从技术角度理解耳机放大器

石晓伟 · 发表于 2008-1-1 17:34:17

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从技术角度理解耳机放大器

从个人听感出发，每个人感觉不同，永远争论不出什么结果，但是对于理论的推导应该是科学的，而不是个人的想象，最近很多的讨论中一些技术派的人士写了不少有价值的东西，埋没了太可惜，所以整理出来，让大家从技术的角度去理解耳机放大器。至于能否听得出差别，听出多少差别那是主观的事，和个人发烧经验与程度有关，这里不予讨论。

【曹营名将】

first，必须搞清楚一个问题，音量足够大说明什么？
从电的角度来看，说明输出的能量够大，对于某种特定阻抗的负载来说，就是电压峰峰值够大。
对于输出的音质来说，音量几乎不带有任何意义。
因为任何的模拟放大电路都有其线性工作区间，过了这个区间，电路仍然有放大作用，只不过变成了非线性放大，什么交调、杂散都起来了。
因此单纯地音量够大，并不能说明此时输出品质是最理想的。

secend，任何电路只有在理想负载的情况下才能达到理想工作状态。
设计输出阻抗600欧的系统拖32欧的耳机不一定好，设计输出阻抗32欧的系统拖600欧的负载也肯定有问题。
为什么？因为阻抗匹配。
任何一个放大器系统在设计时都不是针对任意负载的，一般来说都有个理想的负载。通常来说负载跟系统的工作点是直接挂钩的，负载的改变会导致工作点的偏移，如果系统工作点偏移出线性区，或者处在很边缘的位置，那么在进行信号放大的时候，就会出现失真。
设计良好的放大器系统有很宽的线性范围，因而能够驱动许多阻抗不同的负载，但从设计的角度考虑，过多考虑负载的变动，势必引入一系列外围器件，导致电热噪声的放大累积。所以负载范围不可能无限制地大，一般来说只有在理想负载的情况下，放大系统才能达到最佳的设计指标。因此即便是很好的系统，我觉得也不应该随便挂不匹配的负载，为了达到理想的效果，在使用之前最好还是考虑一下阻抗匹配的问题。

这也就解释了耳放也好，随身听也好，功放也好，不一定上了就好。如果阻抗不匹配，那么就会出现失真，加了放大器可能反而不好。如果阻抗匹配，那么就能在一定程度上降低失真的影响，产生纯净的放音效果。
本质上，如果忽略音效处理和功率匹配和放大的问题，随身听/台机+放的系统可以近似地认为是一个阻抗变换匹配系统。根据自己的耳机负载特性选择放大系统，就可以获得较好的效果（说起来容易做起来难，呵呵呵）

与诸位兄弟共勉。

【DAVID_LIN】 (電光火石廠工)

電子學,聲頻電路上所謂"阻抗匹配"良好,不是指放大器的輸出阻抗(Zo)=負載電阻(loading)而是應該Zo遠小於負載,這樣才能作出良好的匹配.不至產生失真.
負載/輸出阻抗=阻尼係數(Damping Factor)

個人不同意可用DF的量來調音,因為這樣做(指降低DF)很容易造成失真-而且是源自驅動力不足,完全背離採用耳機放大器的原意,請參考.

一些音響雜誌常傳出錯誤的觀念,"阻抗匹配"一辭便是誤解,請大家明察.

【曹营名将】

電光火石廠工兄弟的话正解。
输出阻抗与负载的确不是一个概念，俺在这里乱说，有失严谨，道个歉，希望没有影响大家的理解。

至于“阻抗匹配”倒不一定算是错误，尽管也不算严谨。一般的概念上，我们提到的“阻抗匹配”经常是指通过某种办法改变某个网络或者系统的输入输出阻抗，使之符合前后级系统工作的需要。
一个典型的例子是：某系统要求后级系统的输入阻抗为50欧姆，常用的办法就是在两级系统之间串联一个双端口网络，使得该网络满足从前级向后看时，输入阻抗约为50欧。
因此我们也不太严谨地把“合理地选择前后级器件（如耳放/耳机或者功放/音箱），使得后级器件的电气特性符合前级器件的带载要求”这样的做法称为“阻抗匹配”。如果后级器件符合得很好，则称为“匹配良好”的，反之则为“匹配不好”。
事实上“阻抗匹配”到处存在于电气网络的连接中，任何输入输出管脚之间的连接都可以用网络的互联来描述，因此也就存在“阻抗匹配”的问题。因此个人以为用“阻抗匹配”来描述放大器和后级器材的部分电气特性应该是可行的（这一点大家可以探讨一下）。

