功放參數(shù)指標(biāo)(下)

　　瞬態(tài)互調(diào)失真（Transient Intermodulation Distortion），得稱TIM失真。是什么時(shí)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(diào)失真與負(fù)回輸密切相關(guān)，所以在討論瞬態(tài)互調(diào)失真時(shí)就需要先從負(fù)回輸說起。負(fù)回輸（Negative Feedback）是一種廣泛應(yīng)用於各類工程技術(shù)領(lǐng)域，簡音而實(shí)用的控制技術(shù)，負(fù)回輸本來是屬於控制技術(shù)中的閉環(huán)控制（Close Loop Control）系統(tǒng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，但因?yàn)閼?yīng)用廣泛，所以常常被用作閉環(huán)控制的代名詞。負(fù)回輸實(shí)際上是一種普遍存在於人們?nèi)粘Ｉ钪械淖匀灰?guī)律，舉例來說，當(dāng)我們駕駛汽車的時(shí)候，如果發(fā)現(xiàn)汽車偏離得駛路線，我們就會(huì)向相反方向扭動(dòng)方向盤，使汽車駛回正確路線。在這里我們的眼睛就是充當(dāng)負(fù)回輸通道的作用，負(fù)責(zé)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(shè)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(hào)（扭方向盤）去糾正由此可見，負(fù)回輸?shù)淖饔檬菍⑤敵鲋档瓜啵ㄗ優(yōu)樨?fù)數(shù)），隨后將之回饋至輸入端，和設(shè)定值相減，得出誤差訊號(hào)，然后控制器就會(huì)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(duì)稱，溫度的變化，噪音的干擾以及其他種種原因，使讀號(hào)的被放大的同時(shí)，無可避免地被加入各種各樣的失真，而負(fù)回輸則能有效地降低這些失真。舉一個(gè)簡單的例子來說，如放大器在放大一個(gè)正弦波訊號(hào)時(shí)，加入了一個(gè)失真的方波訊號(hào)，這個(gè)正弦加方波的訊號(hào)會(huì)被負(fù)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(hào)幅度變小之除還含有一個(gè)相反的方波，這個(gè)新的訊號(hào)在經(jīng)過放大器時(shí)同樣會(huì)被再次加入一個(gè)失真的方波訊號(hào)，由於訊號(hào)里面已有一個(gè)相反的方波，這樣正反方波便會(huì)互相抵消，使輸出訊號(hào)只含有正弦波，這就明顯地降低了失真。不過負(fù)回輸?shù)娜秉c(diǎn)也是很明顯的，因?yàn)樨?fù)回輸令輸入訊號(hào)和回饋的輸出訊號(hào)相減，降低了訊號(hào)電平，如果要使輸出訊號(hào)相沽，降低了訊號(hào)電平，如果要使輸出訊號(hào)被放大到足夠的強(qiáng)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(jī)。如果我們將負(fù)回輸量加大，使輸出訊號(hào)降低到和輸入訊號(hào)電平相同的程度，即完全沒有放大，這種放大器線路有一個(gè)特殊的名稱，叫緩沖放大器（Buffer Amplifier）。雖然訊號(hào)沒有被放大，但因?yàn)榉糯笃饕话愣际禽斎胱杩垢?，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(fù)回輸能有效地降低失真，但為會(huì)么又會(huì)引起瞬態(tài)互調(diào)失真呢？原來問題出在時(shí)間上，其中又以晶體管機(jī)最為嚴(yán)重。和真空管相比，晶體管有堅(jiān)因耐用，體積小，重量輕放大率高等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)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(dá)50至60dB左右的深度負(fù)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(fù)回輸，大幅度減少了失真，所以晶體管機(jī)很容易獲得高超的技術(shù)規(guī)格。不過麻煩也就因此而起，為了減少由深度負(fù)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(dòng)級(jí)晶體管的基極和集電極之間加入一個(gè)小電容，使高頻段的相位稍為滯后，稱為滯后價(jià)或稱分補(bǔ)價(jià)，可是無論電容如何細(xì)小，總需要一定時(shí)間來充電，當(dāng)輸入訊號(hào)含有速度很高的瞬態(tài)脈沖時(shí)，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(fù)回輸狀態(tài)。由於輸入訊號(hào)沒有和負(fù)回輸訊號(hào)相減，造成訊號(hào)過強(qiáng)，這些過強(qiáng)訊號(hào)會(huì)訟放大線路瞬時(shí)過載（Overload）。因?yàn)榫w管機(jī)負(fù)回輸量大，訊號(hào)過強(qiáng)程度更高，常常達(dá)到數(shù)十倍甚至數(shù)百倍，結(jié)果使輸出訊號(hào)削波（Clipping）。這就是瞬態(tài)互調(diào)失真，因?yàn)樵诰w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(fù)回輸時(shí)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?yàn)楦袘?yīng)器（Sensor）安裝位置太遠(yuǎn)。例如在一個(gè)恒溫?zé)崴髦?，瘟度探測被安裝在遠(yuǎn)離發(fā)熱順的位置，結(jié)果是當(dāng)探測器感應(yīng)到水溫足夠時(shí)，在發(fā)熱器附近的水溫早就已經(jīng)過熱了。這樣的控制結(jié)果必然是水溫在過熱和過冷之間大幅擺動(dòng)，稱為控制超調(diào)（Overshoot）或系統(tǒng)振蕩。純延遲至今仍然是困擾自動(dòng)控制技術(shù)的一大難題，有關(guān)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(gè)簡單而行之有效的辦法。

