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HiFi音響入門:擴大機是什麼?擴大機功用?如何選擇合適的擴大機

選擇好揚聲器,再來就是挑選合適的擴大機(又稱放大器Amplifier)。本文將從擴大機是什麼?擴大機功用?擴大機種類等幾個簡單基本的問題介紹,分享如何選擇合適的擴大機。擴大機主要將來自訊源(包括多媒體播放器、轉盤、計算機、CD 播放器等)的低壓訊號(功率/電壓/電流)轉換為具有足夠增益(或音量)的訊號(輸出電壓、電流或功率與輸入的比率),將其饋送到您的揚聲器或是耳機,並且為揚聲器供電,甚至可以讓您透過低音和高音控制或響度輪廓來調整聲音。

擴大機是什麼?

擴大機的英文是 Amplifier,本文指的是音頻擴大機 audio amplifier。說它是擴大器或放大器都可以,擴大機是一種主動式設備,一般用來放大訊號的功率,提供放大的過程叫做「增益」,增益是指輸入訊號與輸出訊號的比例。

擴大機是什麼?擴大機的基本功能是放大訊號的功率
擴大機的基本功能

擴大機是立體聲音響或家庭劇院系統的核心與控制中心。它接受各種來源的輸入——電腦、CD 播放器、藍光播放器、轉盤、調諧器、智能手機、平板電腦和 DAC。更貼切的說,在音響系統中,擴大機猶如揚聲器與其他系統之間的橋樑,擴大機負責放大傳入的音頻訊號,所謂的「放大」,是經由放大元件模仿出和原本訊號長得很像,卻具有更大的電壓,或是更高的電流量的新訊號。這種方式不僅會改變其質量,而且會簡單地增強它,以便您的揚聲器可以播放真實的音樂。 簡單來講,一個擴大機的成功與否,最主要取決於「模仿訊號」的功力,如果功力好的稱為「線性表現佳」,反之則是「線性表現差」。

擴大機的發展

自從愛迪生在 1877 年發明留聲機至今歷經百餘年的時間,由當年機械式錄音-重播系統。發展到現在的高科技數位系統,進步的速度與成果可以說翻天覆地。不過在這 140 多年中的音響技術發展速度並不平均,在發明留聲機後的 80 年左右,音響技術的發展其實相當緩慢,例如:錄放音以電動方式取代了機械方式、開始採用多極真空管等等。真正使音響技術得以快速發展是 1927 年美國貝爾實驗室公布了負回饋(也稱負回饋、負回授,NFB)技術,這項技術穩定系統和改善系統特性,使得音訊擴大機步入了新紀元。

所謂高保真(High Fidelity,Hi-Fi)擴大機的鼻祖應該追溯到 1947 年發表的威廉遜擴大機(這是一款由 DTN Williamson 在二戰期間設計的四階段、推挽、A 類三極管輸出電子管音頻功率擴大機),當時 Willianson 在一篇設計 Hi-Fi 擴大機的文章中介紹運用負回饋技術,使失真降至 0.5% 的膽機線路,音色優美在當時堪稱前無古人,風靡全世界,肅立 Hi-Fi 史上重要的里程碑,這個設計電路在整個 1950 年代成為擴大機設計基準。

1952 年 6 月,美國 Audio 雜志發表了一篇將威廉遜擴大機與超線性擴大機相結合的線路設計,將非線性失真大幅度降低,引起許多人仿效,形成了一股熱潮。超線性設計的影響時至今日 21 世紀仍然存在,可以說威廉遜擴大機和超線性擴大機標誌著負回饋技術在音響技術中的成熟。從那時候開始,擴大機的設計和種類可謂百花爭艷。技術的進步是前 70 年所望塵莫及。

擴大機的種類完整介紹

在選購擴大機前,選擇哪一種是一個專業問題,但回答這個問題之前,我們應該要先認識的是,有哪些種類的方案與選項,各有什麼特點,才能依照需要選擇適合自己的機型。畢竟琳瑯滿目的各種機器,各有不同的功能,因此擴大機這種機器從來沒有誰最好,只有你適合的機型,選購前這個重點只要把握確實,那麼您將能更客觀明確找到「正確」的機種。