電光火石廠工兄说的用DF来调音的问题，我支持兄弟的看法。在我所接触过的放大电路中还没有听说过哪种是通过改变整个系统的状态来进行调节的，一方面是兄弟说的失真的问题，另一个问题则是这样的设计是不稳定的，不但单系统难以调节性能，而且无法保证产品的一致性，在工业上根本不可能使用这样的方案。

【DAVID_LIN】 (電光火石廠工)

在高頻與射頻(RF)下探討阻抗匹配(Impedance Match)那與音頻是完全不同的世界!
在聲頻電子訊號(20KHz以下),我們還可將導線,電阻等物視為純電阻,可是到了射頻電路就不行了,此時Impedance Match的最大前題是"完成能量(功率)的最大傳送值"也就是將SWR盡量控制在1,這個部份要用波得圖與等效電路分析來講解才"容易"明白

這是高級電子(電磁)學的基礎,與音頻(低頻)電路完全不同.

簡單一點講,網路配線與RF電路中所談到的"阻抗匹配",在參數控制與線路分析上與低頻放大器級與級之間的"阻抗匹配"其論點完全不同(除了有要讓功率傳送效率更高的共識),所要面對的問題也不同,只是同名而已;所以不能引用不同頻域的"作法"與原則來解釋另一方.舉例來說,音頻下所使用的同軸電纜,不管其特性阻抗是50ohms~75ohms,都不會引發駐波比(SWR)過高的問題,可是給網路或有線電視或無線電台使用,就要十分小心不能混用,請參考.

在音頻電路下,萬萬不可說放大器輸出阻抗=負載"效率最好"就算了!
因為那只是教科書上的"理想狀態" 也是電路分析裏一個局限條件下的"觀察結果"
是完全不看失真與頻寬表現的狹義解說.朋友們要小心引用與說明

【曹营名将】

电光兄的说法是不是应该修正一下？
从纯信号传输的角度来看，无论是音频电信号还是高频电信号，本质上都是一样的，对于射频信号存在的问题，音频电信号一样也存在——只不过由于音频信号的频率远低于射频信号，分布参数对其的影响非常小罢了。
本质上，分析音频电路和高频电路所使用的基本理论是一样的，只不过对电路描述的精确程度不同，所使用的方法也有所区别而已。可是有一点，在高级的音频电路设计中我们使用的是和射频电路设计一样的设计软件和极其类似的电路模型，分布参数是必须考虑的，单纯用集总参数模型设计音频电路得不到最佳的电路。

至于“效率最好”则与音频放大电路的最佳工作点是两码事。效率最好一般用在传输网络的描述中，跟有源放大电路的工作状态没有截然的关系。事实上有源放大电路的工作牵扯到许多因素，设计时必须综合考虑，在各个因素间取得平衡，才能得到近似最优的工作状态，有时候“效率”往往不一定是最佳的。

