功放参数指标(上)

杨丰亦

<br>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。 <br>
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使音响技术得以快速发展是在927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花争艳。技术的进步是前70年所望鹿莫及的。 <br>
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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20~20KHz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物定条件下测量的。根本不足以反映放大器的基本性能。 <br>
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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。 <br>
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　　频率响应 <br>
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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 Hz~100 kHz等。习惯上对频率响应范围的规定是：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20~20KHz+-5%范围之内。 <br>
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　　谐波失真 <br>
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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（Fundemental），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。 <br>
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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厅次（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。 <br>
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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. <br>
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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。谐波失真自然会大幅度增加。 <br>
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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2‘4’6‘8’…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。声音右能会很过瘾，但是和高保真的要求却是完全背道而驰。 <br>
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　　讯号噪声比 <br>
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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。 <br>
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一台放大器如有高的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。 <br>
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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。 <br>
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　　互调失真 <br>
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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“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！ <br>
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由於互调失真讯号全部都是音乐频率的和兴差讯号，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。 <br>
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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<br><br>

liuchuang

确实是详实的阐述了功放的参数哈