音响放大器的作用及选购指南(下)

上篇介绍前置放大器的功能是将不同的信号强度的电压,放大成足够强度的电压用来驱动后级(功率)放大器,而后置(功率)放大器的功能则是将前置所放大信号,再以电压放大及电流放大,而使放大器有足够的功率去推动音响。至于综合放大器就是把前置和后级做在同一个机器里面,主要的好处主要是节省器材的空间跟免去前后级搭配的麻烦。后级放大器通常体型比较庞大,这是因为内部包含了大量的功率放大晶体、晶体散热片、以及相应的电源供应模组等等,是整套系统中最耗电的音响设备。从音响声音表现的角度来说,后级放大器会直接影响音响声音的力道、高低频延伸、声音动态表现等方便,举例来说,如果你觉得你的音响声音不够「有力」、不够「有气势」,那么通常就是后级放大器的推力不够,不足以驱动你的音响所造成的。放大器推力一般用「瓦(W)」来标示,从数字上来说,瓦数越高的放大器拥有越高的驱动力,能让音响有较好的表现,不过还有很多其他影响声音的因素,推力只是其中一个参考值!

音响放大器的作用及选购指南(下)

后置放大器的种类

后置扩大器依照电路设计的不同大致上分成两类:(1)设计用于放大模拟信号的功率放大器属于A、B、AB或C类(2)设计用于放大脉宽调制(PWM)数字信号的功率放大器位于D、E、F等之下。目前市面上最常用的有A、B、AB、C或D,其他的种类主要是在原本的线路架构上做微小的更动,DZ主要会介绍A、B、AB、C跟D类后级放大器,E、F、G跟D类的原理差不多,都用于放大PWM调制的数字信号,它们属于开关功率放大器的类别,这边就不多做介绍。

A类后置放大器

A类后置放大器原理图

A类后置放大器原理图

如图在类比波形输入信号的整个波形(包括正、负半周),处于导通状态,在放大器的输出端,始终都有电流连续流动,亦即导通角(conduction angle最大为360°)为360°,所以整个完整的输入波形都会被放大,即使没有输入信号,晶体管(蓝色部分)也一直处于使用(导通)状态,这会产生大量热量,让放大器的输出效率很低,几乎不会超过到50 %,音量越小,耗电越多。

但对于声音而言,由于输入波形导通角为360°放大,信号失真水平非常小,可以提供更好的高频性能,是一种性能很好的放大电路。

B类后置放大器

类后置放大器原理图

类后置放大器原理图

B类主要为了降低A类放大器中存在的效率和发热问题。此类放大器不是使用单个晶体管来放大整个波形,而是使用两个互补晶体管。一个晶体管放大波形的正一半,另一个晶体管放大波形的负一半。最后再输出组合两个晶体各自传导波形的一半(180°),并放大整个信号。因此理论效率可以达到约75%。但因为输出波形是两个半波重叠,所以重叠的地方会存在很小的失真,对不是很重视音质的机器倒是很符合经济效益,如床头音响、多媒体音响、FM收音机等。

AB类后置放大器

AB类后置放大器原理图

AB类后置放大器原理图

AB类放大器是A类和B类放大器的组合,此类放大器目的在于减少A类放大器效率较低的问题以及B类放大器波形交叉区域的信号失真。

主要是信号输入之后,二极管和电阻器的组合(红框部分)用于提供很小的偏置电压,从而减小了交叉区域附近的波形失真,换个较白话的说法来说,此种放大器的工作模式,在输入信号在低电压时,放大器是以A类工作模式放大,当输入信号电压提高时,则转为B类工作模式,但效率略有下降(60%)。

AB类放大器一般的音量欣赏音乐时还是可以听到《低音厚实、中音柔顺温暖、高音清晰利落、层次感好》的美声,而且它几乎没有A类放大的缺点,包括耗电、温度高等缺点,所以是相对广泛应用的晶体机。

C类后置放大器

C类后置放大器原理图

C类后置放大器原理图

C类功率放大器的设计可实现更高的效率,但会降低传导角(低于90°)。换句话说,为了提高效率而牺牲了放大质量。较小的导通角意味着更大的失真,因此此类放大器不适用于一般的音响音频放大。对于高频振荡器和射频信号的放大的应用上反而能完美的达成任务。C类放大器通常包含一个Tuned load的谐调负载装置,对特定频率的输入信号进行滤波和放大,而其他频率的波形则被抑制,可达到高达90%的效率值。

D类后置放大器

D类后置放大器原理图

D类后置放大器原理图

D类放大器也称作脉宽调变(Pulse Width Modulation, PWM )放大器,利用PWM技术可以设计达到90%效率的放大器,PWM放大器的理论,早在1960年就在音响文献中提出,但一直未受到重视,直到1977年日本SONY公司推出第一部PWM放大器,使用独特的开关式电源(switching power supply),使得重量和体积在同功率放大器在1/3以下,效率更在80%以上。