　　雖然負(fù)回輸出現(xiàn)時(shí)間延遲不好對(duì)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(fù)回輸，這樣即命名出現(xiàn)負(fù)回輸時(shí)間延遲，輸入訊號(hào)也不至於過強(qiáng)。所減少的負(fù)回輸量則由只跨越1個(gè)放大級(jí)的局部負(fù)回輸代替，，局部負(fù)回輸路徑短，時(shí)間快，不易誘發(fā)瞬態(tài)互調(diào)失真。真空管工作穩(wěn)定，不一定要用大深度負(fù)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(jī)沒有一般所謂的“原子粒”聲。至於其他用於線路設(shè)計(jì)上防范瞬態(tài)互調(diào)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(shè)計(jì)上防范瞬態(tài)互調(diào)失真外，發(fā)燒友還可以采取另一項(xiàng)措施去減少瞬態(tài)互調(diào)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(hào)進(jìn)入放大器，雖然這些訊號(hào)有許多是屬於人耳聽不見的射頻干擾，但因?yàn)槠漕l率很高，極易誘發(fā)瞬態(tài)互調(diào)失真，令輸入級(jí)過載，使音樂訊號(hào)得不到正常的放大。

　　轉(zhuǎn)換速率

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

　　對(duì)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(yīng)法或頻率響應(yīng)法去評(píng)估系統(tǒng)性能，而對(duì)于要求高的系統(tǒng)，兩者都必須加以考慮。作瞬態(tài)應(yīng)測試時(shí)常用的訊號(hào)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(gè)較為理想的方波含有一個(gè)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(yīng)速度一般是用電壓轉(zhuǎn)換速率（Slew Rate，***稱“回轉(zhuǎn)率”）。其定義是在1微秒時(shí)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(shí)間，單位是V/u s，數(shù)值愈大表示瞬態(tài)響應(yīng)度越了，高性能放大器的轉(zhuǎn)換速率一般都可以做到25V/u s以上。

　　提高瞬態(tài)響應(yīng)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(dāng)?shù)沫h(huán)路負(fù)回輸來改善，這似乎是一個(gè)自相矛盾的做法，但事實(shí)不然，瞬態(tài)互調(diào)失真只是當(dāng)訊號(hào)速度超過放大器的瞬態(tài)響應(yīng)能力范圍之外才會(huì)發(fā)生。

　　除了瞬態(tài)互調(diào)失真外，過快的訊號(hào)也會(huì)產(chǎn)生另一種失真現(xiàn)象，叫做鈴振（Ringing），兩者的本質(zhì)相同。當(dāng)輸入訊號(hào)速度快而幅度小時(shí)，首先出現(xiàn)的是鈴振現(xiàn)象，只有當(dāng)這個(gè)訊號(hào)的速度快至某個(gè)程度時(shí)才會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)互調(diào)失真，然而當(dāng)訊號(hào)速度快兼幅度大時(shí)，鈴振沒有發(fā)生便已進(jìn)入瞬態(tài)互調(diào)失真狀態(tài)。最容易引發(fā)鈴振現(xiàn)象的訊號(hào)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(shè)備要有完善的抗干擾措施的原因之一。

