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纯A类功放的爱与恨



自古以来所有的音响设计对A类放大器无不又爱又恨。
 
截至目前,音响迷所用的功率扩大器大多数为AB类放大器,有一些人则使用更好一点的动态A类放大器,鲜少人真正领略过纯正A类(甲类)功率放大器。纯A类真有那麽好吗?动态A类无法取代纯A类吗?AB类难道无法比纯A类好听吗?有没有纯B类放大器?新的D类放大器难道无法超越传统取代传统放大器吗?又怎麽样才叫做纯A类呢?
 
类比放大器发展至今已近100年,最早被发明并且使用的是A类放大器,最终被怀念的还是A类放大器,到底A类放大器有什麽魅力能如此纵横音响界近百年,在音响迷与音乐家中取得屹立不摇的地位。
 
纯A类往往让放大器设计师又爱又恨,它的优点不多但缺点却是一堆如:效率低、高发热量、高成本、体积大、重量高、耗电量大等等…几乎不好的它通通第一名。然而它的优点只有一个,那就是近乎完美的特性,而这个完美也是第一名,至今没有任何一种类型的放大器可相比拟。(纯A类的缺点虽多但这些缺点几乎跟声音无关,而它的优点却是声音最直接与重要的)
 
一、纯A类存在的价值在于:正视问题的本源
 
正视谐波对声音(音乐)本质的破坏:
 
在音响规格书中有一项重要的规格THD(Total Harmonic Distortion)总谐波失真其单位是百分比,例如0.01%,这个值只是一个加总。并不能代表两部失真率相同,功率相等的机器其声音就会相同。因为即使失真率相同其谐波的成分也不会相同。就自然界与人耳结构而言。偶次谐波失真是人类耳朵较能接受的失真,其因一般的乐器本身即会产生偶次谐波。相反的奇次谐波失真则会令人耳感觉吵杂不堪。概因乐器本身的奇次谐波成分不多并且往往在分裂时才会存在,故一个音乐讯号经放大器放大之后原本没有奇次谐波,莫名的多出了奇次谐波,这是一种严重变质会导致所聆听的音乐已不再是原来的音乐。所以一部完美的放大器就是没有失真,但以目前的科技而言这是不可能的。而A类放大器是唯一可以使奇次谐波失真几乎不存在的放大器。
 
正视功率放大器的本份:驱动喇叭
 
大电流设计已是功率放大器的代名词:几乎所有高级器材都标榜著大电流设计,然而何谓大电流设计?则似乎从没有个明确的交代与定义。一般而言,喇叭单体不是电感性就是电容性元件。这种元件要驱动它不只是要有电压,更需要的是电流。而且电感性与电容性元件还有一个奇特的特性就是电压与电流的需求有一个时差,就相位而言一个是电压超前电流90度,一个是电压落后电流90度,这种特性对一般放大器而言就会产生严重的致命伤。也就是无法适时的给予喇叭适当的电流予以驱动,当然这也是一种失真。所以大电流设计的定义不应在于电流输出有多大,而更要重视的是适时给予喇叭所需的电流。在纯A类放大器中有个缺点那就是高耗电流(静态电流为最大驱动电流的1/2,在一般开机后閒置的状况下这是一种无谓的消耗,同时也因此而产生了一股巨热)但这对喇叭而言却是电流需求供给的最佳保证。因为纯A类放大器本身内部线路平常就有很高的电流流动著,要应付喇叭这种电流相位时差可说易如反掌。
 
正视迴转率的重要性:
 
迴转率是指放大器在每微秒(0.000001秒)的时间内电压能够变动的幅度其单位是v/us。当钢琴用力敲下的那一刹那声音从无声变成有声,其间的转变是非常快速的,一部优秀的放大器需要马上反应并且让喇叭完全做动,这端视著放大器的迴转率、暂态反应与功率转换能力,由此可知迴转率低声音便不会像真的一样这也是一种失真,一般而言:SR(迴转率)与重播品质有下列的关系当
 
