功放參數(shù)指標(biāo)(上)

　　使音響技術(shù)得以快速發(fā)展是在927年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室公布了劃時(shí)代的負(fù)反饋（負(fù)回輸，NFB）技術(shù)，聲頻放大器從此開始步入了一個(gè)新紀(jì)元。所謂高保真（High Fidelity）放大器，其鼻祖應(yīng)該是追溯至1947年發(fā)表的威廉遜放大器，當(dāng)時(shí)Willianson先生在一篇設(shè)計(jì)Hi Fi放大器的文章中介紹了一種成功運(yùn)用負(fù)回輸技術(shù)，使失真降至0.5%的膽機(jī)線路，音色之靚在當(dāng)時(shí)堪稱前無(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(guó)Audio雜志又發(fā)表了一篇“超線性放大器”的文章。第二年6月，又發(fā)表了一篇將威廉遜放大器超線性放大器相結(jié)合的線路設(shè)計(jì)。由於超線性設(shè)計(jì)將非線性失真大幅度降低，許多人硌起仿效，再次形成了一個(gè)熱潮。超線性設(shè)計(jì)的影響時(shí)至今日21世紀(jì)仍然存在，可以說威廉遜放大器和超線性放大器標(biāo)志著負(fù)回輸技術(shù)在音響技術(shù)中的成熟。從那時(shí)候開始，放大器的設(shè)計(jì)和種類可謂百花爭(zhēng)艷。技術(shù)的進(jìn)步是前70年所望鹿莫及的。

　　放大器的的規(guī)格是衡量其性能的一個(gè)重要指標(biāo)，當(dāng)然另一個(gè)重要指標(biāo)是以耳朵收貨。常聽發(fā)燒友說音響器材的規(guī)格沒多大意義，許多測(cè)試數(shù)據(jù)優(yōu)良的放大器其聲音卻慘不忍聽。這話只說對(duì)了一半，首先這優(yōu)良的數(shù)據(jù)一般是在產(chǎn)品開發(fā)階段測(cè)試原型機(jī)時(shí)得出的。在大量生產(chǎn)階段一般來說其性能都會(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(duì)20~20KHz的聲頻信號(hào)作出人耳無(wú)法察覺失真的放大，是一件極不容易的事，況且一般放大器的所謂性能規(guī)格只是給出寥寥幾項(xiàng)數(shù)據(jù)，其中大多數(shù)只是在某些物定條件下測(cè)量的。根本不足以反映放大器的基本性能。

　　用以評(píng)定放大器的技術(shù)規(guī)格的方法分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種，靜態(tài)規(guī)格是指以穩(wěn)態(tài)下弦波進(jìn)行測(cè)量所得的指標(biāo)。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(jì)二三十的代便已開始使用。測(cè)試項(xiàng)目包括有頻率響應(yīng)，諧波失真，信噪比，互調(diào)失真及阻尼系數(shù)等。動(dòng)態(tài)規(guī)格是指用較復(fù)雜的信號(hào)例如方波，窄脈沖等所測(cè)量得的指標(biāo)，包括有相位失真，瞬態(tài)響應(yīng)及瞬態(tài)互調(diào)失真等。動(dòng)態(tài)測(cè)試實(shí)際上也類似工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中常見的瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)試，只不過工業(yè)測(cè)試常用的是階躍信號(hào)（Step Signal）而音響測(cè)試則用縮短了的階躍信號(hào)——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(cè)試和數(shù)據(jù)。至於人耳試聽方面由於含有較多主觀因素，在此不打算詳加討論。由於大部份廠商對(duì)其產(chǎn)品一般都只是給出少數(shù)參數(shù)應(yīng)付了事，故此筆者希望藉此機(jī)會(huì)對(duì)一些較重要的音響器材規(guī)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(duì)音響技術(shù)有更深入的領(lǐng)會(huì)。

　　頻率響應(yīng)