　　界面互調(diào)失真（Interface Intermodulation Distortion）

　　界面互調(diào)失真算是一個(gè)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(guān)外，和揚(yáng)聲器也有很大關(guān)系。所以在介紹這兩項(xiàng)規(guī)格前，先簡單地說一說揚(yáng)聲器有關(guān)這方面的特性。

　　目前的音響揚(yáng)器絕大部分都是采用電動(dòng)式原理的動(dòng)圈式喇叭，其結(jié)構(gòu)包括一個(gè)用作產(chǎn)生磁場的永久磁鐵及一人音圈。從構(gòu)造上來說動(dòng)圈式揚(yáng)聲器屬於一種特殊形式的直流馬達(dá)，因?yàn)橐羧χ恍枰獊砘剡\(yùn)動(dòng)而不是旋轉(zhuǎn)，所以不需使用直流馬達(dá)上常見的炭刷和換向器（俗稱“銅頭”）

　　無論是交流馬達(dá)或是直流馬達(dá)，都是具有可逆性的，即在某種條件下可當(dāng)作發(fā)電機(jī)來使用。直流馬達(dá)在結(jié)構(gòu)上和直流發(fā)電機(jī)沒有差別，尤其是永久磁錢式直流馬達(dá)，只要能夠使它的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，就可在其接線端上產(chǎn)生出一定的電壓。對(duì)動(dòng)圈式揚(yáng)聲器來說，只要我們用手按壓振膜，就一定會(huì)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(yáng)聲器不可能對(duì)由放大器輸出的全部電能加以利用而會(huì)有剩余電能產(chǎn)生，另外由于振膜的機(jī)械慣性原因，在音圈中也會(huì)產(chǎn)生多余電能。由前者所產(chǎn)生的問題穩(wěn)為界面互調(diào)失真，而后者則會(huì)使揚(yáng)聲器的低頻控制力變差。

　　界面互調(diào)失真和揚(yáng)聲器內(nèi)阻及負(fù)回輸線路有關(guān)。當(dāng)放大器輸出的電能無法全部轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能量時(shí)，多余的電能就必定會(huì)在揚(yáng)聲器線圈中產(chǎn)生出額外的反電勢（Back emf），這個(gè)反電勢會(huì)由喇叭線回饋至放大器的輸出端，然后依放大器內(nèi)阻的大小形成一個(gè)電壓，這個(gè)電壓會(huì)被負(fù)回輸線路反饋至輸入端，和輸入訊號(hào)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(diào)失真，關(guān)鍵之處是要降低負(fù)回輸量和放大器內(nèi)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(jìn)行設(shè)計(jì)的。除此以外，雙線接駁也是另類改善途徑，因?yàn)榉珠_的高低音線路使低頻端的反電勢不會(huì)對(duì)高頻訊號(hào)產(chǎn)生影響，從而改善音質(zhì)。

　　阻尼系數(shù)（Damping Factor）

　　阻尼系數(shù)的揚(yáng)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(duì)某一個(gè)過程中進(jìn)行變化的物理量加以抑制的程度。以揚(yáng)聲器來說，要抑制的是揚(yáng)聲器振膜在沒有電訊號(hào)輸入的情況下所作的慣性振動(dòng)，簡單地說這是一個(gè)制動(dòng)動(dòng)作。揚(yáng)聲器的振膜是不能用機(jī)械阻尼方式來制動(dòng)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(jī)狀態(tài)。

