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发表于 2015-12-29 15:10:16
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談阻抗
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阻抗是音響圈中最常看到的字眼了，但是它到底意所何指呢？許多人在看到喇叭標示的阻抗值是四或八歐姆的時候，會直覺地拿起三用電表往喇叭的二個接線端子一量，看看到底是不是正確，可惜的是絕大部份的人都失望了，因為用三用電表上的電阻檔量出來的結果並沒有和喇叭上面所標示的一致。原因呢？因為你誤會了，你搞錯了。 ' t z5 v* s) y6 p# Z! v" d% H9 d o
& R- U+ y( e) k+ H 阻抗與電阻不是完全一致的東。在國中的物理課本上，我們第一次接觸到有關電學方面的理論，其中提到了有關電壓、電流、電阻以及電功率之間的原理和數學關係。絕大部份沒有繼續進修電學方面的課程或從事於電子專業的人士，其畢生的電學常識乃盡粹於斯，這還是當年上課沒打瞌睡，經努力、認真、用功學習後才能擁有的輝煌成果，難怪你會把阻抗當成電阻了。
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# D+ {+ ^5 Z( d9 ~, Z 阻抗從字面上看就與電阻不一樣，其中只有一個阻字是相同的，而另一個抗字呢？簡單地說，阻抗就是電阻加電抗，所以才叫阻抗；周延一點地說，阻抗就是電阻、電容抗及電感抗在向量上的和。在直流電的世界中，物體對電流阻礙的作用叫做電阻，世界上所有的物質都有電阻，只是電阻值的大小差異而已。電阻小的物質稱作良導體，電阻很大的物質稱作非導體，而最近在高科技領域中稱的超導體，則是一種電阻值幾近於零的東西。但是在交流電的領域中則除了電阻會阻礙電流以外，電容及電感也會阻礙電流的流動，這種作用就稱之為電抗，意即抵抗電流的作用。電容及電感的電抗分別稱作電容抗及電感抗，簡稱容抗及感抗。它們的計量單位與電阻一樣是歐姆，而其值的大小則和交流電的頻率有關係，頻率愈高則容抗愈小感抗愈大，頻率愈低則容抗愈大而感抗愈小。此外電容抗和電感抗還有相位角度的問題，具有向量上的關係式，因此才會說：阻抗是電阻與電抗在向量上的和。
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一般音響器材常見被提到阻抗的地方有喇叭的阻抗，前後級擴大機的輸入阻抗，前級的輸出阻抗，(後級通常不稱輸出阻抗，而稱輸出內阻)，信號導線的傳輸阻抗(或稱特性阻抗)等。若說到器材內部電子線路及零件的各部份阻抗那就更琳瑯滿目複雜多多了，非三言兩語可說明清楚。在此我們專只約略介紹有關音響器材標示的阻抗具有什麼樣的實質意義。1 q4 Z1 e5 Y* x1 d- ~# x3 _& ~
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由於阻抗的單位仍是歐姆，也同樣適用歐姆定律，因此一言以蔽之，在相同電壓下，阻抗愈高將流過愈少的電流，阻抗愈低會流過愈多的電流。光是這麼簡單一句話，你可知道多少音響器材的搭配學問盡在其中嗎？' h& f" K; N V/ E$ z* p4 V
, S1 @% e9 X3 ~ C( e/ m7 [9 A5 L 先從喇叭的阻抗談起。最常見到的喇叭阻抗的標示值是八歐姆，也有很多是四歐姆，這代表了什麼呢？這代表了這對喇叭在工廠測試規則時，當輸入1KHz的正弦波信號，它呈現的阻抗值是四或八歐姆；或是是在喇叭的工作頻率響應範圍內，一個平均的阻抗值。它可不是一個固定值，而是隨著頻率的不同而不同，甚至可能會起伏得很可怕，可能在某頻率高到十幾廿幾歐姆，也可能在某頻率低到一歐姆或以下(這種喇叭通常被視為後級的殺手，當年以Apogee最為著名)。好，讓我們來腦力激盪一下；當後級輸出一個固定電壓給喇叭時，依照歐姆定律，四歐姆的喇叭會比八歐姆的喇叭多流過一倍的電流，因此如果你會計算功率的話，你就會明白為何坊間會傳言一部八歐姆輸出一百瓦的晶體後級，在接上四歐姆喇叭時會自動變為二百瓦的道理。
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9 ^$ G: |- a7 e3 J# k 可是你先別高興，以為佔到了便宜，天下沒有白吃的午餐，當喇叭的阻抗值一路下降時，後級輸出一個固定電壓，它流過的電流就會愈來愈大，你確定你的後級能輸出這麼大的電流嗎？你知道喇叭阻抗一路下降的結果到後來就有點像是把喇叭線直接短路的意思，所以阻抗值有時會低至一歐姆的Apogee喇叭被稱作後級殺手的原因，你明白了吧！所有的電晶體後級擴大機，其輸出電流的能力均有其設計上的限制，超出此範圍，機器就要燒掉了。這也就是為什麼一般人常說的：後級的功率不用大，但輸出電流要大的似是若非的道理(這個問題以後我們會詳細討論)。# s/ P5 T2 ?4 C) e R1 T$ p