那麼回到剛才的主題,擴大機到底有哪些種類?究竟是要選擇真空管擴大機還是晶體擴大機?A 類、AB 類還是 D 類?前級、後級還是綜合?這些令人眼花撩亂的分類,又有何差別呢?選購擴大機前想必都曾經為此困擾過吧?以下將個別整理出不同分類的擴大機,有了基本架構的瞭解之後,屆時才能挑選出最適合自己的擴大機。

擴大機依使用放大元件的不同,分為真空管擴大機(以下簡稱為「管機」)與晶體擴大機(以下簡稱為「晶體機」);其中再依功能不同分為前級、後級或綜合擴大機,一個完整的系統通常同時具備前級與後級,並且可以分開購買、或者直接選購擁有前後級功能的綜合擴大機。最後,根據工作原理不同,再細分為 A 類、B 類、AB 類、D 類,通常是後級會出現這些分類,這是因為後級主要的功能就是進行功率放大,也就是電晶體放大元件的特性。

依照功能的分類:前級、後級、綜合、接收

擴大機依照功用有綜合擴大機、前級擴大機和後級擴大機可以選擇,這牽涉到功能的分配設計,通常功能越專一,越能減少不必要的影響,因此前級+後級擴大機表現通常比綜合擴大機要優越。對於入門者而言,選擇綜合擴大機相對單純,對於預算也能大幅減省。您只需要知道要連接到什麼,以及連接到什麼,以便選擇一台具有足夠功率、足夠高解析能力和足夠低失真來滿足揚聲器的擴大機。

各種擴大機的內部結構與背部面板。從圖中可以清楚發現,綜合擴大機與環繞擴大機相對於前級、後級單純功能的擴大機在內部結構上更為複雜,面板也有相同的特性。
各種擴大機的內部結構與背部面板。從圖中可以清楚發現,綜合擴大機與環繞擴大機相對於前級、後級單純功能的擴大機在內部結構上更為複雜,面板也有相同的特性。

前級擴大機 Pre-Amplifier

前級擴大機功能是從音頻源獲取低電平訊號,然後送至後級擴大機進行「功率放大」。因為不同的訊號各有不同的電壓大小,必須先做處理,然後再輸出給後級擴大機。前級擴大機本身輸出訊號的電流是很微弱的,並不足以推動揚聲器,聲音會非常小聲,因此需要後級擴大機來提供功率放大。前級擴大機主要有幾個功能:

音量控制(Volume control)

目的在改變聲音訊號振幅的大小,進而調整音量的大小。

平衡控制(Balance control)

用來校正立體左右聲道音量的偏差,當左右聲道的輸出音量大小不一致時,就可以藉此調整。

平坦放大訊號(Flat amplifier)

功用是將音頻訊號加以放大,通常放大的倍數為 10 倍(20dB),所以又稱為十倍擴大機。

音調控制(Tone control)

目的在改變聲音訊號的頻率特性,包括高頻控制(Treble control)、中頻控制(Mid control)、 低頻控制(Bass control),甚至還包含有高/低頻濾波器(High/Low filter)、響度控制(Loudness control)、以及音響效果擴大機(Sound effect amplifier,簡稱 SEA)。

基本上,前級擴大機接收特別微弱的輸入信號並將它們提升,以便它們與擴大機處理的其他訊號保持一致。最常見的例子就是錄音設備。麥克風的信號非常微弱,因此被稱為mic-level,它比樂器級訊號要弱得多,因此在錄音系統中常見到前級擴大機的身影。這些訊號都需要提升為線路電平訊號,然後由擴大機提升並發送到揚聲器。這就是前級擴大機的作用:將訊號提升到適合擴大機的電平。除了增強較弱的訊號外,前級擴大機還必須根據提高音量來修改音質,因為如果沒有一定程度的音頻處理,擴大機接收到的訊號將過於渾濁並包含過多的失真。