　　前面的討論曾提及揚(yáng)聲器會(huì)很容易進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài)，當(dāng)輸入電讀號(hào)消失后的一瞬間，揚(yáng)聲器振膜在慣性作用不還在振動(dòng)。這種振動(dòng)會(huì)在音圈中產(chǎn)生出一個(gè)感應(yīng)電壓，這時(shí)如果放大器輸出阻譏低的話，就相當(dāng)於在揚(yáng)聲器端子上并接一個(gè)很小的電阻，音圈上的感應(yīng)電壓就會(huì)驅(qū)使一個(gè)較大數(shù)值的電流流經(jīng)放大器的內(nèi)阻郵局就是說揚(yáng)聲器此刻變成電源，而放大器的功率輸出級(jí)線路卻變成負(fù)載。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，這個(gè)電流是音圈在永久磁鐵的磁場中振動(dòng)所產(chǎn)生的，所以這個(gè)音圈電流就必定會(huì)產(chǎn)生一個(gè)和振動(dòng)方向相反的力去抵消振動(dòng)。放大器的內(nèi)阻越小，電流就越大，抵消慣性振動(dòng)的作用也就越強(qiáng)。由於這個(gè)電流的能量是會(huì)在電阻上變成熱量消耗掉，所以這種制動(dòng)方式在電機(jī)控制技術(shù)中稱為“能耗制動(dòng)”（Dynamic Bracking）。揚(yáng)聲器在重播低頻時(shí)的振幅最大，所造成的慣性振動(dòng)也最嚴(yán)重，不加以抑制的話會(huì)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(huì)使聲音變乾。

　　膽機(jī)因?yàn)橛休敵龌疖嚨木€圈電阻存在，阻尼系數(shù)大極有限，相反地，晶體管機(jī)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(dá)到數(shù)百。不過可異一個(gè)阻巴系數(shù)的要求，這也就造成了不同的揚(yáng)聲器和放大器之間會(huì)有各種不同音色的配搭。

　　對(duì)采用了大一半路負(fù)回輸?shù)姆糯笃鱽碚f，阻尼系數(shù)并不是唯一會(huì)對(duì)揚(yáng)聲器進(jìn)行剎車的工具，因?yàn)閾P(yáng)聲器的慣性振動(dòng)電流流經(jīng)放大器的輸出內(nèi)阻時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生某個(gè)數(shù)值的電壓，負(fù)回輸線路即時(shí)將之反饋至輸入端，令放大線路以為出現(xiàn)了一個(gè)不該出現(xiàn)的失真電壓，馬上產(chǎn)生一個(gè)反相的訊號(hào)加以抵制。這可是一種最強(qiáng)力的馬達(dá)電制動(dòng)方式，稱為“反接制動(dòng)”（Plugging）。不過也是一種最少使用的方式，因?yàn)榱钜慌_(tái)馬達(dá)突然反轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生巨大的機(jī)械沖擊力而損壞機(jī)器，但揚(yáng)聲器本來就是設(shè)計(jì)成不斷前后運(yùn)動(dòng)的裝置，所以這種方法理論上完全沒有問題，然而實(shí)際上卻常常出問題，麻煩又是來自負(fù)回輸。

　　揚(yáng)聲器不是麥克風(fēng)，由振膜振動(dòng)產(chǎn)生的電壓，不會(huì)像麥克風(fēng)尋樣準(zhǔn)確，所以放大器生的抵消電壓也不可能做到完全和振動(dòng)大小相等，方向相反。結(jié)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(gè)過程其實(shí)和界面互調(diào)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(jī)，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(guān)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?yàn)楣ぷ鲿r(shí)往往需要同時(shí)兼顧電機(jī)和電子甚至機(jī)械方面的技術(shù)原理，頭痛之馀發(fā)覺在發(fā)燒領(lǐng)域中有許多的技術(shù)或問題，現(xiàn)象等等，其實(shí)都是一些在其他工程技術(shù)領(lǐng)域早已被人了解和認(rèn)識(shí)的東西，其本身并不深?yuàn)W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(dāng)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(shù)發(fā)展到今天相信已很難在線路設(shè)計(jì)和材料運(yùn)用方面作出特別技術(shù)突破。高質(zhì)素的器材只能是靠仔細(xì)認(rèn)真的態(tài)度，對(duì)過往常被人忽視的，大量的瑣碎技術(shù)規(guī)格一點(diǎn)一滴地去改善，每前進(jìn)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(duì)而言，技術(shù)是用錢砌出來的，有許多所謂高科技軍事技術(shù)，運(yùn)用的只是那些各國大專院校和研究機(jī)構(gòu)的學(xué)者，為了提高自己的學(xué)術(shù)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(yù)研，設(shè)計(jì)，試驗(yàn)，生產(chǎn)和保證質(zhì)方面的工藝技術(shù)，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(xiàng)單靠改造老機(jī)器便能使用的工藝.