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同理，如果有一對喇叭的阻抗很高，像早期15的RogersLS 3/5A，那擴大機的輸出功率豈不自動減半？沒錯！如果這對喇叭的效率又很低的話，你要它發出高音壓來，能不動用高功率擴大機嗎？江湖有傳言：上揚唱片在台北市中山北路的門市有一對15的Rogers LS 3/5A，作為背景音樂之用。推它的擴大機是一部日本早期的Technics綜合擴大機而已，但包括劉老總及賴主編在內，均盛讚它好聲，你言如何？早期日本擴大機給人的印象就是功率標示很高，但輸出電流能力則令人頗有微詞，君不見小小一套床頭音響組合動不動就是300W嗎？可是KRELL的300W後級你想一個人扛是扛不動的。這種高電壓低電流的日本擴大機一遇上現在滿街都是的低阻抗喇叭，一下子就軟腳了，但是如果碰上了高阻抗喇叭，例如……，會不會就成了名符其實的當哈利遇上莎莉呢？搭配之妙啊！豈可等閒視之。. p7 U/ k3 }3 Z. H
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接下來來看擴大機的輸出入阻抗。一般我們常耳聞的說法是：擴大機的輸入阻抗是愈高愈好，而輸出阻抗是愈低愈好。為什麼呢？因為輸入阻抗高了，從訊號源來的訊號功率強度就可以不必那麼大。這麼說也許還有讀者不甚瞭解，讓我們再回想一下歐姆定律；假設訊源輸出不甚瞭解，讓我們再回想一下歐姆定律；假設訊源輸出一個固定電壓，傳送往下一級，如果這一級的輸入阻抗高，是不是由訊源所提供的訊號電流就可以降低？如果輸入阻抗非常非常的高，則幾乎不會消耗訊號電流(當然還是會有)就可以驅動這一級電路工作，換句話說就是幾乎只要有訊號電壓，電路就可以正常工作；但是對於低輸入阻抗的電路呢？就正好相反了，它必須要求訊號能源能提供較為大量的訊號電流，因為在同一個電壓下，低輸入阻抗會流進較大的訊號電流，如果訊源提供的電流強度不足以滿足下一級電路的需求，它就不能完美地驅動下一級電路。而訊源的電壓和電流的乘積就是訊源的功率了。
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另外何謂低輸出阻抗呢？它有什麼好處呢？通常低輸出阻抗被提到地方大半是指前級擴大機的輸出阻抗，後級通常是稱作輸出內阻的。前級的低輸出阻抗有幾個好處：一．一般會強調低輸出阻抗即表示了它有較大的電流輸出能力，容易搭配一些低輸入阻抗的器材(後級)。二．低輸出阻抗可以驅動長的訊號線及電容量較大的負載，以音響用前級為例；前級的輸出阻抗在與訊號線結合後，輸出阻抗加上訊號線本身固有的電阻與電容會形成一個RC濾波的網路，當輸出阻抗愈高時，則經過訊號線後的訊號，其高頻端的滾降點就會越低，反之則愈高。你應該不會希望高頻滾降點移進耳朵聽得到的音頻範圍吧？所以遇上電容量大的訊號線，你還是選一部輸出阻抗低一點的前級較為保險。這也是為什麼每一種訊號線會有不同聲音部份原因。
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8 K5 q7 n% I! ?0 w, f+ V1 e j 有了以上大略的說明，你應該可以明白；所謂擴大機輸入阻抗愈高愈好，輸出阻抗愈低愈好，其主要理由即在此一在與其它器材互相搭配時，其匹配性比較高。: `) w" i3 v0 x. F' A( T/ n
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那麼照此說來，我們就把每一部擴大機不論是前級或是後級的輸入阻抗都設計得很高，輸出阻抗都設計得很低，不是就完美無缺了嗎？讓我們再從輸入阻抗看起，由於高輸入阻抗所需的訊號電流較少，可知連接其上的訊號線中流動的電流必較小，因此對於訊號線品質的要求就可以不必那麼高，因為少了一個電流的干擾因素在內，這也是高輸入阻抗帶來的另一個優點。但是高輸入阻抗的優點既然這麼多，為什麼市面上找得到的高輸入阻抗前級或後級竟寥寥可數呢？讓我偷偷問你，你有沒有用過收音機？你知道收音機的訊號是從哪兒來的嗎？從空中來，你答對了。從空中來，你可知道空中存在有多少的電磁波？多到集合你全家老小的手指頭加腳指頭都數不完，這些可都不是你想要的音樂訊號哦！當空中的這些電磁波被作用有點像天線的訊號線拾取後，雖然只是一點點的雜訊電壓，但是一個高輸入阻抗電路卻能輕易地將其放大(正是其優點)，於是乎，當有人抓了一把沙子放進你熱騰騰的大滷麵時，你還以為是黑胡椒粉呢！6 w4 }, A8 W, F I+ m' {
