升至波峰所需时间，单位是V/u s，数值愈大表示瞬态响应度越了，高性能放大器的转换速率一般都可以做到25V/u s以上。    提高瞬态响应度最简单接的办法是选用高频特性好的零件。也可以用适当的环路负回输来改善，这似乎是一个自相矛盾的做法，但事实不然，瞬态互调失真只是当讯号速度超过放大器的瞬态响应能力范围之外才会发生。除了瞬态互调失真外，过快的讯号也会产生另一种失真现象，叫做铃振（Ringing），两者的本质相同。当输入

27、讯号速度快而幅度小时，首先出现的是铃振现象，只有当这个讯号的速度快至某个程度时才会出现瞬态互调失真，然而当讯号速度快兼幅度大时，铃振没有发生便已进入瞬态互调失真状态。最容易引发铃振现象的讯号就是各种各样的速度快但幅度小的高频干扰噪音，这就是为什么音响设备要有完善的抗干扰措施的原因之一。界面互调失真（Interface Intermodulation Distortion）    界面互调失真算是一个较新 和较少人提及的放大器规格。和下面将要提及的阻尼系数一样，除了和放大器线路有关外，和扬声器也有很大关系。所以在介绍这两项规格前，先简单地说一说扬声器有关这方面的特性。目前的音

28、响扬器绝大部分都是采用电动式原理的动圈式喇叭，其结构包括一个用作产生磁场的永久磁铁及一人音圈。从构造上来说动圈式扬声器属於一种特殊形式的直流马达，因为音圈只需要来回运动而不是旋转，所以不需使用直流马达上常见的炭刷和换向器（俗称“铜头”）    无论是交流马达或是直流马达，都是具有可逆性的，即在某种条件下可当作发电机来使用。直流马达在结构上和直流发电机没有差别，尤其是永久磁钱式直流马达，只要能够使它的转轴转动，就可在其接线端上产生出一定的电压。对动圈式扬声器来说，只要我们用手按压振膜，就一定会在接线端上产生电压，大小则视乎按压的速度和幅度而定。    由于

29、损耗和非线性化的影响，扬声器不可能对由放大器输出的全部电能加以利用而会有剩余电能产生，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。由前者所产生的问题稳为界面互调失真，而后者则会使扬声器的低频控制力变差。界面互调失真和扬声器内阻及负回输线路有关。当放大器输出的电能无法全部转变为机械能 量时，多余的电能就必定会在扬声器线圈中产生出额外的反电势（Back emf），这个反电势会由喇叭线回馈至放大器的输出端，然后依放大器内阻的大小形成一个电压，这个电压会被负回输线路反馈至输入端，和输入讯号打成一片。使中低频声音混浊，分析力和层次感大减。    要降低界面互调失真，关键之处

30、是要降低负回输量和放大器内阻（即提高阻尼系数）。有许多Hi-End晶体管放大器正是采用这种原则进行设计的。除此以外，双线接驳也是另类改善途径，因为分开的高低音线路使低频端的反电势不会对高频讯号产生影响，从而改善音质。阻尼系数（Damping Factor）    阻尼系数的扬声器阻抗和放大器输出阻讥之间的比例。顾名思义，阻系数是表示对某一个过程中进行变化的物理量加以抑制的程度。以扬声器来说，要抑制的是扬声器振膜在没有电讯号输入的情况下所作的惯性振动，简单地说这是一个制动动作。扬声器的振膜是不能用机械阻尼方式来制动的，所能使用的只是电磁方式的阻尼。而这种方式要求系统必须尽量处於发电机状态。    前面的讨论曾提及扬声器会很容易进入发电机状态，当输入电读号消失后的一瞬间，扬声器振膜在惯性作用不还在振动。这种振动会在音圈中产生出一个感应电压，这时如果放大器输出阻讥低的话，就相当於在扬声器端子上并接一个很小的电阻，音圈上的感应电压就会驱使一个较大数值的电流流经放大器的内阻邮局就是说扬声器此刻变成电源，而放大器的功率输出级线路却变成负