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胆机音质明显好于石机,已成为部分音响爱好者的共识。其原因众说纷纭，但难有定论。本文愿就此作一探讨，以收抛砖引玉之效。由于笔者系业余爱好者，非专业人士，不当之处在所难免，敬请指正。* K% ?4 L1 o, R6 N; s! m8 G
一、功放输出级的输出方式' ]2 h% B+ ^4 s' ~: p
从电路上可以看到，胆机和石机功放在输出级的最大差别表现在：胆机功放几乎全是屏极输出，而石机功放则大部分为射极输出和源极输出。为方便起见，我们把电子管阴极、双极管射极、场管源极统称为低端，而把这些管子的屏极、集电极、漏极统称为高端。胆机功放输出在高端，而石机功放输出在低端的不同，是造成胆石机音质差别的主要根源之一。
% @4 u( _. P6 Q( P3 i6 D% A 高端输出，最大特点是其输出特性接近电流源（或恒流源，但并非严格的恒流源），即在输入电压不变的前提下，高端输出在一定范围内具有恒流源特性。当负载阻抗变化时，通过负载的电流是恒定的，变化的是管子与负载对电源电压的分配比例。反之，低端输出最大的特点在于其输出特性为恒压源，即在输入不变时，当负载阻抗变化时，负载两端的电压是恒定的，变化的是通过负载的电流，两种输出方式对于阻抗不变的电阻负载而言，并无多大差别，其电压、电流特性是一样。如果作出它们的电压频响曲线、电流频响曲线，也是基本相同的。这正是测试功放频响性能的传统方法。但对于阻抗变化不定的负载而言，两种输出方式就有很大差别了，而扬声器和音箱正是这种阻抗随频率变化很大的负载。两个用传统方法测试性能很好且相近的电子管功放与晶体管功放，当以扬声器作负载进行测试时，会得到截然不同的结果。电子管功放电压频响曲线起伏，而电流频响曲线平直；相反，晶体管功放电压曲线平直，电流曲线起伏，其音质差别就不言而喻了。可见，传统功放以电阻当负载的测试方法，并不能真正反映功放的驱动性能，甚至会得到恰恰相反的结论，例如对胆石机频响的评价。传统功放只测电压频响，不测电流频响，也是十分片面的。! Q- b& \* }0 E" I
众所周知，扬声器阻抗随频率不同而有很大变化。其最大阻抗可达额定阻抗的几倍之多，扬声器组成音箱后，经过电感、电容、电阻的综合作用，其阻抗相对于功放可能比较平直了，但其内部每个扬声器的固有阻抗特性是不会变化的。从原理上说，扬声器是音频电流通过音圈驱动音盆进而推动空气发声的，音圈对于音盆的驱动力，与通过音圈的电流成正比，这是电磁学的基本规律。因此，对音圈给予恒流驱动，才能保证音圈对音盆、间接对空气的驱动力与电信号成比例，才可能获得平直的声压频响曲线。电子管功放大都为高端输出即恒流驱动，其音质好与此有极大关系。相反，晶体管功放大都为低端输出即恒压驱动，尽管表面看来，扬声器两端电压不随频率而变（误被认为频响好），但扬声器音圈中通过的是随频率增加而减小的电流，很难想象会有平直的声压频响。
6 e' R3 z R4 ?7 z/ B' a6 Z 从扬声器的阻抗曲线可以看到，除在谐振峰附近外，高、中、低音扬声器的阻抗都随频率增高而增大。组成音箱后，每个扬声器的发声频带缩小了，其工作频带内的阻抗起伏也缩小了，但并未根本消除。阻抗仍随频率升高而升高，后果必然是高频衰减。通常音乐中的高频成分是相对较弱的。在恒压驱动下，高频弱信号驱动电流是变小的，其对应音频的声压也是下降的，再加上人耳听觉的等响特性（当全频带声压同比例减小时，人耳感到高低频比中频减小得更多）的作用，这种降低就更加明显，如同雪上加霜一样。例如，一个10kHz的弱音频，由于恒压驱动而使用声压减到二分之一，而人的听觉又使其减小二分之一，则我们总的听觉感到其声压减到四分之一或更多，再弱些的信号其声压可以达到听不见的地步，这就是某些晶体管功放音乐细节丢失的根源之一。而电子管功放的恒流驱动就不存在这一问题。对于低频声，由于谐振峰的存在，在恒压驱动时，低频电流也是减少的，它不但造成低频声压的减弱，而且导致功放对扬声器控制力的降低，这对于音质也是不利的。( |7 m, i4 F# y. ]% s+ f