功率擴大機 Power Amplifier

後級擴大機或功率擴大機,英文簡寫Main Amp.或Power Amp.皆可。主要功能是將前級處理後的音頻訊號做功率放大(同時放大電壓與電流,以電流放大為主),使後級的輸出訊號有足夠的功率去推動揚聲器,進而發出聲音。

後級的輸入訊號很單純,就是承接前級的輸出。但後級的負載是喇叭。後級是前級的負載,是高阻抗負載;喇叭是後級的負載,是低阻抗負載。當前級接上高阻抗的後級,一般都是 47KΩ 左右,請注意是 47kΩ,相較於喇叭阻抗,後級擴大機有個 k 足足多了 1000 倍,1KΩ=1000Ω,47kΩ 是 47000Ω。當後級擴大機接上低阻抗的喇叭,它不但要提供適切的電壓,也要提供足夠的電流。除少數特例,目前喇叭阻抗很少高過 8Ω,甚至還低於 4Ω。阻抗的一高一低卻造成「很容易推」或「推不動」現象。

所以 Hi-End 的後級擴大機,不僅要求大功率輸出,動輒數百瓦,每聲道獨立裝箱,還特別註明是大電流設計,當負載阻抗降低一半,輸出功率會提升至原來的兩倍。若是輸出電流能力不足,當負載阻抗降低時(某些喇叭在工作時,例如Dynaudio,它的阻抗會隨著訊號頻率降低而降低),若擴大機輸出電流不夠,就會產生切割─clipping,出現硬而刺耳的大量諧波失真。

推力不足會讓喇叭失真產生正常聲音以外的聲音,聽起來聲音的集中感弱,低頻轟隆隆,高音單體會有暗聲的情況產生,如果此時擴大機硬輸出大電流造成單體失控還可能有造成單體損壞的風險。擴大機品牌 NAD 推出的 NAD 3020綜合擴大器有一種設計叫做軟性削平(Soft Clipping),能使擴大機輸出過荷時,能保持聲音的柔美,就是針對這個問題的獨特設計。

綜合擴大機 Integrated Amplifier,Integrated Amp.

綜合擴大機或稱集成擴大機,簡單說就是將前級擴大機和功率擴大機裝在同一個機箱中。如果您的預算有限、空間無法容納兩個獨立的機體,綜合擴大機是理想的選擇。這種機型同時意味著所有電路運作都經過了調校,為消費者節省了匹配單獨擴大機的工作。

HiFi音響一般是將音樂再現過程的每個階段分成一個單獨的單元,這樣可以為您提供更好的整體聲音。將前級放大(從根本上說是輸入選擇和音量控制)從功率放大中分離出來是為了使敏感的前級擴大機電路(以及流過它的精細音頻訊號)遠離電噪聲大電流功放部分。注意:如果您決定在設置中使用有源揚聲器,則無需購買擴大機。因此綜合擴大機免不了會有某種程度的犧牲,不過對於樂迷而言,整個音響系統中從揚聲器、擴大機、線材等等有太多層面細節都會影響音質,因此在預算與空間的限制下,沒有最好的方案,只有最適合的方案。

收音擴大機 Receiver

收音擴大機(或稱為接收器)是將前級放大、後級放大、調諧電路三者融合在一起,故它是一機三用,常見於日系機種。相較於綜合擴大機,收音擴大機多了調諧電路,將用於接收收音廣播(Radio Broadcasting)節目的調諧器(Tuner)裝在綜合擴大機(Integrated Amplifier)上。在時下的例子中,更多的是環繞擴大機,或稱為環繞接收器,也就是整合更多聲道的接受器。

AV 環繞擴大機 AV Receiver / AV Amplifier

從英文來看,當然依照有沒有調諧器,可以稱為 AV Receiver 或 AV Amplifier,這是目前最流行的擴大機類型,這種 AV 擴大機是二十世紀末到二十一世紀音頻擴大機的主流。以時下來說,音響入門者已很少關注純聽音樂的娛樂,更多的興趣是各種大解析電影、電視影片或卡拉 OK,為了因應廣大的市場需要,日系廠商發揮了電子專長,推出了整合各種功能的擴大機,這也成為日系與歐美系擴大機最大的差異。日系著重提供整合便利的影音產品,歐美系則重視音質,兩者就看消費者偏好與需求。

