功放參數(shù)指標(下)

　　瞬態(tài)互調失真（Transient Intermodulation Distortion），得稱TIM失真。是什么時候被發(fā)現(xiàn)的筆者搞不清楚，但是TIM測量方法則遲至70年代才公開發(fā)表。由於瞬態(tài)互調失真與負回輸密切相關，所以在討論瞬態(tài)互調失真時就需要先從負回輸說起。負回輸（Negative Feedback）是一種廣泛應用於各類工程技術領域，簡音而實用的控制技術，負回輸本來是屬於控制技術中的閉環(huán)控制（Close Loop Control）系統(tǒng)的一個環(huán)節(jié)，但因為應用廣泛，所以常常被用作閉環(huán)控制的代名詞。負回輸實際上是一種普遍存在於人們日常生活中的自然規(guī)律，舉例來說，當我們駕駛汽車的時候，如果發(fā)現(xiàn)汽車偏離得駛路線，我們就會向相反方向扭動方向盤，使汽車駛回正確路線。在這里我們的眼睛就是充當負回輸通道的作用，負責把輸出值（汽車得駛方向）回饋給挖掘器（大腦） ，然后控制器將輸出值和設定值（正確方向）互相比較（相減），然后根據(jù)比較后的誤差，發(fā)出修正訊號（扭方向盤）去糾正由此可見，負回輸?shù)淖饔檬菍⑤敵鲋档瓜啵ㄗ優(yōu)樨摂?shù)），隨后將之回饋至輸入端，和設定值相減，得出誤差訊號，然后控制器就會根據(jù)誤差大小作出修正。

　　在電子放大線路中，由於零件的對稱，溫度的變化，噪音的干擾以及其他種種原因，使讀號的被放大的同時，無可避免地被加入各種各樣的失真，而負回輸則能有效地降低這些失真。舉一個簡單的例子來說，如放大器在放大一個正弦波訊號時，加入了一個失真的方波訊號，這個正弦加方波的訊號會被負回輸線路反相，然后加饋至輸入端，和原來的正弦波相減，使原來的訊號幅度變小之除還含有一個相反的方波，這個新的訊號在經(jīng)過放大器時同樣會被再次加入一個失真的方波訊號，由於訊號里面已有一個相反的方波，這樣正反方波便會互相抵消，使輸出訊號只含有正弦波，這就明顯地降低了失真。不過負回輸?shù)娜秉c也是很明顯的，因為負回輸令輸入訊號和回饋的輸出訊號相減，降低了訊號電平，如果要使輸出訊號相沽，降低了訊號電平，如果要使輸出訊號被放大到足夠的強度，放大器的放大率（增益）便要加大，所幸的是這并非難事，尢其是晶體管機。如果我們將負回輸量加大，使輸出訊號降低到和輸入訊號電平相同的程度，即完全沒有放大，這種放大器線路有一個特殊的名稱，叫緩沖放大器（Buffer Amplifier）。雖然訊號沒有被放大，但因為放大器一般都是輸入阻抗高，輸出阻抗低。所以緩沖放大器常被用作阻抗匹配之用。

　　既然負回輸能有效地降低失真，但為會么又會引起瞬態(tài)互調失真呢？原來問題出在時間上，其中又以晶體管機最為嚴重。和真空管相比，晶體管有堅因耐用，體積小，重量輕放大率高等優(yōu)點，其缺點是工作特性不穩(wěn)定，易受溫度等因素影響而產(chǎn)生失真甚至失控。解決辦法之一是采用高達50至60dB左右的深度負回輸。反正晶體管的放大率很高，犧牲一些無所謂，由於采用了大深度的負回輸，大幅度減少了失真，所以晶體管機很容易獲得高超的技術規(guī)格。不過麻煩也就因此而起，為了減少由深度負回佃所引起的高頻寄生振蕩，晶體管放大器一般要在前置推動級晶體管的基極和集電極之間加入一個小電容，使高頻段的相位稍為滯后，稱為滯后價或稱分補價，可是無論電容如何細小，總需要一定時間來充電，當輸入訊號含有速度很高的瞬態(tài)脈沖時，小電容來不及充電，也就是說在這一剎那線路是處於沒有負回輸狀態(tài)。由於輸入訊號沒有和負回輸訊號相減，造成訊號過強，這些過強訊號會訟放大線路瞬時過載（Overload）。因為晶體管機負回輸量大，訊號過強程度更高，常常達到數(shù)十倍甚至數(shù)百倍，結果使輸出訊號削波（Clipping）。這就是瞬態(tài)互調失真，因為在晶體管線路最多出現(xiàn)，所以也被稱為“原子粒”聲。