当然，对于扬声器这种复杂的电声转换系统，很难简单绝对地说恒流驱动必然导致平直的声压频响，但是恒流驱动优于恒压驱动则是毫无疑义的。有人曾经仿照晶体管的做法把电子管功放的输出也改为阴极输出，并未得到更好效果，也没有得到广大烧友的赞同，这正说明阴极输出对电子管而言是扬长避短，走入了晶体管功放恒压驱动的误区，也必然产生晶体管功放的相应缺陷。这也正是不少音响专家并不提倡电子管阴极输出的原因。# \( c# E4 \5 l6 x
如果上述结论是正确的，那么改进石机的途径就清楚了。就是将晶体管功放的输出级改为高端即恒流输出，把负载转移到集电极或漏极电路中，当然，电路的改变并不会如此简单，可能会产生新的问题，如输出阻抗增大、阻尼系数变化、对不同阻抗扬声器的适应性降低等，但只要大方向正确，困难总是可以克服的。不少爱好者已对此进行了有益的尝试，如电流放大、电流负反馈、恒流功放等，都得到了较好结果。
" Q# Z8 f }: S: i9 x最后必须指出，上述问题的本质不在于高低端输出，而在于恒压驱动还是恒流驱动。低端输出而能做到恒流驱动也是可行的。总之，功放驱动方式必须适应扬声器的变阻抗特性而不是电阻的定阻特性。
~2 |" n7 c+ E0 l8 V. I二、功放输出级的工作状态$ w" L; ?; Y6 ^* Y2 i+ Q2 _
除了功放的输出方式外，功放输出级的工作状态也是造成胆石机音质差别的重要因素。
4 \2 Q+ e1 C3 Y4 l9 ]. v [ 一般认为甲类功放的音质优于甲乙类。电子管功放甲类较多而晶体管功甲类较少，这是从统计学意义上造成电子管功放音质优于晶体管功放的原因之一。电子管功放有单端甲类，而晶体管功放中极少见到。电子管和晶体管功放均有甲乙类推挽，但二者工作状态也显著不同，电子管功放更接近甲类。电子管功放输出级的静态电流通常为最大电流的三分之一到二分之一，而晶体管功放输出级静态电流往往只有最大电流的百分之一到十分之一。用示波器可以看到，二者的工作波形和合成波形有很大差别，见图1。
" v0 T0 Y2 O4 Y( P* x) r 电子管推挽上臂正半周不失真，负半周圆头削顶，下臂则负半周正常，正半周圆头削顶，其合成波形近似正弦波。失真很小、晶体管功放上臂正半周正常，负半周为平头削顶，类似方波，具有大量谐波，另一臂亦然。合成波形除有交越失真外，还有谐波失真。晶体管功放尽管有所谓超甲类无截止型，但其负半周也很难达到电子管负半周的圆头削顶，仍为平头。可见，晶体管功放在正常工作时其失真就远大于电子管功放了。3 M E1 L$ ~5 g- R/ X& w w
当功放出现过载时，两种功放的失真差别就更大了。这时，电子管功放也出现了输出削顶现象，但依然是圆头削顶，人耳听觉仍可以接受。而晶体管功放的正负半周均出现了平头削顶，失真急剧增大，听觉上为刺耳的金属声，令人难以忍受。
I& ~" s" S6 t0 S 造成上述现象的原因有三：一是胆机与石机对电源的利用率不同。石机最大输出时其峰峰值为正负电源电压之和，电源电压被全部利用，因而一过载就被切削为平头。胆机功放额定功率时只利用了电源电压的二分之一到三分之二，其余为电子管内阻的压降，为过载留下了余地。所以电子管功放过载时有压缩电子管压降从而减小失真的空间。二是二者的饱和特性不同。晶体管饱和对压降接近于零，过载电流由负载决定。电子管的饱和电流由阴极电子发射能力确定，与负载关系较小，且是一个缓慢变化的过程。三是电子管与晶体管的运行状态不同。为此我们可分别做出二者的互导与B曲线，见图2。
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电子管工作于互导曲线的中间平直段，两端均有互导逐渐减小直至进入截止区和饱和区的过渡区，这是其正负半周削顶时均为圆头的主要原因，而晶体管功放输出级的最大工作电流往往只有晶体管极限电流的几分之一至十分之一，工作者于B曲线的上升段，不可能进入B逐渐减小的下降区，致使一削顶即为平头。其优点是对负载阻抗的适应性强，缺点是缺乏使削顶变圆的空间。上述三个因素的共同作用，导致了晶体管和电子管功放极为不同的削波特性即失真特性。
