音響放大線路之二

Nov 15, 2024
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文｜Raymond Wong

6. 瞬態互調失真

Transient Intermodulation（TIM失真）

這是一個在70年代開始興起的音響指標，從77年提出測量方法開始，這個指標被公認為聲頻技術的一次突破。

瞬態互調失真主要來自於放大器的深度負回輸或大環路負回輸線路，首先說一說深度負回輸，負回輸線路的主要目的是修正放大器線路造成的失真或是誤差，我們用汽車來舉例說明一下，在這裡引擎相當於放大線路，油門訊號相當於音響輸入訊號。當一輛汽車的引擎被發覺有缺陷，即使我們將油門訊號維持不變，引擎的轉速也會不停地週期性自我變化，所以打算在引擎上裝一個自動控制系統去修正，做法是用一個轉速計去測量引擎轉速，然後將轉速訊號反轉接到油門訊號上，這樣的話當轉速高時油門得到的是轉速慢訊號，當引擎慢時油門得到的卻是轉速快的訊號，這樣一來油門系統就會作出與引擎變化相反的加減速操作，從而使轉速穩定，因為將測量訊號反相使同，所以叫負回輸，將轉速訊號加大，使修正作用更强的話叫加深負回輸，大到一定程度就叫深度負回輸。但這樣的玩法必然要讓引擎預留一部分馬力為轉速修正服務，用作行駛驅動的馬力就會下降，例如一台100馬力的汽車就會表現出低於100馬力的性能。為此我們只能加大引擎馬力輸出以作補償，相等於在放大器中加大放大率(增益)，但加大馬力之後，同樣幅度的油門訊號就會使引擎輸出產生比之前更大的波動，甚至出現轉速根本沒有變化，只是油門線路受到干擾，而干擾訊號雖然微弱，但也足以讓轉速出現明顯的變化和波動，這種現象在放大器中叫做寄生振盪，為了避免這種情況的出現，我們只有在油門線路中加裝一個濾波器去濾掉干擾噪音，順帶也濾掉了轉速計訊號裡傳來的噪音，但濾波器會降低系統的反應速度，增加反應時間，因此每當有需要突然深踩油門加速之時，油門系統需要等一下才得到傳回來的轉速訊號，在沒有轉速訊號與踩油門訊號互相抵消的這段短暫空白期內，深踩油門的訊號就會變得過大，有可能超過了設計範圍而使引擎超轉產生故障，放大線路也會有同樣的一個過程，當一個快速且强勁的訊號到達輸入端後，輸出端的電壓上昇訊號無法及時返回到輸入端進行壓抑，這會造成輸入訊號過强而令放大線路超載，只不過放大線路會因此飽和而產生削波失真，但卻不會被損毁而已。

大環路負回輸的情況也與此相似，其特點是在放大器的最終輸出端把訊號接回輸入端，這導致訊號必須由終點跑回起點，由於距離太遠，時間上肯定會有所延遲，尤其是合併放大器，由輸入端至輸出端不知經過了多少級的放大線路，再由終端回到起點那可真是馬拉松式的長跑，雖說電磁波的速度達每秒30萬公里，這樣跑法說沒有延遲才是見鬼。

减少瞬態互調失真的方法有很多，例如减少大環路負回輸的深度，或用小環路負回輸(局部負回輸)取代；提高放大器的開環頻率響應；提高放大線路供電電壓以免飽和等等，不說了，再說就變成教學筆記了。