　　順帶一提的是，這種負回輸時間延遲問題在工業(yè)控制系統(tǒng)中也常常遇到，稱為純延遲（Dead Time）問題，其起因絕大部份是因為感應器（Sensor）安裝位置太遠。例如在一個恒溫熱水器中，瘟度探測被安裝在遠離發(fā)熱順的位置，結果是當探測器感應到水溫足夠時，在發(fā)熱器附近的水溫早就已經(jīng)過熱了。這樣的控制結果必然是水溫在過熱和過冷之間大幅擺動，稱為控制超調（Overshoot）或系統(tǒng)振蕩。純延遲至今仍然是困擾自動控制技術的一大難題，有關解決方法的論文由五十年代至今少說也有上千篇，但始終找不到一個簡單而行之有效的辦法。

　　雖然負回輸出現(xiàn)時間延遲不好對付，但要解決也不是沒有辦法，我們可以干脆讓它出現(xiàn)，或即使其出現(xiàn)也不至於造成太大的破壞，方法有多種，例如只用小量大環(huán)路負回輸，這樣即命名出現(xiàn)負回輸時間延遲，輸入訊號也不至於過強。所減少的負回輸量則由只跨越1個放大級的局部負回輸代替，，局部負回輸路徑短，時間快，不易誘發(fā)瞬態(tài)互調失真。真空管工作穩(wěn)定，不一定要用大深度負回輸抑制失真，況且其失真多數(shù)是人耳愛聽的偶次諧波失真所以膽機沒有一般所謂的“原子粒”聲。至於其他用於線路設計上防范瞬態(tài)互調失真的方法，因涉及較多枯燥的理論，這里就不一一介紹了。

　　除了在線路設計上防范瞬態(tài)互調失真外，發(fā)燒友還可以采取另一項措施去減少瞬態(tài)互調失真，那就是盡量利用各種屏蔽和濾波措施去減少各種高頻干擾訊號進入放大器，雖然這些訊號有許多是屬於人耳聽不見的射頻干擾，但因為其頻率很高，極易誘發(fā)瞬態(tài)互調失真，令輸入級過載，使音樂訊號得不到正常的放大。

　　轉換速率

　　瞬態(tài)互調失真除了由放大器大環(huán)路負回輸?shù)臅r間延遲引發(fā)外，放大器速度不夠快也是一個重要的原因，如果放大器的速度夠快的話即使在同樣負回輸條件下，瞬態(tài)互調失真度也可以降低。放大器的速度是一個通俗的形容，正確的說法應該是指放大器的瞬態(tài)響應能力（Transient Response）。在控制理論中，瞬態(tài)響應和頻率響應是衡量系統(tǒng)性能的兩大方法。它們的優(yōu)點是不需經(jīng)詳細了解整個系統(tǒng)的詳細數(shù)學模型，只需要根據(jù)系統(tǒng)對特定輸入訊號的響應曲線介可估算出系統(tǒng)對特定輸入訊號的響應曲線便可估算出系統(tǒng)的特性，從而作出補償或改善。但相反來說，如果我們知道某個系統(tǒng)的數(shù)學模型，也可以不經(jīng)測試就估算出該系統(tǒng)的響應模式。

　　對于精確度要求不高的系統(tǒng)，我們可以選擇性地采取瞬態(tài)響應法或頻率響應法去評估系統(tǒng)性能，而對于要求高的系統(tǒng)，兩者都必須加以考慮。作瞬態(tài)應測試時常用的訊號是單位階躍函數(shù)（Step Signal）和單位脈沖函數(shù)（Impulse）。為方便起見，放大器測試多用前者的特殊形式：方波/。一個較為理想的方波含有一個速度極高的電壓上升沿和降沿，用來測試放大器的瞬態(tài)響是非常合適的。

　　衡量放大器的響應速度一般是用電壓轉換速率（Slew Rate，臺灣稱“回轉率”）。其定義是在1微秒時間里電壓升高幅度，如果以方波測量的話則是電壓由波谷升至波峰所需時間，單位是V/u s，數(shù)值愈大表示瞬態(tài)響應度越了，高性能放大器的轉換速率一般都可以做到25V/u s以上。