AV 環繞擴大機主要特色是將音頻 audio 及視頻 video 結合在一起,音質上或許有所妥協,但它確是普羅消費者的最愛。完整的AV 擴大機,可能包括:MM 唱頭、低電平放大、高電平放大、及多聲道功率放大,內建各種解碼晶片,例如杜比 AC-3 及 dts 兩種,聲道有 5.1、5.2、7.1、7.2 甚至更多聲道環繞處理器,除此之外還有各種網路支援,有線、無線、WIFI、藍芽等等。

選擇擴大機是構建家庭立體聲系統不可或缺的一部分,因為擴大機會影響整體音質,選擇錯誤可能會產生一些問題,例如功率不足以表現喇叭效能。選擇時掌握一些原則:

  1. 簡單往往更好,越簡單單純的擴大機相對於功能複雜的擴大機,性能更好且維修成本更低。
  2. 從預算來看,綜合擴大機的價格通常會比前級加上後級搭配組合的擴大機便宜,但前級與後級擴大機分開設計的機型通常會有更好的效能表現。
  3. 環繞擴大機適合熱愛電影、戲劇、音樂的一般消費者,由於環繞音效的成熟,只要空間適當,所有人都能在客廳、房間中營造出成功的環繞音效。
  4. 如果僅是為了聆賞音樂,單純的前級搭配後級擴大機或綜合擴大機更能讓音樂保持在Hi-End的目標上。

這些擴大機的不同種類需要依照消費者的需求來選擇,以下幾個問題可以釐清選擇時的判斷:

為什麼要單獨購買功率和前級擴大機?

噪音。這是分離式(前級與後級分開)在接收器或綜合擴大機上具有優勢的第一個原因。

想想接收器必須做什麼。除了為揚聲器供電外,接收器通常接受並選擇多個輸入,並具有內置的 AM/FM 收音機調諧器。大多數還包括唱機輸入,一台接收器需要處理的工作非常繁多,就如同本文一開始的圖片,在內部機構上,接收器看起來更為複雜。

在分離式的設計中,產品設計人員不必將這麼多零件塞進一個機箱中,因此他們可以佈置更短的訊號路徑、敏感的低壓前級放大器電路不會與高壓放大器零件面對面、放大器和前級放大器不必共用同一個電源。因此,您可以通過分離獲得更少的噪音和更大的馬力。

擴大機的另一種區分是依照放大元件做區分,從外型上很容易辨別,代表古典與現代的兩種機型:真空管與電晶體兩種。

什麼時候分離式比選擇環繞擴大機更好?

如果您有多個訊源輸入設備,並且會不斷地在這些設備之間切換,那麼接收器是一個不錯的選擇。如果您要透過其他類型的媒體欣賞電視和電影,直接購買內建符合需求訊源的環繞擴大機將是更方便與節省預算的選擇。

但是,如果您是一位專注的發燒友,並且計劃像觀看媒體一樣多聽音樂,那麼單獨的系統可能是更好的選擇。它為您提供更「真實」的訊號,同時還能充分享受您的音樂。不過相對地,這會產生的缺點就是您需要在不同輸入設備之間手動切換。如果您只有一台電視設備(例如游戲機)和一台音樂設備,這實際上應該不是什麼大問題。

對於那些剛接觸家庭劇院的新手來說,環繞擴大機可能是更好的選擇。它包含入門所需的所有部分,並為您完成了很多工作,因此是一個更明智的選擇。這個問題的答案就在於您會一直長時間保持在新手或固定空間階段,還是有可能進階到專業發燒友、更換大空間或是擁有更多預算。

依照放大元件的分類:真空管與電晶體

使用於揚聲器的擴大機元件不是真空管就是電晶體,兩者的差異明顯,真空管的優勢在於表現良好的線性(簡單說就是原音重現的表現較好);而電晶體的優勢在於具有很大的放大倍率、輸出功率高、壽命長,以及較低的雜訊(簡而言之就是耐操又大聲)。

