功放參數指標(上)

　　使音響技術(shù)得以快速發(fā)展是在927年，美國貝爾實(shí)驗室公布了劃時(shí)代的負反饋（負回輸，NFB）技術(shù)，聲頻放大器從此開(kāi)始步入了一個(gè)新紀元。所謂高保真（High Fidelity）放大器，其鼻祖應該是追溯至1947年發(fā)表的威廉遜放大器，當時(shí)Willianson先生在一篇設計Hi Fi放大器的文章中介紹了一種成功運用負回輸技術(shù)，使失真降至0.5%的膽機線(xiàn)路，音色之靚在當時(shí)堪稱(chēng)前無(wú)古人，迅即風(fēng)靡全世界，成為了Hi Fi史上一個(gè)重要的里程碑。在威廉遜放大器面世后4年，即1951年，美國Audio雜志又發(fā)表了一篇“超線(xiàn)性放大器”的文章。第二年6月，又發(fā)表了一篇將威廉遜放大器超線(xiàn)性放大器相結合的線(xiàn)路設計。由於超線(xiàn)性設計將非線(xiàn)性失真大幅度降低，許多人硌起仿效，再次形成了一個(gè)熱潮。超線(xiàn)性設計的影響時(shí)至今日21世紀仍然存在，可以說(shuō)威廉遜放大器和超線(xiàn)性放大器標志著(zhù)負回輸技術(shù)在音響技術(shù)中的成熟。從那時(shí)候開(kāi)始，放大器的設計和種類(lèi)可謂百花爭艷。技術(shù)的進(jìn)步是前70年所望鹿莫及的。

　　放大器的的規格是衡量其性能的一個(gè)重要指標，當然另一個(gè)重要指標是以耳朵收貨。常聽(tīng)發(fā)燒友說(shuō)音響器材的規格沒(méi)多大意義，許多測試數據優(yōu)良的放大器其聲音卻慘不忍聽(tīng)。這話(huà)只說(shuō)對了一半，首先這優(yōu)良的數據一般是在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段測試原型機時(shí)得出的。在大量生產(chǎn)階段一般來(lái)說(shuō)其性能都會(huì )打一定的折扣，視乎器材的檔次而定。其次的就是目前的科技雖然使放大器性能獲得很大改善，但要對20~20KHz的聲頻信號作出人耳無(wú)法察覺(jué)失真的放大，是一件極不容易的事，況且一般放大器的所謂性能規格只是給出寥寥幾項數據，其中大多數只是在某些物定條件下測量的。根本不足以反映放大器的基本性能。

　　用以評定放大器的技術(shù)規格的方法分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種，靜態(tài)規格是指以穩態(tài)下弦波進(jìn)行測量所得的指標。這實(shí)際上是屬於古典自動(dòng)控制理論（Classical Control Theory）中的頻率分析法。在二十世紀二三十的代便已開(kāi)始使用。測試項目包括有頻率響應，諧波失真，信噪比，互調失真及阻尼系數等。動(dòng)態(tài)規格是指用較復雜的信號例如方波，窄脈沖等所測量得的指標，包括有相位失真，瞬態(tài)響應及瞬態(tài)互調失真等。動(dòng)態(tài)測試實(shí)際上也類(lèi)似工業(yè)自動(dòng)控制系統中常見(jiàn)的瞬態(tài)響應測試，只不過(guò)工業(yè)測試常用的是階躍信號（Step Signal）而音響測試則用縮短了的階躍信號——方波。要大體上反映出放大器的品質(zhì)，必須綜合考慮動(dòng)態(tài)測試和數據。至於人耳試聽(tīng)方面由於含有較多主觀(guān)因素，在此不打算詳加討論。由於大部份廠(chǎng)商對其產(chǎn)品一般都只是給出少數參數應付了事，故此筆者希望藉此機會(huì )對一些較重要的音響器材規格作一番介紹，方便新進(jìn)發(fā)燒友及一些非工程技術(shù)人仕對音響技術(shù)有更深入的領(lǐng)會(huì )。