　　提高瞬態(tài)響應度最簡單接的辦法是選用高頻特性好的零件。也可以用適當?shù)沫h(huán)路負回輸來改善，這似乎是一個自相矛盾的做法，但事實不然，瞬態(tài)互調失真只是當訊號速度超過放大器的瞬態(tài)響應能力范圍之外才會發(fā)生。

　　除了瞬態(tài)互調失真外，過快的訊號也會產(chǎn)生另一種失真現(xiàn)象，叫做鈴振（Ringing），兩者的本質相同。當輸入訊號速度快而幅度小時，首先出現(xiàn)的是鈴振現(xiàn)象，只有當這個訊號的速度快至某個程度時才會出現(xiàn)瞬態(tài)互調失真，然而當訊號速度快兼幅度大時，鈴振沒有發(fā)生便已進入瞬態(tài)互調失真狀態(tài)。最容易引發(fā)鈴振現(xiàn)象的訊號就是各種各樣的速度快但幅度小的高頻干擾噪音，這就是為什么音響設備要有完善的抗干擾措施的原因之一。

　　界面互調失真（Interface Intermodulation Distortion）

　　界面互調失真算是一個較新和較少人提及的放大器規(guī)格。和下面將要提及的阻尼系數(shù)一樣，除了和放大器線路有關外，和揚聲器也有很大關系。所以在介紹這兩項規(guī)格前，先簡單地說一說揚聲器有關這方面的特性。

　　目前的音響揚器絕大部分都是采用電動式原理的動圈式喇叭，其結構包括一個用作產(chǎn)生磁場的永久磁鐵及一人音圈。從構造上來說動圈式揚聲器屬於一種特殊形式的直流馬達，因為音圈只需要來回運動而不是旋轉，所以不需使用直流馬達上常見的炭刷和換向器（俗稱“銅頭”）

　　無論是交流馬達或是直流馬達，都是具有可逆性的，即在某種條件下可當作發(fā)電機來使用。直流馬達在結構上和直流發(fā)電機沒有差別，尤其是永久磁錢式直流馬達，只要能夠使它的轉軸轉動，就可在其接線端上產(chǎn)生出一定的電壓。對動圈式揚聲器來說，只要我們用手按壓振膜，就一定會在接線端上產(chǎn)生電壓，大小則視乎按壓的速度和幅度而定。

　　由于損耗和非線性化的影響，揚聲器不可能對由放大器輸出的全部電能加以利用而會有剩余電能產(chǎn)生，另外由于振膜的機械慣性原因，在音圈中也會產(chǎn)生多余電能。由前者所產(chǎn)生的問題穩(wěn)為界面互調失真，而后者則會使揚聲器的低頻控制力變差。

　　界面互調失真和揚聲器內阻及負回輸線路有關。當放大器輸出的電能無法全部轉變?yōu)闄C械能量時，多余的電能就必定會在揚聲器線圈中產(chǎn)生出額外的反電勢（Back emf），這個反電勢會由喇叭線回饋至放大器的輸出端，然后依放大器內阻的大小形成一個電壓，這個電壓會被負回輸線路反饋至輸入端，和輸入訊號打成一片。使中低頻聲音混濁，分析力和層次感大減。

　　要降低界面互調失真，關鍵之處是要降低負回輸量和放大器內阻（即提高阻尼系數(shù)）。有許多Hi-End晶體管放大器正是采用這種原則進行設計的。除此以外，雙線接駁也是另類改善途徑，因為分開的高低音線路使低頻端的反電勢不會對高頻訊號產(chǎn)生影響，從而改善音質。

　　阻尼系數(shù)（Damping Factor）

　　阻尼系數(shù)的揚聲器阻抗和放大器輸出阻譏之間的比例。顧名思義，阻系數(shù)是表示對某一個過程中進行變化的物理量加以抑制的程度。以揚聲器來說，要抑制的是揚聲器振膜在沒有電訊號輸入的情況下所作的慣性振動，簡單地說這是一個制動動作。揚聲器的振膜是不能用機械阻尼方式來制動的，所能使用的只是電磁方式的阻尼。而這種方式要求系統(tǒng)必須盡量處於發(fā)電機狀態(tài)。