7. 阻尼係數 Damping Factor

這是一個有相當多人都知道的放大器性能指標，顧名思義，阻尼指的其實就是電阻係數，是兩個電阻值之間的比例，即放大器電阻和揚聲器電阻的比例。放大器對揚聲器來說就是一個電源，那電源會有電阻的嗎? 當然有，不要說放大器了，就連發電機都有，因為發電機有線圈，線圈是由金屬導線組成的，金屬導線怎麼會沒有電阻？端看大小而已，當然超導體是一個例外。電源系統的電阻一般叫內阻，它會影響電源的輸出電壓，一部標稱220v的發電機其理論發電電壓是高於220伏的，只不過當電流經過了內部的電阻後電壓會下降一點而已。對任何一個電源來說，只要開始供電，電流流過內阻就會造成輸出電壓下降，誇張一點地說，即使是長江三峽電站總共22500兆瓦的發電機只對一個3瓦的燈泡供電，其輸出電壓也會下降，只不過是微小到測不出而已，但這對放大器和揚聲器組合來說就是另一回事了。

發電機的等效線路圖，Ua是輸出電壓，Ui是原始電壓，電流經過Ra後電壓會下降一點，變成了Ua。所有的電源供電情况都是如此。

放大器的功率一般在數十至數百瓦之間，相比動輒承受上百瓦功率的揚聲器來說，兩者相差都在同一個數量級，因此當揚聲器需求大電流時，儘管放大器的輸出電阻非常低，但也無法避免地會造成電壓下降，而電壓下降則會影響輸出功率或輸出電流的大小，在揚聲器中需求功率最多的是低頻單元，這就會造成低頻音質劣化。有一點要注意的是，揚聲器的阻抗不是固定的，因為揚聲器的線圈會產生電感，即其產生磁場的能力，輸入訊號頻率越高，磁場的南北極變化就越快，對電流的阻力也就越大，這個阻力叫感抗，單位是歐姆，和電阻用向量法合在一起叫阻抗，常見的揚聲器阻抗有4歐、8歐或16歐等等。揚聲器的阻抗值是在1000赫茲的電流頻率下測定的，所以面對頻率下降至數十赫茲的低音訊號時，揚聲器的阻抗有可能會從8歐降至2歐甚至是1歐以下，這幾乎就等於短路。所以放大器和揚聲器之間的阻抗對音響系統是有明顯影響的，我們把它們之間的比例叫做阻尼係數（damping factor）。

阻尼係數不光是影響放大器對揚聲器的輸出，也會反過來影響揚聲器對放大器的輸出，什麼? 乾坤倒轉乎？確實是，在播放過程中，當音樂訊號消失之際，低頻揚聲器的振膜會因慣性繼續震動，迫使其線圈（音圈）切割單元中磁鐵的磁力線而產生電流，變成了一個發電機，這個電流會反向流向放大器，因為在放大器中，尤其是晶體管放大器的內阻極低，百多瓦的級別一般為0.02至0.03歐左右，完全相等於把這個由低音單元變成的發電機短路，低音單元發出的慣性電流固然微弱，但經不住微小電阻的放大，然後這個電流就會在低音單元的線圈上產生很大的發電力矩，從而將線圈和振膜扯停，這個過程在電機控制技術中叫做能耗制動（dynamic braking），其實這沒什麼神奇，它只不過是一個在老佛爺還是美少女時就已大量在生產線上應用的技術。在放大器和揚聲器組合中只是恰好碰上而已。

毫無疑問，膽機因有輸出變壓器，其阻尼係數會顯著的低於晶體管放大器，但聽感卻往往更好，究其原因，還不是其失真會更加悅耳之故，另外還要注意一點，放大器的名義阻尼係數是不計喇叭線的，舉例來說，一部阻尼係數達300的放大器，打算接一個8歐喇叭，如果用一條3米長，截面積為3.3平方毫米的喇叭線，其總阻尼係數可下降至90左右，是不是很多朋友會忽略這一點？所以說任何音響參數只能作為參考，影響音質的因素實在是太多了。