　　頻率響應

　　在眾多技術(shù)指標中，頻率響應是最為人們所熟悉的一種規格。一部分放大器而言。理論上只需要做到20至2萬(wàn)周頻率響應平直就已足夠，但是真正的樂(lè )音中含有的泛音（諧波）是有可能超越這個(gè)范圍的，加上為了改善瞬態(tài)反應的表現，所以對放大器要求有更高的頻應范圍，例如從10 Hz~100 kHz等。習慣上對頻率響應范圍的規定是：當輸出電平在某個(gè)低頻點(diǎn)下降了3分貝，則該點(diǎn)為下限步率，同樣在某個(gè)高頻點(diǎn)處下降了3分貝，則定為上限頻率。這個(gè)數分貝點(diǎn)有另外一個(gè)名稱(chēng)，叫做半功率點(diǎn)（Half Power Point）。因為當功率下降了一半時(shí)，電平恰好下降了解情況分貝。有一點(diǎn)必須指出的是半功率點(diǎn)對某些電子設備及自動(dòng)控制系統雖有一定的意義，但對音響器材就未必合適，因為人耳對聲音的解析度可達到0.1分貝。所以有一些高級器材標稱(chēng)20至20K達到正負0.1分貝，這實(shí)際上經(jīng)起標稱(chēng)10至50K+3DB規格有可能更高。順帶一提的是，頻應曲線(xiàn)圖實(shí)際上是有兩幅的，在控制工程中“波特圖”（Bode Plot）。其中的幅頻曲線(xiàn)圖就是我們常見(jiàn)的頻率響應圖，另一幅叫做相頻曲線(xiàn)圖，是用來(lái)表示不同頻率在經(jīng)過(guò)了放大器后所產(chǎn)生的相位失真（相位畸變）程度的。相位失真是指訊號由放大器輸入端至輸出端所產(chǎn)生的時(shí)間差（相位差）。這個(gè)時(shí)間差自然是越小越好，否則會(huì )影響負回輸線(xiàn)路的工作。除此之外相位失真也和瞬態(tài)響應有關(guān)，尢其是和近年來(lái)日益受到重視的瞬態(tài)到調失真有著(zhù)密的關(guān)系。對於Hi Fi放大器而言，相位失真起碼要在20~20KHz+-5%范圍之內。

　　諧波失真

　　任何一個(gè)自然物理系統在受到外界的擾動(dòng)后大都會(huì )出現一個(gè)呈衰減的周期性振動(dòng)。舉例來(lái)說(shuō)，一根半米長(cháng)兩端因定的弦線(xiàn)在中間受到彈撥的話(huà)，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)1米波長(cháng)的振動(dòng)波，稱(chēng)為基波（Fundemental），弦線(xiàn)除了沿中心點(diǎn)作大幅度擺動(dòng)外，線(xiàn)的本身也人作出許多肉眼很難察覺(jué)的細小振動(dòng)，其頻率一般都是比基波高，而且不止一個(gè)頻率。其大小種類(lèi)由弦線(xiàn)的物理特性決定。在物理學(xué)上這些振動(dòng)波被稱(chēng)為諧波（Harmonics）。為了方便區別，由樂(lè )器所產(chǎn)生的諧和波常被為泛音（Overtone）。諧波除了由訊號源產(chǎn)生外，在振動(dòng)波傳播的時(shí)候如果遇上障礙物而產(chǎn)生反射，繞射和折射時(shí)同樣是會(huì )產(chǎn)生諧波的。

　　無(wú)論是基波或諧波本身都是“純正”的正弦波（注：正弦波是周期性函數，由正半周和負半周組成，但決不能將其負半周稱(chēng)為負弦波?。┑鼈兒铣稍谝黄饡r(shí)卻會(huì )產(chǎn)生出許多廳形怪狀的波形。圖三：便是一個(gè)基波加一個(gè)二次諧波（頻率高一倍，幅度小一半）所合成的一個(gè)波形。大家所熟悉的方波就是由一個(gè)正弦波基波加上大量的廳次（單數）諧波所組成，這也解釋了為什么方波常常被用作測試訊號的原因。