【甩袖汤】
系统噪声来源的判断

以前朋友们经常说到放大器的底噪（本底噪声），但现在看来，除了老鸟，多数朋友不甚明了。

一、放大器本底噪声应当怎么测？用过数字万用表的朋友都知道，如果把表拨到毫伏档，表笔悬空没有接任何东西的时候，表头的数字已经开始乱跳了。跳动的数字少则3、5毫伏，多则数十毫伏。难道这个万用表的精度如此之低，以至于不能测量毫伏级的参数吗？非也。只要把二个表笔对接一起，表头马上回零稳定。那么刚才跳动的数字是怎么来的？因为有周围空间分散的杂散电磁干扰信号，而万用表的内阻比较大，对来干扰信号能非常灵敏地接受到的缘故。一旦表笔对接，这些干扰的电磁信号就通过表笔短接掉了，这时万用表所显示的是稳定回零数字，才表明它能够测到的最小信号范围有多大。反过来看放大器，你如果空接输入端子而把音量开到最大，这时听到的噪声，和刚才万用表的道理一样，有相当多的空间电磁干扰噪声。那你找一个没有接线的的信号插头，把插头两端接成短路情况，这时听到的是什么呢？可能什么也听不到或非常小的噪声。这才是放大器的本底噪声。那么，你也可能会问，把音量关到最小不是也可以吗？是，有的时候可能是这样的，比如，音量电位器在电路的最前面。但是，也有的电路音量电位器不在最前面，它的前面或许还有其他的电路元件或接线，你把它关到最小，体现出来的噪声只是电位器以后的电路的噪声。所以，正确的测量方法应当是输入端短接，音量最大时的噪音才是放大器的底噪。

二、也许你又会问，那能不能把放大器的输入阻抗降到零，就像刚才万用表的表笔对接一样，干扰信号不就没有了吗？是！可你想过了没有，前面传输过来的信号不也没有了吗？所以，后面放大器的输入阻抗还是不能没有，低一点，接收的空间干扰噪声就小一点。所以，音量电位器用到20k是很多人的做法。当然，电位器后面的放大电路输入阻抗高一点还是好，这对捕捉弱信号有好处。

三、可是，为什么放大器一接上CD机以后，哪怕音量开到最大，噪声也是会很小呢？因为CD机信号输出端的内阻很低，信号线上感应的空间电磁杂散信号被CD机内部的输出电路短路掉了。如果这时你听到的噪音比放大器输入短接的时候噪音大，那这大的部分就是CD机的本底噪音。

四、请注意，CD机的本底噪音也不是上面说的那么简单。因为绝大多数CD机，特别是进口哪怕是低档的CD机，它在信号输出端子的前面一点，都有一个静音电路，CD机停止播放的时候、换曲的时候、曲间停顿曲长时间记忆跳变的时候，那个静音电路都是开始工作的。这时听到的噪音小，不等于CD机的本底噪音小。CD耳机插孔听耳机的时候也是这样。除了这上面的几个时间，CD机放音的时候听到的噪音有二个方面，一是CD机的芯片档次等级和电路设计水平决定的噪音，这是CD机的底噪；另一个方面，就是录音上的噪音，这是没有办法的事情。

五、耳机机灵敏度高了，当然可以听到更多的噪音。但是，这多听到的噪音有多少是放大器的呢？根据上面所讲，各位就可以自己判断了。

补充一下，就是系统设备连接的不确定噪声来源。有时候，系统的每个单机本身噪声都很正常，一旦系统互连以后，就有较大的噪声产生。通常，这种噪声是50或100Hz的脉动成分。主要原因是系统各个地点之间有电位差。这个电位差有时是电路脉动电流对地点的影响，有时是变压器漏磁干扰地点电位。这样，不同系统中的地电位相连的时候，就会形成一个地回路的电流，就会产生噪音。

【无心睡眠】
频率补偿是放大器技术的必要措施。之所以采用频率补偿，是因为电子元器件的特性并不是理想的。晶体管电路中，由于晶体管结电容的存在，如果不加以补偿，往往会造成高频过多的现象。另外为了防止自激，许多放大器往往会对输入信号的频率和摆率加以限制，这是一定意义上的“补偿”，或者是修正。
实验中发现，人对频率的敏感性要大于相位的敏感性，因此牺牲一些相位失真来换取频率上的均衡是很值得的。
当然，有些低成本或设计低劣的放大器，其相位失真过于严重，导致声场混乱和声音浑浊，那些东西即使没有什么频率补偿也是不行的。
频率补偿必须精心调整，不可过分。从实践中来看，简单的无源阻容滤波电路对声音的损失最小，这就是所谓的无源衰减式音调控制器。
对于高素质的放大器来说，应该首先保证放大器的优良性能，在此基础辅以适量的频率补偿，就能获得最佳的效果。
各种补偿方法只是一种辅助手段，如果放大器的有源器件不能提供良好的性能，任何手段都是徒劳的。
频率补偿技术是考较一个音响设计师的设计水平和音乐素养水平的重要指标。