真空管 Vacuum Tube

真空管擴大機就是俗稱的膽機,外型有幾根用玻璃製做的管子,乍看之下很有科學與藝術並融的風味,因為聲音優美,雖然成本高昂與使用上不便,但仍受到許多樂迷的熱愛。尤其是膽機搭配黑膠唱片,更是流露濃濃的文青感。

事實上真空管是一種電子元件,在電路中控制電子的流動,電極被封裝在一個真空的容器內(管壁大多為玻璃),因此被稱為「真空管」。在中國大陸,真空管被稱為「電子管」,粵語中,真空管被稱作「膽」,這也是膽機之稱的由來。在 20 世紀中期前,因半導體尚未普及,基本上所有的電子器材,舉凡電視、收音機、揚聲器、無線電、雷達、早期的電腦、電子設備等,都使用真空管運作。但因為真空管需要一段時間加熱,讓陰極放射出電子運作,也因此使用真空管的電器必須預熱才能運作。真空管因成本高、不耐用、體積大、效能低等原因,被興起的半導體大幅取代,不過現在仍可以在音響擴大機、微波爐及人造衛星的高頻發射機看見真空管的身影。

一般的真空管有一定的使用壽命,壽命大約在數千小時左右,不過這裡指的壽命並非到時間後管子就壞掉,而是性能漸漸有所下降,低於廠家的檢測標準,性能下降是個漸變過程,以擴大機而言,使用者可能在耳朵逐漸適應後不容易察覺到這種變化。

以往因為使用壽命的限制,許多玩家在不聽音樂的時候就會關掉機器,藉以延長管子的壽命,但由於電子線路無法馬上展現出最佳聲音,往往得等到開機半小時以上才能完全發揮功率,認真說起來真空管是一種需要帶著優雅態度賞玩的機器。

Vacuum Tube真空管,膽機
Vacuum Tube真空管,膽機

有些高級的真空管是由手工完成,不論生產製程上如何管控,二支編號一樣的真空管使用儀器測試的數值都會有些許不同,誤差值從±1 % 到 ±10%,甚至更大,因此價位也天差地遠。因此真空管在沒有配對的狀況下,容易發生音場偏向,越靈敏的系統越會發生這種狀況。

更換真空管的價格帶也很大,從 10 美元到 100 美元(約台幣 300 元至 3,000 元);追求極致的玩家會額外付費購買配對的真空管,獲得同樣的增益(放大的量),確保一個聲道的聲音,不會高於另一個聲道。

電晶體 Transistor

1947 年 12 月在 Bell Lab. 工作的 John BardeenWilliam ShockleyWalter Brattain 共同發明第一顆固態電子元件電晶體,這個研究團隊由 William B. Shockley 領導,目的是取代傳統真空管元件,希望讓電子元件功率降低且體積重量更小,自此揭開了半導體快速發展與影響深遠的序幕。電晶體是 20 世紀最偉大發明之一,也是當下所有現代電器裡面最重要的元件,因為可以被大規模製造、生產,具有成本低廉、體積小、品質優良穩定、散發熱度低、輸出效率高等優點,因此所有電子儀器都改用電晶體作為主要組成元件。在音響設備的世界中,早期主要使用的真空管也在電晶體的出現後,逐漸被市場遺忘,不過近幾年管機有捲土重來的趨勢。

在擴大機的製造上,電晶體主要的功能為「放大」訊號與「開關」電壓。以收音機為例子,將空中所接收到極微弱的類比訊號放大後,驅動揚聲器進行發聲,便是電晶體的「放大」 作用,它可以不用改變輸入訊號的波形,只會將電壓跟電流值放大。 在音響界,管機經常被評為推出來的聲音較甜美、溫暖且高音自然; 晶體機則被認為表現出的聲音清澈結實、通透、且具有高解析力。