SR小于0.5v/us时:声音是模糊不清、听不清楚,并已严重失真。 
 
SR 于 0.5~2v/us之间:声音没有层次,有明显被压缩的感觉。
 
SR 于 2 ~ 4v/us之间:音乐没有优美感,要仔细聆听才能分辨出乐器与乐器间的差异。
 
SR 于 4 ~ 8v/us之间:已可约略听出乐器的质感。
 
SR 于 8 ~24v/us之间:乐器开始有光泽也可感受音乐的优美。
 
SR 于 24以上 :可以算是一种传真了,真实与重播之间的差异
 
一般人耳已无法分辨。
 
由此可知迴转率与重播的传真度有绝对的关系,当然越高的迴转率对音响重播无疑是一件好事,但要设计出超高迴转率的放大器无疑的也是一种困难。因为这需要有优秀的零件,精良的电路架构与良好的工作环境,对一部设计精良的纯A类放大器而言,这些考量都只是最基本的功夫,概因设计纯A类时对各个环节的要求与考量几乎都是最严苛的。
 
正视半导体的非线性转换曲线:
 
任何放大器大多需要主动元件(真空管或半导体)而言这些主动元件在放大的过程中都有非线性的转换特性。这种特性就是失真的本源。以B类而言:电晶体的转换曲线刚好在转折点上这也造就了大家所熟悉的交越(叉)失真,相反的A类的设计就是使电晶体动作在最直线的部分当然其失真也是最少,至于AB类则是介于A类与B类间的一种折衷选择。
 
正视频率响应:
 
人耳的听觉神经主要能听到的范围约在20hz~20khz所以高于20khz的频率,我们是听不到的,然而现今几乎所有放大器的频率响应都是标示著20khz到数百khz,其实几百khz不是重点,重点是相位有没有漂移,波形有没有失真,不要以为100khz即时有失真人耳也听不到所以没关系,所有的放大器因使用了主动元件的关系(主动元件会有非线转换特性)所以会产生所谓的内调失真(Intermodulation Distortion),也就是将两个或两个以上的频率信号同时送给放大器放大时,彼此产生相互调制,结果出现了多个相当于原来两个讯号频率之和或差的新频率,例如将99khz与100khz同时放大则放大器因非线性的关系会产生1knz与199khz的两个新频率,199khz人耳听不到没关系,但1khz就可能造成听感上的不适。这个新产生的频率,在原来的讯号中并不存在,当然也是一种失真,以纯A类而言这种互调失真是可以做到相当低的,别忘了A类就是动作在最直线且失真最小的转换曲线上。
 
在现实的声音讯号中,音乐讯号往往是由很多的频率同时组合而成,而其泛音结构更往往可能高到数十Khz甚至数佰Khz。这也就是新的讯号源SACD、DVD.A要把频率范围上调到数十Khz甚至到100Khz的原因。但这个目的绝对不是因此您就能听到100Khz的频率,而是为了避免去破坏音乐的泛音结构。相同的放大器频率响应到200Khz其目的也不是为了让您听到200Khz或者高音更多。而是为了避免高频域的失真使人耳聆听的频域受到影响而变质。
 
正视所谓的发烧:温度
 
纯A类让人马上联想到的就是它的高温,大多数发烧友认为放大器要烫才会好听,其实太高温对零件而言并非一件好事,然而发烧友的认为基本上并没有错,这之中的矛盾点到底在哪?。首先纯A类一定会发热,而会发热的机器不见得就是纯A类。纯A类之所以会发出高热那是因为纯A类放大器一开机之后其内部线路会使电晶体(主动元件)处于最佳的转换曲线工作点。也就是说此时电晶体已经流有相当可观的电流,等待著讯号的到来。这可观的电流我们俗称它为静态电流。将静态电流与供应电压相乘之积就是消耗功率,以一50W输出功率的纯A类放大器而言其消耗功率约需150W。两声道加起来就需要300W,而这300W的消耗功率就是纯A类发热的来源。
 