　　放大器的線(xiàn)路充滿(mǎn)著(zhù)各種各樣電子零件，接線(xiàn)和焊點(diǎn)，這些東西可多或少都會(huì )降低放大器的線(xiàn)性表現，當音樂(lè )訊號通過(guò)放大器時(shí)，非線(xiàn)性特性會(huì )使音樂(lè )訊號產(chǎn)生一定程度的扭曲變形，根據前述理論這相當於在訊號中加入了一些諧波，所以這種訊號變形的失真被為諧波失真。這就不難明白為什么諧波失真常用百分比來(lái)表示。百分比小即表示放大器所產(chǎn)生的諧波少，也就是說(shuō)訊號波形被扭曲的程度低。由不同的物理系統所產(chǎn)生的諧波其成份也不相同。但都有一個(gè)共通點(diǎn)，那就是諧波的頻率越高，其幅度越小。所以對音頻放大器而言，使聲音出現明顯可聞失真的是頻率最接近基波的二至三個(gè)諧波失真分量.

　　廠(chǎng)商在標定產(chǎn)品的諧波失真時(shí)，通常只給出一項數據，例如0.1%等?？墒怯煞糯笃魉a(chǎn)生的諧波卻并不是一項常數，而是一項與信號頻率和輸出功率有關(guān)的函數。圖四表示出兩臺典型晶體管雙聲道放大器的諧波失真與訊號頻率的關(guān)系曲線(xiàn)。圖五則是一部輸出為100W的晶體管放大器諧波失真與輸出功率的關(guān)系曲線(xiàn)。由圖中可見(jiàn)，當輸出功率接近最大值時(shí)，諧波失真急劇增加。因為晶體管在接近過(guò)載（Overload）的情況下會(huì )發(fā)生削波現象。將一個(gè)訊號的頂部齊平削去一塊明顯地是一種嚴重的波形畸變。諧波失真自然會(huì )大幅度增加。

　　諧波失真并非完全一無(wú)是處，膽機的聲音之所以柔美動(dòng)聽(tīng)，原因之一是膽機主要產(chǎn)生偶次諧波失真。即頻率是基波頻率2‘4’6‘8’…倍的諧波。因為諧波電平和頻率成反比，所以2次諧波幅度大，影響也大，其余的由於幅度小，所以影響也大，其余的由於幅度小，所以影響輕微，雖然二次諧波技術(shù)上講是失真，但由於其頻率是基波的一倍，剛好是一個(gè)倍頻程，也就是說(shuō)右以和基波組成音樂(lè )上的純八度。我們知道純八度是最和諧，動(dòng)聽(tīng)的和聲。所以膽機聲音甜美，音樂(lè )感豐富也就不難理解。在40年代時(shí)，有許多較“小型”的收音機故意加入相當程度的二次諧波失真。目的是制造“重低音”去取悅消費者。聲音右能會(huì )很過(guò)癮，但是和高保真的要求卻是完全背道而馳。

　　訊號噪聲比

　　訊號噪聲比（Signal Noise Ratio）簡(jiǎn)稱(chēng)訊噪比或信噪比，是指有用訊號功率與無(wú)用的噪聲功率之比。通常貝計量，因為功率是電流和電壓的函數，所以訊噪比也可以用電壓值來(lái)計算，即訊號電平與噪聲電平之比值，只是計算公式稍有不同。以功北率計算訊噪比：S/N=10 log 以電壓計算訊噪比：S/N=10 log 由于訊噪比和功率或者是電壓成對數關(guān)系，要提高訊噪比的話(huà)便要大幅度地提高輸出值和噪聲值之比，舉例來(lái)說(shuō)，當訊噪比為100dB時(shí)，輸出電壓是噪聲電壓的一萬(wàn)倍，以電子線(xiàn)路來(lái)說(shuō)，這并不是一件容易的事。