電晶體 Transistor
電晶體 Transistor

「管機」與「晶體機」兩者之間聽感的不同,主要來自於元件本身所造成諧波失真的差異。若將兩者的諧波失真相比較,會發現管機遠遠大於晶體機,且兩者皆會同時產生奇次與偶次諧波失真,只不過比例不同,因為管機產生大量的偶次諧波失真,所以聲音聽起來會格外有厚度、音色溫潤。不過隨著科技日新月異,各家廠牌大多能自行控制失真、甚至活用失真的特性,並創造出自家廠牌獨一無二的聲音美學。

依放大工作原理來分類:Class A、Class B、Class AB及 Class D。

根據不同的放大工作原理來分類:常見的後級擴大機類別,依序為 Class A 類、Class B 類、Class AB 類及 Class D 類。

在了解不同放大原理前,需要先簡單了解電晶體放大元件的特性。如果放大倍數為 10 倍,輸入 1 會得到 10、輸 入 2 會得到 20。在理想狀況下,不管輸入訊號多少,輸出訊號都會是輸入訊號的固定倍數,當然事實並不是如此。實上電晶體的放大特性曲線只有在中間區塊會呈現線性,其餘區塊則不然。若是輸入的訊號未能落入最佳線性區,而是分佈在其他區塊,就會造成訊號失真。此外,一個電晶體一次只能處理正半波或者負半波的訊號,若需要一次處理完整的聲音訊號,則需要兩個電晶體,或者施予直流偏壓,讓所有訊號的電壓值大於零。

擴大機輸出的功率總是比消耗的少。擴大機的效率是它輸出的功率除以它從電氣系統中汲取的功率之比。沒有擴大機是 100% 有效的,可以準確地輸出它所消耗的功率,擴大機也不能輸出比它所消耗的更多的功率。沒有到達輸出端子的功率是浪費的能量,會轉化為熱量。過多的熱量會破壞擴大機的輸出訊號和內部元件。

Class A:高保真熱源

輸入的訊號可分為直流訊號以及交流訊號。所謂的交流訊號,是指訊號會隨著時間不同而變化,反之,直流訊號不會隨著時間不同而改變,維持固定的電壓或電流值。擴大機所接收的音頻訊號,都是由正到負、再由負到正不斷循環的交流訊號。

A 類擴大機的輸出晶體管以「恆定偏置(constant bias)」運作,意思是無論是否有輸入訊號,始終以全功率運行。當沒有訊號時,晶體管的功率會變成熱量。當有訊號時,電源從揚聲器端子輸出。此外,每個 A 類輸出晶體管都會放大訊號交流波形的負電壓和正電壓部分,從而增加工作量並產生更多熱量。A 類擴大機的工作效率通常在 25% 左右。這意味著它們 75% 的能量轉化為熱量。

由於每個輸出級晶體管始終處於開啟狀態,因此不會出現影響訊號流的開啟、關閉、加熱或冷卻循環。事實上,在這種情況下,晶體管以最線性的方式運行,無失真。並且由於沒有進行切換,因此也沒有感應高頻干擾。

Class A:高保真,大量熱源
Class A:高保真,大量熱源

A 類擴大機只使用單一電晶體放大完整的音頻訊號,由於一個電晶體一次只能放大正半波或負半波的訊號,為了使音頻訊號落入正訊號的範圍內以及最佳線性區,會在輸入訊號加入一直流偏壓,以達線性放大的目標,這個直流偏壓稱為工作點(Operating Point)。

理論上 A 類放大擁有極佳的線性放大特性,不過,實際上電能利用率低於 25%(一般僅為 10%-20%)。例如供應 100W 電力,最後真正輸出到揚聲器最多也只有 25W 左右,其餘的 75W 通通消耗掉,因為轉換效率差、高耗能並同時產生高B廢熱。而熱又是所有電子元件的大敵,當溫度上升後,所有的特性又會改變,因此原先預期的諸多優點,又會有相當程度的抵減。所以印象中的 A 類擴大機都很大台、很重、很燙,通常需要配裝大型的散熱片來輔助散熱。