至于〝太高温〞,以人类的触感而言50度以算是高温,60度以算是烫,70度一般人很难触摸超过5秒,但这种温度对大多数製作良好的零件而言并不算太高温,一般的零件大多可工作到一百度甚至两百度,所以区区数十度对零件而言可说是小意思。又以电子的角度而言,适当的温度有助于电子更活耀,一般而言电晶体于60~80度之间因电子的活耀度增加可使其 fT (增益频宽积)更好。这也就是机器要热机之后往往会更好听的原因。虽说温度上升热噪讯也会上升,不利于整体性能,但熟重熟轻就全看设计用途而设定了。不过太高温(80度以上)毕竟不是一件好事,有些只注重外观而设计不良的机器,外表虽不热其实内部晶体热的很那更是要不得,理想的机器是里外热度均一,约在40~60度之间,这代表著机箱要有良好的导热系数。也就是散热片够大并且外置,或者利用风扇帮助散热。
 
正视高传真:
 
高传真这三个字对现今的音响玩家似乎已不具吸引力,现在大家都只在乎所谓的 Hi END ,但从某些角度而言高传真比 Hi END 来的更确切也更难达成,因为Hi END 的定义较为模糊,而且与价钱有直接或间接的关系而高传真的定义则很明确而且直接与声音有关系。
 
要达到高传真首先就是要降低失真,而要判别是否高传真那就得先认识真实的声音。
 
要找到电子的设计专材不难;要找对乐器调音专家不难,但要找到电子的设计与乐器调音兼具的全才那就难了! 必竟这是两门完全不同的专业。因此在製作音响与判别声音正确与否的过程中出现了盲点。这便使高传真音响的设计与製作变得更难,也更複杂。100年来科学家们致力于高传真重播器材的製作,也陆陆续续订定出一些规格用以辅助音响器材的製作。但我们可以说这些测试规格,可能还不够周详,因此无法就规格的好坏来完全断定传真与否。也就是说规格做的好离高传真可能还一段距离,然而规格做的不好失真大,那就离高传真更遥不可及了。而纯A类的目的就是以降低失真把规格做好为第一优先。
 
为了这个目的,纯A类也付出了相当的代价,或许我们可以说这是一种浪漫,一种为了追求完美而不惜重资的浪漫。而这种浪漫的可贵在于它是有理论根基的追求完美,不似某些Hi END商品一般,只为浪漫而浪漫的天马行空。



二、付出代价的纯A类
 
为了得到良好的重播特性,纯A类成就了几乎完美的规格。然而这是需要付出一定代价的,在此我们得先从B类放大器谈起。
 
先人的智慧B类放大器:
 
B类放大解决了纯A类的致命伤(低效率),在那个能源危机的战后、耗电量大的产品变的非常没有经济效益,如果能设计出省电且输出功率又大的产品一定更有商机,于是B类放大 器被设计出来且快速的取代了A类放大器。
 
可是很快的,人们开始发现B类放大器没有A类那麽醇厚耐听,且声音变的吵杂、噪耳……,也就是说B类放大成就了高功率与高效率但伴随著失真也大幅的增加了。
 
折衷选择,AB类放大器:
 
由于B类放大器的失真最主要是来自于交越失真,如果能损失一点功率而求得低失真是很值得的做法,于是AB类放大器改进了B类的交越失真,成为市场的主流。所谓的AB类放大器简单的说可以算是A类与B类放大器间的折衷选择。
 
然而事情似乎没那麽单纯,AB类仍然存在著刺耳的因素(高次奇数谐波),也就是说在B类放大器中有一种重要的失真,AB类放大也无法克服,那就是转换失真(switching distortion),B类推挽放大的工作特性是当正半週放大元件处于导通时负半週放大元件是处于截止的,当轮到负半波讯号来临时负半週放大元件必须先从截止状态恢复到预备导通状态再进入导通状态,此时负半波才能被正常的放大,反之亦然。也就是说正负半週转换的过程中是需要一些时间来使放大元件处于准备状态,这种于正负半週的转换处所产生的失真即为转换失真。
 
种种努力之后的结晶:动态A类. 
 
