音频碎碎念(八)—— 放大器输出级

今日Hifi玄学:终于看到了放大器的输出级。但越看越觉得这玩意就是一门玄学。。一些笔记和感想:

  1. 阻抗匹配:音箱的阻抗会随着频率大幅变化,比如一般标称8欧姆阻抗的音箱,实际的阻抗会在3欧姆到40欧姆之间变化。相比之下,电子管放大器的阻抗一般大于0.4欧姆,固态放大器一般在0.08欧姆附近。所以这俩一串联,音箱分配到的能量可能会有1分贝的变化,非常可观,会影响听感(等于加了一个EQ)。而且这玩意很难事先纠正,因为第一放大器自己的阻抗也会随着频率变化,第二每个音箱/耳机的阻抗随着频率变化的方式也不一样。这就是爱好者说的器材的匹配。有可能某个放大器和某个音箱阻抗分配以后带来的EQ正好就很好听,也有可能另一个组合就很难听。
  2. 我们经常听到的甲类功放,乙类功放,甲乙类功放说的就是放大器的输出级。上一次也提到,输出级第一是把放大器的输入阻抗降低,来降低阻抗匹配的难度,一方面也解决了一些现实的工程难题——能量转化效率。相关的资料比较多,这里不再讨论细节。只是想分享一个教材的对比。国内教材一般会说,输出级有甲类,乙类,甲乙类,分别有什么优缺点,用在什么地方。框架是告诉你一些现成的知识。但国外的教材会让你重走这个发明的过程,最简单的设计是甲类,但能量利用率太低了,所以可以改进一下,变成了乙类,但这样又有交越失真,所以又改进变成了甲乙类。但有时候这种设计能量利用率还是不够,比如特别高频(MHz)的时候。所以又有了G类。就一步步让你懂了为什么会有这样的设计,等于跟着重新发明了一遍放大器输出级。体会自然就深很多了。D类输出级是另一个大坑,主要的好处是跟数电结合起来,有了无穷多的数字芯片可以使用,坏处是频率也因此高了很多,就是一个行走的干扰源。
  3. 所以放大器整体就介绍完了,下面主要分析放大器的失真到底来自哪些方面。之前就提到过,放大器本身的增益会随着频率,电流/功率,温度而变化,引入失真。输出级还会引入额外的失真,比如乙类有交越失真,甲类特别烫有温度引发的失真。不同器材的匹配比如阻抗特性也会引入失真。

下面是一些思考。

  1. 令我很意外的一点是,放大器的设计学得越多,越觉得它是一门玄学(It’s more like an art)。比如在看教材的时候,它会给很多经验性的东西:这个电容不要小看它,一定要用贵的。这里电压虽然只有几V,但买电容的时候要买耐压50V的。这个电阻温度随着温度一变,失真就上去了,但是你可以把它贴在别的发热元件的散热鳍片上,这样温度就稳定了。就非常骚你知道吗。还有一些地方教s材会建议宁愿引入一些额外的失真,也要这样设计,因为可以改善负反馈电路在某些极端情况下的稳定性。所以我因为两点原因觉得玄学:第一是这个东西牵扯到的因素太多了,也不像软件那样可以写程序系统性穷举,快速迭代,所以都是老师傅口耳相传,你知道一个技巧,做出来的就比别人好。就好像50年前的镜头设计。第二是里面的权衡(trade off)实在是太多了,很多时候这甚至是很主观的东西。比如前面说的失真和稳定性的权衡。什么情况下负反馈电路会失稳震荡?要牺牲多少失真来换取稳定性?0.001%?0.01%?0.1%?没有一个确定的单一的客观指标来指导我们取舍。
  2. 这又牵扯到另一个问题,哈曼神教。顶着“理性Hifi科学派”的帽子的哈曼神教的主要观点是,测SINAD/THD/频响等几条简单的曲线就可以给放大器排序了。这个其实是非常不科学的。比如上面的例子,老师傅会把一个温度敏感的电阻粘到发热元件上,这有个trade off是需要暖机。这个放大器可能需要开机15分钟,等元件都热起来到达预定温度了阻值才准,失真才小。但一旦暖机了,不就比没有这个设计的放大器失真更小了。其他放大器也有可能今天室温正好就是设计温度,失真很小。到了冬天就不行了。总之这里面指标太多了,需要非常系统的测量。哈曼神教整体思路我是支持的,但一方面测量过分简单,一方面过分自信/迷信,攻击观点不同的爱好者搞玄学,这就不好了。不过这也许反而是科学派的好处——它可以证伪。
  3. 所以学了半天放大器设计,声学工程,最终结论是这玩意是个玄学。那有啥用呢?我觉得有两个作用,第一是吃过见过,建立一个基本的正确观念,看到伪科学的时候就可以鉴别。比如不论是科学派还是玄学派讲到集肤效应,电磁干扰,阻抗匹配,鸭类功放的时候,都知道是什么意思,不会被忽悠。第二是有个大概的判断哪些东西是重要的,哪些东西是不重要的。比如玩音箱听音环境是重要的,但(非D类)放大器电磁屏蔽是不重要的。网上绝大多数文章说的阻抗匹配(匹配阻抗的数值)并不重要,但是匹配阻抗随着频率变化的曲线很重要。当然,这些可能主要是抵挡商家宣传话术的时候用,最终还是得去店里实际听,喜不喜欢自己知道。

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