【无心睡眠】
理想的放大器应该是“一根带增益的导线”，信号经过这条导线的时候只有幅度的变化，而形状不发生变化。可惜目前来说即使是顶级的放大器也不能完全做到。信号经过放大器后产生的不可预料的变化就是失真。
失真可以分成2种类型：线性失真和非线性失真。所谓线性失真是指信号的形状没有变化，但是在大小（或者说幅度）和出现的时间上并没有按照其应该的数值出现，频率响应和相位失真就是衡量这类失真的指标。在仪器仪表行业，不用“失真”来形容这种现象，而是采用比较直观的“误差”这个词。
对于频响指标，测量的方法往往是先指定一个范围，然后逐点采样，输入同幅度不同频率的信号，计算出个采样点的输出电平，然后取最高和最低的2个数据点作为频响指标，例如20~50KHz±1dB（相当好看的指标！）。还有一种方法，就是定好一个变化范围（例如3dB），然后从中间（通常是1KHz）向2端按倍频程进行采样，直到测得得的数据超出规定的范围，例如50Hz/-3dB，100KHz+3dB，250KHz/-3dB。不同的测量方法得出的结果看起来大不相同，但是如果知道了其测试方法，也就不足以怪了。
同样，相位失真也可以按照上面的方法进行测量。
可惜的是，一般生产厂家并不提供完整的数据报告，因此知道了这些数据只能大致上了解产品的基本性能，对于这些东西到底在多大程度上影响了器材的风格并不能看出来，前面的帖子我已经说过原因了。那就是，看起来同样指标的放大器，由于其频响曲线不完全相同，会造成听感上迥然不同。并且一个劣质放大器的频响指标很可能看上去和一个优质放大器的指标差不多。
因此，工程师们又引入了一个概念，那就是频响的平坦度。一般来说，我们关心的是音频范围之内的东西，那么我们就只需要知道0~20KHz内放大器频响到底有多一致就可以了。例如一个放大器的平坦度是 0.1dB，就是说这个放大器在音频范围内的任何2个个频率的放大能力差异只有0.1dB，那么另一个平坦度为1dB的放大器显然在性能上有了很大差距。这个指标十分真实地体现了放大器的基本素质，几乎所有的劣质放大器都会回避这个指标，甚至某些HI-END级的放大器也避而不谈。
再说一下相位失真。所谓相位失真就是指放大器的输出端信号出现的时间比输入端的信号要晚，也可以叫做延迟。单纯的相位失真并不可怕，反正不过是声音晚出来一会儿就是了。但是实际上不是这么简单，相位失真的单位是“度”而不是“秒”，即使放大器对于不同频率的信号的相位失真相同也是不行的。例如，如果一个放大器对50Hz和5KHz的相位失真完全相同，那么由于5KHz的周期比较短，那么5KHz就会“早一些”出现在放大器的输出端，而50Hz则会在稍后出现。在复杂的音乐信号下，可以想像，一个相位失真严重的放大器，会让本来分得很清楚的不同频率的信号交叠在一起，这样幅度比较高的信号（一般是低频信号）会“掩盖”掉幅度低的其它频率的信号。但是有一个比较幸运的情况，就是我们的大脑有一个特点，就是会“猜测”，就是说即使某个频率被“淹没”了，只要它曾经出现过，我们也会根据它原来的强度“认为”它还会持续一段时间，例如我们突然听到一声很响声音过去后，耳朵里还会再响一阵子。那么只要这种淹没现象不是很严重，我们的耳朵还是不会听出来的。这就是所谓的“人耳对相位失真不灵敏”的原因。当然，尽管不灵敏也还是有一定限度的，过大的相位失真会造成声音细节的严重丢失，没有出现过的声音我们的脑袋是猜不出来的。
对于相位失真，还有另一种情况，那就是立体声2个声道之间的相位失真是否一致的问题，这个问题比相位失真本身更重要。那是因为人耳的声音定位除了跟响度有关外，还跟声音到左右2个耳朵的时间差有关。2个声道的相位失真差距过大，会造成声像定位的严重偏离。对于一些频谱丰富的乐器来说，还会造成定位的模糊，例如小提琴拉高音的时候会向一个方向偏移，而拉低音的时候可能会向另一个方向偏移，造成声像的不稳定。对于经过一定训练的耳朵来说，这种现象是很难容忍的，因为它会造成听觉上的困扰。
值得注意的是，放大器的指标不是绝对孤立的，频响指标不好的放大器往往在其它方面都有不同程度的劣化。从这点意义上来看，有时候单看某一个指标也能估计到整个放大器的性能，正所谓窥一斑而视全豹。
【甩袖汤】
如无心老兄讲，频率补偿包含面很广。个人认为，幅频特性和相频特性都是其中的重点。平常我们所说的频率补偿，大多是限于幅频特性的范畴，比如，频率均衡器、音调控制、等响度控制等。幅频特性的补偿一般是在器材（比如功放）的通带范围内（简称带内）起作用的，进行补偿的目的就像无心所说，人对频率的敏感性大于相位的敏感性。就现在各类电子元件的水平，制作一部符合hi-fi标准的放大器是很容易的（现行的标准以当今观点来看太低了）。然实际上，音频范围内的幅频特性相同的放大器听感并不相同。我觉得其原因还是失真水平的影响。有朋友说，它们标称的失真相差并不大或根本就是一致的。是，但那仅仅是1khz点上正弦波的失真指标。因为它不是动态的，那么我们把眼光看得更高一些，放到整个带宽范围内，失真就不一定相同或相近了。所以，今后失真的指标至少至少（注意我这个用词）应当是通带范围内的各频点的计权指标才说的过去。大家都知道，至少5倍以上（我至少认为要10倍）的傅里叶展开变换后的谐波良好，各谐波合成后才能保证原波形的基本准确（如方波）。如果在音频放大器上来讲，那频带就要到200khz。可是，如果你的元件选择不好或电路编排不好，那么，200khz的幅频特性就做不好，这时，如果用到补偿，就是带外补偿。带外补偿我认为属于相位补偿的范畴。因为在几百k的条件下，电路和元件的分布电容和分布电感起作用了（包括有源元件的结电容），因此发生信号延迟的情况，尽管补偿后的直接表现还是幅频特性。以前我说过幅频特性和相频特性息息相关就是这么来的。