前文所述我们已然知道,不管是B类或者是AB类都无法改变放大元件于正负半週导通与截止所产生失真的事实,在鱼与熊掌难以间得的状况之下,电子线路科学家们用心思索著如何能在同一线路里同时拥有A类的低失真与B类的高效率,在种种努力之下,于1982年动态偏压A类(DYNAMIC BIAS CLASS “A”)正式问市。
 
它的优点是 拥有A类超低失真的同时又能如同B类不发烫的高效率,而其做法是设计一组浮动的偏压网路使放大元件可以随著音乐讯号的大小而自动改变其偏压的大小,简单的说就是当讯号小的时候,静态电流就小,相反的当讯号增大,静态电流也跟随著增大,如此使放大元件永远跟随著讯号动作再适时的A类状态,而不白白浪费电能,这是一种聪明的作法。
 
之后与动态A观念相仿的众多新A类如雨后春笋般一个又一个的被快速发展出来,如:Threshold的动态A类, PIONEER 的Non Switching , Technics 的 New Class A(synchro-bias)与浮压A类,JVC的Super A , Onkyo的Linear Swinthing,KRELL的浮动A类等….,严格来说这些新A类放大器不论从设计方向,工作方式,偏压大小都与纯A类放大有别,却因都具有Non-Cutoff的特性而在失真方面能与纯A类相比美。因此不能因为它们不是存A类而否定他们的好。
 
认清问题:声音的本质
 
动态A类的研发成功是音响放大器的一项重大突破,它是一种新A类,当然就会有人将它与旧A类(纯A类)相比较。虽然从理论的角度来看它们都是A类,但实际的比较之下他们还是不相同(即使是同一线路架构之下进行比较),纯A类在大多数的状况下还是优于动态A类,于是问题终于慢慢且清晰的浮现出来。那就是对声音本质的认知。
 
从傅立叶级数的分析中得知,每一个波它等于是基本频率f,二次倍频f2,三次被频f3….重叠而成。e=E1sinωt + E2sin2ωt + E3sin3ωt+…..。这代表著失真低只是放大器的基本要求,谐波因素要对才是重点。前文说过,自然界中声音大多都含有偶次谐波而少有奇次谐波,而在放大器中纯A类由于放大元件永远保持在最直线的工作点,所以理想的纯A类放大器,其产生的谐波也仅有微少的偶次谐波而绝少有奇次谐波的存在,所以能得到更醇厚的声音。
 
付出代价的纯A类,永远的参考机种
 
半导体,电子零件的日新月异,纯A类的特性也一直在进步著,只是这种用高成本所堆砌出来的机种一直无法受到一般音响迷或乐迷所採用,毕竟售价实在高昂。试想!一部纯A类50W的功率放大器其重量、体积、散热面积、供电能量…等,可能是一般放大器的数倍或者数十倍甚至百倍之谱,想要多麽平价对生产业者而言,是一大难题,再加上「市场有限」的恶性循环,纯A类慢慢变成音响厂家最不想做也不敢做的稀有机种。
 
不过它的好声却是公认的,高级音响厂家大多会拿它来作为新旧机器间比较的参考基准,高级喇叭厂则用它来驱动新开发之喇叭,用以求得最完美的声音与极致的表现并作为改进的方向,录音室拿它作为录音中或后製作业的监听器材,用以求得最好最真实的录音,杂志社的评比过程中更是常拿它作为参考机种,务期做出最客观的评论。
 
然而纯A类在市场上的命运虽然精采却不若一般放大器那麽风光,诚如之前谈到的它的好处只有一个,而几乎所有的缺点它都有。因此在市场行销上除极少数机种能有不错成绩之外,其馀大多仅能少量生产,在效率与效能的竞赛中,纯A类显然不是成功者,因为它的成就只有单方面,那就是完美的声音。
 
所以当您有机会接触到正统纯A类时,请您用心的去聆赏它所释放出来的声音美学,因为它正代表著一种浪漫、一种精神、一种不惜付出代价只求完美的精神、一种只为美声而不妥协的浪漫。

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