D类放大会将原始的类比信号波形,与比它更高频率的三角波进行电压比较(透过电压比较器),如此便可将以振幅高低性表示的信号调变成以脉波宽窄性表示的信号,此即是脉宽调变(Pulse Width Modulation;PWM),之后将PWM信号输出到MOSFET场效电晶体上的闸极,以控制电晶体的导通、关闭,同时也在这个阶段进行信号功率放大,最后MOSFET的输出端连接LC(电感、电容)低通滤波电路,将PWM的载波滤除,使原始信号波形重新呈现。

D类放大的原理,与ABC三类不同的,D类不是利用功率电晶体的线性工作区间特性来放大,不是用类比原理来放大,而是用电压比较、脉宽调变等技术来放大,也因此有人称D类放大为数位式功率放大或数位功放。了解原理后,再进一步去了解D类方式所呈现的优缺点,缺点是以调变程序所形成的放大必然与原始信号有些出入,但在一般消费性的音乐播放上依然可被接受,相对的D类放大提供了更多的益处,主要是极高的电能利用率,纯理论上是100%运用,实务上也经常在80%、90%的层级,比AB类更佳,也因此可再降低散热片的倚赖性,甚至在低功率时可完全将散热片舍弃。此外连同其相关组件所需占用的电路面积、体积,以及电路简易性等,亦都是D类较优异。今日行动式、手持式装置所现在绝大多数的手机、数位随身听、随身音响等,大都采行D类放大器。而干扰是D类放大器特有的问题,ABC与AB类放大器没有此种问题,因为D类放大器会持续频繁地进行电晶体的导通、关闭操作,所以容易产生电磁干扰的问题,有时甚至要用上金属外壳来屏蔽!

放大器的选购指标

放大器的输入阻抗是越高越好,而输出阻抗是越低越好

网友放大器如果不是买综合放大器的话,要注意前后级的搭配,第一个是阻抗的匹配问题,原则大概是后级的输入阻抗是前置输出阻抗的10倍以上,也就是说放大器的输入阻抗是越高越好,而输出阻抗是越低越好,如果后级是100K欧姆,前置是10K欧姆以下,则没问题,如前置是10K欧姆而后级是50K欧姆,以此搭配的结果会有高音衰减问题,但现在设计的前置都采低阻抗输出设计,而后级的输入阻抗都是在几十K欧姆以上,所以不太需要担心匹配上的问题。

为什么放大器的输入阻抗高比较好?回想一下欧姆定律V=IR,假设信源输出一个固定电压,送往下一级前置放大器,如果这一级的输入阻抗高,是不是由信源所提供的信号电流就可以降低?如果输入阻抗非常非常的高,则几乎不会消耗信号电流(当然还是会有)就可以驱动这一级电路工作,换句话说就是几乎只要有信号电压,电路就可以正常工作;但是对于低输入阻抗的电路呢?就正好相反了,它必须要求信号能源能提供较为大量的信号电流,因为在同一个电压下,低输入阻抗会流进较大的信号电流,如果信源提供的电流强度不足以满足下一级电路的需求,它就不能完美地驱动下一级电路。而低输出阻抗的好处是有较大的电流输出能力,容易搭配一些低输入阻抗的后级。音响放大器后级的输入阻抗则大部份是47K,高一个的有100K,20K,10K的也都有。

谐波失真THD

总谐波失真 (total harmonic distortion, THD)是指由于非线性因素,导致一些不该有的信号叠加到输入信号中去,通常跟信源无关,是后面功放机器内部电路干扰造成,通常由于电路不可避免的振荡或其他谐振产生的二次,三次谐波与实际输入信号叠加,在输出端输出的信号就不单纯是与输入信号完全相同的成分,而是包括了谐波成分的信号,这些多余出来的谐波成分与实际输入信号的对比,用百分比来表示就称为总谐波失真。较低的总谐波失真使得音响产生更加精确、较少谐波、与原始采样信号接近的输出信号,在真空管的机器上,THD通常对多,但是这却让声音产生温暖和谐的感觉,不过一般的电晶体装置,不会让声音变好听,总谐波失真在1%以下,一般耳朵分辨不出来,超过10%就可以明显听出失真的成分,THD值还是要越低越好,通常高品质的装置都会低于0.002%。

信噪比

在上篇部分有提过前置的信噪比(SNR)也是很重要的一个购买指标,信噪比越高代表背景噪音越低,声音更加干净宁静。盒式磁带录音机的信噪比指标约为-20~40dB,采用杜比降噪技术后最大可达到-67dB,LP唱片约为-30~50dB,开盘式磁带录音机约为-50~60dB,一般的CD唱机则可以达到-90~110dB,而较新的DVD-A和SACD可以达到-120dB以上,购买时候可以参考一下。

放大器的学问真的博大精深,随着时代的演进,今日放大器的功能跟以前比大相径庭,但追求声音的目的却是一样的,不同种类的放大器各有各的特点,声音失真最小的高档放大器的声音就一定好听吗? 这个问题一直以来都是音响烧友心中的疑问,值得我们一起思考一下。


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