现在还不能设计出在开环状态下就工作良好的功率放大器，大家都要用负反馈。负反馈加上后，如果电路开环状态不好（相位特性不好），那自激就来了。带内自激当然是啸叫，这大家都知道，而带外自激不能直接听到，所以，不被人重视。但实际上它反映到失真上面来了。带外自激过强，电路当然不正常工作。如果带外自激量不强的话，电路也能工作，给人错误的放过。用上频率补偿措施后，带外自激可以消除。但由于带外补偿并不影响带内幅频特性，所以，补偿量的大小一般情况下也没有去算。但是，补偿量不合适时，带外幅频特性会影响到带内的失真。由于人耳对高频失真感觉比较明显，所以，鱼老兄说的听高频是对的。实际上，高频一点点的失真主要还是反映在听感上的不同。明显的吱吱啦啦的中高频失真很多是放大器瞬态互调失真，严格讲起来，也算在相位失真之中。

至于补偿手段就很多，ZOSON老兄说的是一种。增加是补偿，衰减也是补偿。英国的器材用料大多不太好，所以，他们用的补偿就最多。电路就复杂。补偿的另外一个作用就是使机器的稳态状况良好。以前我们有过类似经历，一部放大器放到那里没有事，你用手摸某一个部分，自激就来了，你手拿开，它也不一定消失。这就是电路稳态状况不好。DVD-AUDIAO、SACD都出来了，以它们的标准，带宽在100KHZ的水平。但现在出的这些音源，输出频率大多限制在40-70KHZ的水平。甚至有两档选则，这就是考虑到有的放大器不能承受这么宽频带的信号，到时出问题。SONY说，配SACD的功放，频带要保证有300KHZ以上。

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[酒吧座椅设备] 从技术角度理解耳机放大器

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