　　在眾多技術(shù)指標(biāo)中，頻率響應(yīng)是最為人們所熟悉的一種規(guī)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(yīng)平直就已足夠，但是真正的樂音中含有的泛音（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(yīng)的表現(xiàn)，所以對(duì)放大器要求有更高的頻應(yīng)范圍，例如從10 Hz~100 kHz等。習(xí)慣上對(duì)頻率響應(yīng)范圍的規(guī)定是：當(dāng)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(shù)分貝點(diǎn)有另外一個(gè)名稱，叫做半功率點(diǎn)（Half Power Point）。因?yàn)楫?dāng)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(duì)某些電子設(shè)備及自動(dòng)控制系統(tǒng)雖有一定的意義，但對(duì)音響器材就未必合適，因?yàn)槿硕鷮?duì)聲音的解析度可達(dá)到0.1分貝。所以有一些高級(jí)器材標(biāo)稱20至20K達(dá)到正負(fù)0.1分貝，這實(shí)際上經(jīng)起標(biāo)稱10至50K+3DB規(guī)格有可能更高。順帶一提的是，頻應(yīng)曲線圖實(shí)際上是有兩幅的，在控制工程中“波特圖”（Bode Plot）。其中的幅頻曲線圖就是我們常見的頻率響應(yīng)圖，另一幅叫做相頻曲線圖，是用來表示不同頻率在經(jīng)過了放大器后所產(chǎn)生的相位失真（相位畸變）程度的。相位失真是指訊號(hào)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(fù)回輸線路的工作。除此之外相位失真也和瞬態(tài)響應(yīng)有關(guān)，尢其是和近年來日益受到重視的瞬態(tài)到調(diào)失真有著密的關(guān)系。對(duì)於Hi Fi放大器而言，相位失真起碼要在20~20KHz+-5%范圍之內(nèi)。

　　諧波失真

　　任何一個(gè)自然物理系統(tǒng)在受到外界的擾動(dòng)后大都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)呈衰減的周期性振動(dòng)。舉例來說，一根半米長(zhǎng)兩端因定的弦線在中間受到彈撥的話，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)1米波長(zhǎng)的振動(dòng)波，稱為基波（Fundemental），弦線除了沿中心點(diǎn)作大幅度擺動(dòng)外，線的本身也人作出許多肉眼很難察覺的細(xì)小振動(dòng)，其頻率一般都是比基波高，而且不止一個(gè)頻率。其大小種類由弦線的物理特性決定。在物理學(xué)上這些振動(dòng)波被稱為諧波（Harmonics）。為了方便區(qū)別，由樂器所產(chǎn)生的諧和波常被為泛音（Overtone）。諧波除了由訊號(hào)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(shù)，由正半周和負(fù)半周組成，但決不能將其負(fù)半周稱為負(fù)弦波！）但它們合成在一起時(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(shù)）諧波所組成，這也解釋了為什么方波常常被用作測(cè)試訊號(hào)的原因。

　　放大器的線路充滿著各種各樣電子零件，接線和焊點(diǎn)，這些東西可多或少都會(huì)降低放大器的線性表現(xiàn)，當(dāng)音樂訊號(hào)通過放大器時(shí)，非線性特性會(huì)使音樂訊號(hào)產(chǎn)生一定程度的扭曲變形，根據(jù)前述理論這相當(dāng)於在訊號(hào)中加入了一些諧波，所以這種訊號(hào)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表示。百分比小即表示放大器所產(chǎn)生的諧波少，也就是說訊號(hào)波形被扭曲的程度低。由不同的物理系統(tǒng)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(duì)音頻放大器而言，使聲音出現(xiàn)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.