　　一臺放大器如有高的訊噪比意味著(zhù)背景寧靜，由于噪聲電平低，很多被噪聲掩蓋著(zhù)的弱音細節會(huì )顯現出來(lái)，使浮音增加，空氣感加強，動(dòng)態(tài)范圍增大。衡量放大器的訊噪比是好或者是壞沒(méi)有嚴格的判別數據，一般來(lái)說(shuō)以大約85dB以上為佳，低于此值則有可能在某些大音量聆聽(tīng)情況下，在音樂(lè )間隙中聽(tīng)到明顯的噪音。除了訊噪比外，衡量放大器噪音大小也可以用噪聲電平這個(gè)概念，這實(shí)際上也是一個(gè)用電壓來(lái)計算的訊噪比數值，只不過(guò)分母是一個(gè)固定的數：0.775V，而分子則是噪聲電壓，所以噪聲電平和訊噪比的分別是：前者一個(gè)絕對值，后者則一個(gè)相對數。

　　在許多產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中的規格表數據后面，常常會(huì )有一個(gè)A字，意思是A-weight,即A計權，計權的意思是指將某個(gè)數值按一定規則權衡輕重地修改過(guò)，由于人耳對中頻特別敏感，所以如果一臺放大器的中頻段訊噪比足夠大的話(huà)，那么即使訊噪聲比在低頻和高頻段稍低，人耳也不易察覺(jué)?？梢?jiàn)如果采用了計權方式測量訊噪比的話(huà)，其數值一定會(huì )比不采用計權方式為高。以A計權來(lái)說(shuō)，其數值會(huì )較不計權高約會(huì )分貝。

　　互調失真

　　顧名思義，互調失真（Intermodulation Distortion）是指由於訊號互相調制所引起的失真，調制一詞本來(lái)是指一種在通訊技術(shù)中，用以提高訊號傳送效率的技術(shù)。由於含有聲音、圖像，文字等的原始訊號“加進(jìn)”高頻訊號里面，然后同志將這個(gè)合成訊號發(fā)送出去。這種將高低頻相“加”的過(guò)程和方式稱(chēng)為調制技術(shù)，所合成的訊號稱(chēng)為調制訊號。調制訊號除保留高頻訊號的主要特征外，還包含有低頻訊號的所有信息。產(chǎn)生互調失真的過(guò)程實(shí)質(zhì)上也是一種調制過(guò)程，由於一個(gè)電子線(xiàn)路或一臺放大器不可能做到完全理想的線(xiàn)性度，當不同頻率的訊號同時(shí)進(jìn)入放大器被放大時(shí)，在非線(xiàn)性作用下，每個(gè)不同頻率的訊號就會(huì )自動(dòng)相加和相減，產(chǎn)生出兩個(gè)在原訊號中沒(méi)有的額外訊號，原訊號如有三個(gè)不同頻率，額外訊號便會(huì )有6個(gè)，當原訊號為N個(gè)時(shí)，輸出訊號便會(huì )有N（N-1）個(gè)?？梢韵胂竦氖?，當輸入訊號是復雜的多頻率訊號，例如管弦樂(lè )時(shí)，由互調失真所產(chǎn)生的額外訊號數量是多么的驚人！

　　由於互調失真訊號全部都是音樂(lè )頻率的和興差訊號，和自然聲音完全同，所以人耳對此是相敏感的，不幸的是，在許多放大器中，互調失真往往大於諧波失真，部份原因是因為諧波失真一般比較容易對付。

　　雖然互調失真和諧波失真同樣是由放大器的非線(xiàn)性引起，兩者在數學(xué)觀(guān)點(diǎn)上看同樣是在正浞導號中加入一些額外的頻率成份，但它們實(shí)際上是不盡相同的，簡(jiǎn)單的說(shuō)，諧波失真是對原訊號波形的扭曲，即使是單一頻率訊號通過(guò)放大線(xiàn)路也會(huì )產(chǎn)生這種現象，而互調失真卻是不同頻率之間的互相干擾和影響，測量互調失真遠比測量諧波失真復雜，而且至今尚未有統一的標準。