8. 額定功率輸出 Rated Power Output

額定功率也就是所有電器產品的標稱功率。由於音響器材的工作過程相比其他電器不太一樣，尤其是功率放大器，它的輸出沒有一個相對的穩態時刻，所以其功率特性就值得探討一番了。額定功率在電子產品上往往被強調是RMS功率或連續功率，因為它們的輸出是交流電，而且頻率及幅度都是不斷變化的，所以我們計算其連續功率時，必須把這個交流電在單位時間內發出的功率加起來再作平均化，說白了就是計算其平均發熱量。如果這交流電是一個幅度和頻率都穩定的正弦波，我們只需將其峰值乘以0.7071就可以把這個交流電當成直流電來計算，乘以0.7071後的數值就叫做RMS值，學名叫均方根值，也就是把交流電等效為一個直流電，從理論上講，RMS功率這個說法是不正確的，正確的說法是平均連續功率或連續功率，RMS只能用來描述電流和電壓的有效值，兩者相乘後的功率本來就是和直流功率一樣的穩定值。冠以RMS是多此一舉。

有效值其實是將圖中上下兩個山峰的面積相加再除以２，對正弦波來說恰好等於將其峰值乘以0.7071，以220v交流電來說，其峰值是311v，乘以0.7071後才是220v，注意：只有正弦波才是0.7071，其它波形是不能用這個數值的。

和其他放大器參數一樣，輸出功率也是以1000赫茲訊號為標準測定的，但音響訊號的頻率是由20至20000赫茲間變化的，廠家給出的頻率響應圖，即波特圖中的幅頻圖，往往是非常平直的，但失真呢? 從低頻至高頻都一樣嗎? 不可能的，所以放大器還有一個重要設計參數叫失真功率帶寬，其測定標準也不複雜，就是先測出1000赫茲時額定功率輸出的失真，比如說0.15%，然後將功率降一半，即3dB，之後再將頻率上下調整，由於放大器的失真是中頻最低，高低頻兩端升高，因此我們就可以測出那個高頻和低頻的頻率其失真是0.15%，這個範圍就是功率帶寬，有些負責任廠家會給出這個參數的。這個參數的曲線圖是一條中間下凹的弧線，最低部分是中頻，然高頻和低頻兩端都往上翹。

之前說過，廠家給出的額定功率是平均連續功率，指的是當訊號幅度變化不大時，能作長時間輸出的功率，例如流行音樂，但對於大動態的訊號來說，情況就不一樣了，由於來自於CD或是前級等的音樂訊號的功率很低，因此一定是一個較小的電壓訊號，例如前級一般是0至10伏的輸出，這個訊號到了功率放大部分時，線路就會輸出一個較高的電壓，因為放大器是定壓輸出系統，會按訊號强弱去調整電壓，至於電流則由揚聲器自行决定，能給多少就給多少，例如用100瓦去驅動一個8歐揚聲器，100瓦時的電壓約為28伏，相應電流則為3.5安培，但我們平時聽音樂那會用這麼大的功率，10瓦就很大聲了，10瓦時的輸出電壓會降至8.9伏左右，電流則為1.12安培，這可是用1000赫茲時的數據所計算的結果，但音樂訊號是交流的，在低頻時揚聲器的阻抗有可能由8歐降至1-2歐，同樣是8.9伏的輸出電壓，對一個2歐阻抗來說，放大器的功率會自動增至39.6瓦，電流則上升至4.4安培，比100瓦對8歐時還要高，如果放大器的瞬態供電能力不行的話，低頻段不削波才有鬼。幸好揚聲器阻抗降到如此之低的情況不多見，而且品質好一點的放大器都有著2倍以上的峰值輸出功率，一般都不成問題。

放大器的規格參數就說到這兒吧，工程上要考慮的參數不止於此，但對非工程人員來說那就變成鑽牛角尖了。所以下次就打算說一些其它的，要不就說一說真空管和電晶體放大器的分別吧。

作者 Raymond Wong 的資歷：

• 英國工程學會會員，電機工程專業

• 香港工程師學會正會員，自動化控制及儀器儀錶專業

• 香港機電工程署高壓及低壓電力系統無限容量註冊電業人員（REW）

• 香港理工大學工業中心講師

※ 本文輯錄自【音響技術】2024年11月號第518期 ※