转 晶体管功放的今生前世 勃总

青竹戴雨

    众所周知设计功放是一门黑色艺术, 简单的讲就是当设计者在首次完成自己的作品时, 根本无法知道这台功放的声音表现如何? 有的机器经受住历史长河的考验,几十年后人们对这机器的声音还津津乐道, 有的机器尽管出自名家之手, 面市不久就被人遗忘. 声音的艺术具有较强的主观特点, 因此回顾一下晶体管功放的发展历史, 使我们更能透过纷纭杂乱的表面, 看到各种各样的电路, 元件, 工作状态的设定对功放声音的影响。尽管所有的教科书对此都是避而不提的, 但是这些现象在现实中的确存在且经常引起争论。看来重温一下历史对设计者和diy爱好者都有着较大的借鉴意义。

    1.最早期的晶体管功放是相当糟糕的, 在晶体管被发明以后, 人们追不及待的想用它来代替电子管功放, 当时电子管功放的电路相当成熟, 其缺点是体积大, 重量重, 发热量高, 携带也不方便。但是当时晶体管都用锗制造, 这种锗晶体管其本身的穿透电流大, 噪声大, 线性非常差。由于这些管子耐压才只有十几伏至几十伏, 反正不会超出40-50伏, 输出功率才几瓦至十瓦, 音质不能与同期的电子管功放相比。其放大电路形式二级放大外加输入变压器, 二枚P极性的功率管推换带输出变压器来完成末级输出。这类功放的形式根据功率大小分别被用于便携式晶体管收音机, 录放机和一些落地式音响设备,这些功放多为单声道结构, 音质很不理想也是自然了的。

    2.60年代末至70年代末的晶体管功放, 随着材料科学的进步, 晶体管的制造工艺有了突飞猛进的改善, 硅晶体管开始全面取代锗晶体管。一些高反压, 高特征频率, 大功率的晶体管登上舞台, 于是晶体管功放的电路形式有了根本的改变, 无输出变压器的OTL和无输出电容的OCL电路的晶体管功放成为市场主流产品。OTL电路革去了输出变压器, 拓展了频响, 与此同时电路的负反馈被进一步加深, 谐波失真降到很降的水平, 由于这类放大器采取级间直耦, 负反馈深度大致在40-60DB之间。至于OCL电路采用正负供电，输入级通常用差动放大电路来保证功率管中点输出为零电位。电路的对称性被进一步加强, 从含有自举电容和输出电容的OTL电路到取消了这些电容的OCL电路实在是在技术层面上迈进一大步。输出级只不过还是准互补的, 不过这也没有关系, 随着时代的进步,PNP极性大功率管的问世让电路看起来超级完美。但资深的音乐爱好者听了那个时代的所谓高保真立体声功放都一个劲摇头, 虽然功放的品牌各不相同但声音全一个味, 冷、硬、干涩, 缺乏灵动, 乐感呆滞是这些功放的固有特征。俗称〝晶体管声〞。那些老式的电子管功放在声音表现上依然占尽上风, 。

    3.负反馈理论与瞬态互调失真的发现, 在一个偶然的机会中, 因电路焊接错误,北欧的科学家奥托拉发现那台焊错的放大器的声音要比没焊错的好太多, 其原因在于它的负反馈较浅。研究下去一个有趣的结论产生了, 一台被施加了深度负反馈的放大器, 用失真仪来测试, 静态指标相当完美，但并不动听。

    原因在于放大器的负反馈通道产生了延迟作用, 由于放大器采用了高达40-60DB的负反馈, 为减少由深度负反馈所引起的高频寄生振荡，放大器一般要在推动级的晶体管集电极和基极之间加入一个小电容，使高频段的相位稍为滞后，但无论电容的容量如何小，也要有一定时间来充电，当信号中含有高速瞬态脉冲时，电容充电速度跟不上时，这一瞬间线路是处于没有负反馈状态，这个时候由于输入信号没有和负反馈信号相减，造成信号电平过强，使放大线路瞬时过载（Overload），由于石机负反馈量大，过载强度更高，常达到几十倍以上，此时输出信号会出现削波（Clipping）现象，瞬态互调失真由此产生，由于放大器中这种失真出现最多，因此该失真常被称为“晶体管”声。

    当这一理论为音响界所认同时, 各种新型结构的放大器层出不穷, 随着CD时代的到来, 低失真低效率的扬声器开始流行, 一个功放的新世界来临了, 只有在这个时代晶体管功放对电子管功放取得了巨大的优势, 各种分体前, 后级高级功放, 动不动就输出1,2百瓦的功率的大功率放大器也屡见不鲜, 一些音质超群的, 热气腾腾能耗巨大的甲类功放被标榜为具有巨大推动力和觉美音质。人们开始不计代价的开始追求音质了。

   