* a1 C5 V" E* d0 ^- s6 \; ]6 G0 e 当然，全面地看，胆机功放的优良性能是以对能源的的过多消耗为前提的，而石机较差的音质很大程度上是其静态功耗较小的结果。设想，石机功放改为集电极输出，增大静态电流至最大电流的三分之一到二分之一，选择极限电流较小的管子，适当减小其工作区，使用其两端也存在一个B逐渐减小的过流区，其音质肯定会得相当改善。8 S* {; p& s: o8 G$ {
三、功放的电压放大级
' g$ L9 Z& d* d/ r- z# C: K% d 双极晶体管的输出特性与电子管（其中也包括场效应管）的输出特性有很大不同，见图3。; B; o" t+ p* V- {" {% c
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, M( q$ Q. [% W V, x+ g 表面上看，二者的特性曲线十分相似，但晶体管的自变量是基极电流，而电子管（包括场管）的自变量是栅极电压，这正是二者的根本区别，它决定了晶体管是天然的电流放大器，而电子管是天然的电压放大器，当晶体管进行电流放大，电子管进行电压放大时，它们都可以发挥所长，得到失真低于百分之几的放大作用，但是，当用晶体管进行电压放大时，性能就大打折扣了，为此，我们可以其基极电压为自变量做出晶体管的输出特性曲线见图4。1 I& V. n; R+ v$ c
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可以看到其线性达到惨不忍睹的地步，几乎找不到可以使用的线性区。如果勉强让其进行电压放大，其失真可达百分之几十之多。这种状况主要是发射结的二极管特性造成的。当然，晶体管构成的多级放大器中，前级的输出阻抗对后级的输入特性有一定补偿作用（其实质是前级输出近似于电流源，后级晶体管进行的是近似电流放大），但仍未解决根本问题。由此可见，以晶体管进行电压放大，其实是扬短避长，其失真自然大于扬长避短的电子管电压放大器了。$ q4 e. W! p0 }1 Y5 U
不仅如此，晶体管电压放大器的高失真还带来了瞬态互调畸变增加的后果，由于晶体管电压放大器失真较大，各级组合后失真更大。电子管功放即使开环工作，其失真也是可以接受的。晶体管功放如开环工作，其失真会达到令人无法忍受的地步。为了克服晶体管功放失真大的缺点，往往采用大环路强负反馈，而这种负反馈极易引起自激，必须采取相位补偿措施予以防止，从而导致了瞬态互调畸变的产生。
& Y! ?7 I" q2 V5 l 晶体管前级放大级欲得较好效果，有两种方法：一是从电路上改良，如增大前级内阻，基极串入电阻，施加较强本级负反馈，尽可能降低失真。二是变革，让晶体管发挥所长，自前级到推动级，输出级均进行电流放大，在扣除变压器作用的前提下，其效果有可能赶上或超过电子管功放。由此可以看到，晶体管机音质不好，除其输出级为恒压输出的原因外，其前级晶体管电压放大的失真大也是重要原因。前胆后石功放音质较好，也是因为电子管电压放大避免了晶体管的缺陷的缘故。当然，由于电源不同，装调不便，管子寿命不同的影响，胆石混合功放也并非十分值得提倡的电路。! L+ [, j: }& T! O
电子管型号较之晶体管少得多，同一型号电子管参数一致性也优于晶体管。电子管无论电压放大还是功率放大，都工作于该管线性区的中点，因而有较好的开环频响、失真指标。晶体管型号繁杂、特性各异，同型号差异也较大，且很少见到如电子管那样的标准工作状态。而要使用每个管子都工作于最好的线性区，就必须逐个挑选、测试、配对、调试，具有相当大的工作量，实在无法完成，就把一切推给负反馈解决，这是晶体管功放音质不好的人为因素，应该尽可能避免。/ Y) M( k2 D0 z+ C3 I. F$ M
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发表于 2009-4-7 12:48:14