( k2 R) U" ]. {8 h7 {2 a9 B 易感染雜訊，就是音響器材在設計輸入阻抗時，明知高輸入阻抗的諸多優點，但也不能任意設計得很高的主要原因，膽敢設計成高輸入阻抗者，必有其對抗雜訊干擾的過人之處，Cello有一款前級名為Encore IM，其標稱輸入阻抗即高達IM，為HI-END音響界最有名的高輸入阻抗前級。但這個紀綠最近被日本SONY公司所出品的一款輸入阻抗高達2M 的前級給突破了。3 R9 a2 i) _/ Q+ s6 Z
* y/ H/ w1 |# N0 W: C 雖然Cello的1M前級在音響界已是不得了的事情，但就電路的輸入阻抗而言，還不算太高啦。隨便一個FET做為輸入級的IC它的輸入阻抗都可以高達百萬M，就像前陣子有點紅的BUF-03這顆適合作為緩衝器的IC它的輸入阻抗就有這麼高呢！常見的前級的輸入阻抗，在早期真空管的時代，由於真空管本身的輸入阻抗就比較高，因此大都設計成500K或250K，晶體前級則大多數是100K或50K。近來則輸入阻抗有愈設計愈低的趨勢，20K、10K也已經很常見了。: Y9 W8 } `) c
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後級的輸入阻抗則大部份是47K，高一個的有100K，20K，10K的也所在多有。最近德國著名的HI-END音響廠家MBL，所推出的旗艦後級MBL9010輸入阻抗是多少呢？5K!沒有少寫一個零，就是5K。好像說了半天，高輸入阻抗有多少多少的好處，就是有人不來這一套，至於好不好聲呢？就請自行參閱相關的評論報導吧！# R- g, H3 C4 w$ L# i H$ b2 B6 x
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那麼低阻抗輸入有什麼優點呢？首先當然感染雜訊的問題會降得很低，可以大幅提高信號雜音比，使得音樂的純度提高，音質就比較好。另外低的，輸入阻抗有較好的相位特性，這一點是比較少有人提出來討論的，一般常見被提出來的是頻寬特性，總諧波失真特性等，而相信失真則很少被提及(至少在所有公開的性能規格中)，MBL的看法是高輸入阻抗與訊號線的電容量所引起的相位失真較大，而這對聲音的影響將很深。因此MBL 9010採用低的輸入阻抗，以較低的相位失真來求得在音質上的完美，當然在這個時候，你必須採用一部擁有更低阻抗輸出的前級來搭配了。( j, \& s: i3 z: Q% C
' x( a) Z( f% Z( S- w7 z$ ^% j d1 ] 前面提及了也有知名廠家採用低阻抗的輸入，這是肇因於現今大多數市售前級的輸出阻抗均已相當的低，因此在後級的輸入阻抗部份就可以酌情降低。假如你前級的輸出阻抗高於後級的輸入阻抗，這是不能匹配的，切記！切記！
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至於說前級的輸入阻抗呢？以目前大部份市售品前級的設計而，言輸入阻抗就由音量控制器給決定了。絕大多數的設計都是輸入的訊號經過訊源選擇後就經由音量控制的可變電阻作分壓，再進入主放大線路，所以這個音量控制的可變電阻值就成了輸入阻抗了。另外一些前級的設計是輸入訊號先進入一個緩衝級，輸入阻抗就由這個緩衝級的輸入阻抗來決定，由於緩衝級電路的輸入阻抗極高，因此，輸入阻抗值極高的前級，其接受訊號的前端部份，可能就有輸入緩衝級的設計。但是，輸入緩衝級的阻抗也可以不必一定得設計得很高，例如MBL 6010前級的輸入部份就設有輸入緩衝級，而其設定的輸入阻抗值則是47K。
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2 w$ v9 L& P' Y2 p 一如前面所述，前級的輸出阻抗如果能夠低的話，則後級的輸入阻抗就可以不必設計得那麼高，那麼同理，如們我們所使用的訊源的輸出阻抗也夠低的話，那麼前級的輸入阻抗有必要那麼高嗎？今天有很多音響迷的系統之中，只有數位訊源一種而已，而如今的數位音源由於本身內部已經具有類比放大的電路，而且有愈來愈多廠家將類比訊號的輸出阻抗做得極低。最有名的例子就是Theta，其在類比訊號輸出的地方加了一個高迴轉率、高輸出電流、低輸阻抗的輸出緩衝級BUF-03，這顆IC的輸出阻抗低至只有2，由此看來，其搭配的前級的輸入阻抗有必要很高嗎？
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