青竹戴雨

    4.CD时代的晶体管功放, 晶体管功放是在CD时代走向辉煌的。这是因为CD唱片具有信噪比极高, 动态对比极大的特点。以前在LP和磁带录音机中被噪声淹没的细节在CD中纤毫毕露, 为了对付这些新的特点, 扬声器和以前大不一样了, 它们多数被设计成低失真低效率, 这就迫切需要一些功率输出强劲同时保持极低的晶体管功率放大器来推动这样扬声器。和以前不同的是输出功率更大, 频率响应更加平直, 附加的音调和等响度功能大多都被取消了。        当人们更加对负反馈理论有了更加清晰的认识, 开发了各种电路来抵消瞬态互调失真所带来对音质的负面影响, 原先认为的深度负反馈是所谓〝晶体管声〞产生的元凶应更改为不适当的电路结构带来的负反馈才是〝晶体管声〞产生的元凶。这是由实践所证明的, 事实可以证明当放大器的最大允许输入得到明显改善时, 放大器的上升速率足够快时, 瞬态互调失真是可以被完全控制在可以接受的范围内。
    例如在低端普及型功放NAD3020PE中设计者用了自己发明的柔性剪峰和气囊功率输出电路，前者通过对输入信号的修剪作用来避免信号过载，后者通过在更大输入信号通过时提高功率输出级的电源电压来增强输出。这种手段是极为有效的，它让这些低端机听起来音响效果更加柔和丰满，同时能推动AR620这种座地密闭箱。在更加高一点档次的中端机中英国的AUDIOLAB8000系列则成为中端功放的标杆, 这台功放的设计和调音可谓独树一帜, 它采用了两级差分输入电路, 多级放大, 在每级都有对输入信号实行箝位修剪电路, 输出电路十分强劲, 能驱动百变龙SL6I这样难缠的音箱, 有很多号称驱动力强大的功放在百变龙SL6I的随频率急剧变化的阻抗面前溃不成军。这就使AUDIOLAB8000系列功放声誉鹊起, 成为中端功放中的常青树。
    通过拆解大量的中端英制功放, 可以发现这样一个有意思的现象: 它们的设计者都喜欢使用二级差动放大电路, 其原因在于二级差动放大电路能有效隔绝电压推动级与输入级的状态牵扯, 多了一级缓冲电路, 允许更大的信号加载在功放输入端, 在声音上的表现就是声音具有一定的厚度而且细节丰富, 英制功放虽然品牌效多, 但它们的声音走向大多相似, 在声音温暖流畅的同时保持住一定的驱动力, 这点是这些功放最大的卖点。而英国另一比较有特点的NAIM AUDIO功放则把功放的调音技术发挥到了极点, 从它的电路来看平淡无奇, 标准的九管OCL电路, 市面上很多山寨劣质功放都是这个电路结构, 更匪夷所思的是NAIM把输出的工作点设置在乙类, 一点都不热。
    如果单从上述描绘来看可得出这台功放一定不好听, 可没人讲NAIM功放不好听。NAIM的设计师匠心独运, 利用交越失真和开关失真这一在声音边缘有毛刺的特点, 用八级泥水匠的功夫抹平一切, 把这些毛刺变成即透明又活泼的声音, 实际做法是大量衰减高音,NAIM功放的主滤波电容必定是BHC电解, 因为该品牌电容音色很暗且浓郁的化不开, 用在原始声音单薄而有毛剌的电路上能掩盖掉原电路声音的特点。另外NAIM的设计师巧用反馈支路落地电容的容量大小和品牌特性来调整声音活跃和弹性, 并用电路板走线之间的间隙的来设定消自激的小电容, 加上一个高品质的英制TALEMA的环形变压器, 要让NAIM功放难听都不容易, NAIM功放最大的特点就是声音透明和鲜活, 凭这一点就可卖得很贵。NAIM的设计师很聪明, 这一切都建立在几十瓦输出功率基础之上, 大了就不好办了, 所以NAIM AUDIO功放即使是采用前后分体形式的还是只有几十瓦。
    原先早年有个叫ROTEL台湾品牌的功放, 他家的设计思路有些像NAIM, 滤波电解也是昂贵的BHC, 大量使用已停产的BG电解, 只是声音不如NAIM做的那样好, 但它的价格平易近人, 过去也有成功产品。如果提起大功率高级功放的代表那就是美国的马克列文森和KRELL功放, 早年马克列文森的功放为音响界的HI-END树立的新标准。马克功放无论是前、后级都无一例外的采用场效应管全对称的输入级, 之后每级放大都是全对称全互补电路, 马克的成功在于他的低益多级放大的理念, 首先马克的输入级是用场管构成的全对称全互补的放大电路, 这样的电路虽然复杂, 带来的好处是显而易见的。这样的输入电路输入阻抗高, 高频响应好, 输入动态余量大, 在声音具体表现上就是细节好过那些单端输入放大电路, 至低增益多放大更是马克取得成功的法宝。
    马克的功放每一级放大都开环增益很低,略加负反馈后, 电路性能非常稳定且相移很少, 每级放大电路之间插入缓冲级, 有效的避免了前后单元的干扰, 当加上环路负反馈时. 因相移控制严格, 瞬态互调失真被控制在极低的范围内, 声音细节多, 弱音表现完美, 背景漆黑一片莫不归功与此。不仅如此, 马克为追求完美在音量控制电路上早期使用了极其昂贵的P＆G导电塑胶电位器, 后期则用精密数字音量电位器来避开那些音染和失真。马克列文森功放的末级输出早期甲类, 高偏流甲乙类为主。近年来末级偏流有下降趋使, 马克用了极其复杂的偏流控制来避免甲乙类随输入信号增大减小进出甲类工作区产生的特有失真。强劲而快速的电源为马克列文森功放奠定了好声基础。
    5.综上所述可以得到这样的结论，回顾一下晶体管功放的发展历史，就是一部材料科学发展和应用的历史，各种先进而完善的电路的基础是材料！不能脱离现有的材料去设计电路。另外设计和制造功放是一个系统工程，只有懂得平衡，取舍某些性能才能取得成功，例如我们认为瞬态互调失真是功放的大敌，而不是说只要把这一个方面做好就是一个完美的功放，还有很多因素如功放的外观，音色，整体流畅等等，目前尚未有一种具体数据能衡量功放是否完美动听，只好依赖人的大量实践行为去完善这一领域。