　　前面的討論曾提及揚聲器會很容易進入發(fā)電機狀態(tài)，當輸入電讀號消失后的一瞬間，揚聲器振膜在慣性作用不還在振動。這種振動會在音圈中產(chǎn)生出一個感應電壓，這時如果放大器輸出阻譏低的話，就相當於在揚聲器端子上并接一個很小的電阻，音圈上的感應電壓就會驅使一個較大數(shù)值的電流流經(jīng)放大器的內阻郵局就是說揚聲器此刻變成電源，而放大器的功率輸出級線路卻變成負載。根據(jù)電磁感應定律，這個電流是音圈在永久磁鐵的磁場中振動所產(chǎn)生的，所以這個音圈電流就必定會產(chǎn)生一個和振動方向相反的力去抵消振動。放大器的內阻越小，電流就越大，抵消慣性振動的作用也就越強。由於這個電流的能量是會在電阻上變成熱量消耗掉，所以這種制動方式在電機控制技術中稱為“能耗制動”（Dynamic Bracking）。揚聲器在重播低頻時的振幅最大，所造成的慣性振動也最嚴重，不加以抑制的話會使低頻控制力變差，缺乏力度、彈性和層次感，但過份抑制則會使聲音變乾。

　　膽機因為有輸出火車的線圈電阻存在，阻尼系數(shù)大極有限，相反地，晶體管機采用多管并聯(lián)系等方法可輕易將阻尼系數(shù)提升至一百幾十，甚至達到數(shù)百。不過可異一個阻巴系數(shù)的要求，這也就造成了不同的揚聲器和放大器之間會有各種不同音色的配搭。

　　對采用了大一半路負回輸?shù)姆糯笃鱽碚f，阻尼系數(shù)并不是唯一會對揚聲器進行剎車的工具，因為揚聲器的慣性振動電流流經(jīng)放大器的輸出內阻時，將會產(chǎn)生某個數(shù)值的電壓，負回輸線路即時將之反饋至輸入端，令放大線路以為出現(xiàn)了一個不該出現(xiàn)的失真電壓，馬上產(chǎn)生一個反相的訊號加以抵制。這可是一種最強力的馬達電制動方式，稱為“反接制動”（Plugging）。不過也是一種最少使用的方式，因為令一臺馬達突然反轉會產(chǎn)生巨大的機械沖擊力而損壞機器，但揚聲器本來就是設計成不斷前后運動的裝置，所以這種方法理論上完全沒有問題，然而實際上卻常常出問題，麻煩又是來自負回輸。

　　揚聲器不是麥克風，由振膜振動產(chǎn)生的電壓，不會像麥克風尋樣準確，所以放大器生的抵消電壓也不可能做到完全和振動大小相等，方向相反。結果是使抑制過程出現(xiàn)不穩(wěn)定，低頻不是圓滑而迅速地減少，這個過程其實和界面互調失真的過程非常相似。某些原子粒放大器的低頻控制力還不如膽機，原因也就在於此。

　　衡量放大器性能還有一些其他的規(guī)格，這篇文章所提及的只是些較多發(fā)燒友關注，加上經(jīng)常出現(xiàn)爭議的規(guī)格。筆者決不是什么專家，只是因為工作時往往需要同時兼顧電機和電子甚至機械方面的技術原理，頭痛之馀發(fā)覺在發(fā)燒領域中有許多的技術或問題，現(xiàn)象等等，其實都是一些在其他工程技術領域早已被人了解和認識的東西，其本身并不深奧和神秘，只是不同行業(yè)解釋 方法不同而令人摸不著頭腦，這篇文章當試用一些具體的比喻解釋和區(qū)別一些常令人混肴的規(guī)格。希望一些非工程人仕的發(fā)燒友能有更清晰的概念。

　　放大器技術發(fā)展到今天相信已很難在線路設計和材料運用方面作出特別技術突破。高質素的器材只能是靠仔細認真的態(tài)度，對過往常被人忽視的，大量的瑣碎技術規(guī)格一點一滴地去改善，每前進一上都很不容易，成本和成果越來越不成比例。所謂平，靚，正只是相對而言，技術是用錢砌出來的，有許多所謂高科技軍事技術，運用的只是那些各國大專院校和研究機構的學者，為了提高自己的學術地位，在公開渠道上發(fā)表的理論研究成果，根本無密可保，難只是難在預研，設計，試驗，生產(chǎn)和保證質方面的工藝技術，像Hi-Dnd器材一樣，所投入的成本往往是天文數(shù)字，得回來的有可能只是一項單靠改造老機器便能使用的工藝.