　　廠商在標(biāo)定產(chǎn)品的諧波失真時(shí)，通常只給出一項(xiàng)數(shù)據(jù)，例如0.1%等?？墒怯煞糯笃魉a(chǎn)生的諧波卻并不是一項(xiàng)常數(shù)，而是一項(xiàng)與信號(hào)頻率和輸出功率有關(guān)的函數(shù)。圖四表示出兩臺(tái)典型晶體管雙聲道放大器的諧波失真與訊號(hào)頻率的關(guān)系曲線。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。由圖中可見，當(dāng)輸出功率接近最大值時(shí)，諧波失真急劇增加。因?yàn)榫w管在接近過載（Overload）的情況下會(huì)發(fā)生削波現(xiàn)象。將一個(gè)訊號(hào)的頂部齊平削去一塊明顯地是一種嚴(yán)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(jī)的聲音之所以柔美動(dòng)聽，原因之一是膽機(jī)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?yàn)橹C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，也就是說右以和基波組成音樂上的純八度。我們知道純八度是最和諧，動(dòng)聽的和聲。所以膽機(jī)聲音甜美，音樂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(jī)故意加入相當(dāng)程度的二次諧波失真。目的是制造“重低音”去取悅消費(fèi)者。聲音右能會(huì)很過癮，但是和高保真的要求卻是完全背道而馳。

　　訊號(hào)噪聲比

　　訊號(hào)噪聲比（Signal Noise Ratio）簡(jiǎn)稱訊噪比或信噪比，是指有用訊號(hào)功率與無(wú)用的噪聲功率之比。通常貝計(jì)量，因?yàn)楣β适请娏骱碗妷旱暮瘮?shù)，所以訊噪比也可以用電壓值來計(jì)算，即訊號(hào)電平與噪聲電平之比值，只是計(jì)算公式稍有不同。以功北率計(jì)算訊噪比：S/N=10 log 以電壓計(jì)算訊噪比：S/N=10 log 由于訊噪比和功率或者是電壓成對(duì)數(shù)關(guān)系，要提高訊噪比的話便要大幅度地提高輸出值和噪聲值之比，舉例來說，當(dāng)訊噪比為100dB時(shí)，輸出電壓是噪聲電壓的一萬(wàn)倍，以電子線路來說，這并不是一件容易的事。

　　一臺(tái)放大器如有高的訊噪比意味著背景寧?kù)o，由于噪聲電平低，很多被噪聲掩蓋著的弱音細(xì)節(jié)會(huì)顯現(xiàn)出來，使浮音增加，空氣感加強(qiáng)，動(dòng)態(tài)范圍增大。衡量放大器的訊噪比是好或者是壞沒有嚴(yán)格的判別數(shù)據(jù)，一般來說以大約85dB以上為佳，低于此值則有可能在某些大音量聆聽情況下，在音樂間隙中聽到明顯的噪音。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)用電壓來計(jì)算的訊噪比數(shù)值，只不過分母是一個(gè)固定的數(shù)：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(duì)值，后者則一個(gè)相對(duì)數(shù)。

　　在許多產(chǎn)品說明書中的規(guī)格表數(shù)據(jù)后面，常常會(huì)有一個(gè)A字，意思是A-weight,即A計(jì)權(quán)，計(jì)權(quán)的意思是指將某個(gè)數(shù)值按一定規(guī)則權(quán)衡輕重地修改過，由于人耳對(duì)中頻特別敏感，所以如果一臺(tái)放大器的中頻段訊噪比足夠大的話，那么即使訊噪聲比在低頻和高頻段稍低，人耳也不易察覺?？梢娙绻捎昧擞?jì)權(quán)方式測(cè)量訊噪比的話，其數(shù)值一定會(huì)比不采用計(jì)權(quán)方式為高。以A計(jì)權(quán)來說，其數(shù)值會(huì)較不計(jì)權(quán)高約會(huì)分貝。

　　互調(diào)失真

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

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

　　雖然互調(diào)失真和諧波失真同樣是由放大器的非線性引起，兩者在數(shù)學(xué)觀點(diǎn)上看同樣是在正浞導(dǎo)號(hào)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，諧波失真是對(duì)原訊號(hào)波形的扭曲，即使是單一頻率訊號(hào)通過放大線路也會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象，而互調(diào)失真卻是不同頻率之間的互相干擾和影響，測(cè)量互調(diào)失真遠(yuǎn)比測(cè)量諧波失真復(fù)雜，而且至今尚未有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。