Class B

為了解決 A 類擴大機效率過低的問題,於是出現B 類擴大機,將單個晶體管替換為以所謂的「推挽式、互補式(push-pull)」設置的兩個晶體管來減輕每個輸出級的工作量,一個晶體管放大訊號交流波形的負電壓部分,另一個負責正電壓,然後將兩者組合成一個統一的輸出。每個晶體管一半時間導通,另一半時間關閉,每個半波分別通過其自己的晶體管傳遞並被放大。

B 類放大正因為沒有直流偏壓,所以當輸入訊號為 0 時,便沒有輸出,因此 B 類的能量利用率會比 A 類高出許多,使得 B 類擴大機成為許多省電型裝置的最愛,一般B 類擴大機的效率比 A 類擴大機高大約 50%。

不過因為電晶體有「導通電壓(breakover voltage)」的特性,這是指輸入訊號必須高於導通電壓,電晶體才能正常工作,所以當輸入訊號小於電晶體的導通電壓時,加上又沒有像 A 類放大線路一樣施予直流偏壓,這時電晶體就沒有輸出,因此產生所謂的「交叉失真(crossover distortion)」,也稱為「交越失真」,因此幾乎沒有製造商提供或生產純 B 類設計的擴大機,換句話說,B 類擴大機由於失真問題導致不適合做為高保真用途。不過由於高效率,B 類擴大機通常用於放大人聲的系統中,例如擴音器。另外還有一個容易出現的問題,是正、負兩個放大元件對稱性的問題。由於無法找到完美對稱的放大元件,也會造成其他形式的失真。

Class AB

A 類線性佳、效率差、耗費能量;B 類效率高、線性較差,於是有人設計出折衷方案:利用 B 類放大為主架構,並在其中加入 A 類放大適量的直流偏壓,來避免因電晶體「導通電壓」的特性,造成 B 類放大中,最為人所詬病的「交越失真」。在架構上既有 B 類放大的特性,又加入了 A 類直流偏壓的觀念,因而稱為「AB 類放大」。

AB 類擴大機在訊號處於低功率並通過兩個晶體管傳導時具有 A 類擴大機的特性,而在功率高時則具有 B 類擴大機的特性。對於每個擴大機,都有一個最佳偏置電流,即兩個晶體管都通過電流的時間量,可以最大限度地減少 B 類設計的交叉失真。至於正負兩個擴大機是否對稱性的問題可利用「負回授技術(Negative Feedback)」獲得改善。

因為加入了適量的偏壓,使得靜態消耗功率上不如 B 類放大來得省電,但相較於 A 類放大還是有明顯的改善,AB 類擴大機的效率比 A 類擴大機高達 60% 左右,而失真又比 B 類擴大機少,因此市面上大部分的消費型音響,多採用 AB 類進行放大。

Class D

最新的放大類技術是 D 類,以數位方式運作,具有非常低的功率損耗。與 A 類擴大機相比,所產生的熱量也少得多。D 類擴大機最具革命性的方面不是效率,而是尺寸。輸出功率為 50 瓦的 D 類擴大機可以輕易集成到耳機、智能手機和 MP3 播放器等小型設備,也可以在空間非常寶貴的任何地方集成,例如:有源揚聲器,具有集成放大功能,就是使用 D 類擴大機。

事實上,A 類、B 類、AB 類的放大原理都是將波形直接放大,利用電晶體的 「線性放大」特性。比較不同的是,D 類放大的原理是使用脈寬調變技術(PWM, Pulse Width Modulation),利用電晶體的「開關」特性,對電源實行高頻的開關控制,然後再加上低通濾波器,得到想要的放大訊號。

總結來說,不同的放大元件有以下的特色:
A 類設計效率最低,但聲音保真度最高。
B 類設計效率更高一些,但充滿了失真。
AB 類設計提供電源效率和良好的聲音。
D 類設計具有最高的效率和最小的佔地面積。這是音頻放大的現代奇蹟。

一般 A 類擴大機價格都非常昂貴,但在追求不失真的極致下,價格與電費顯然不是重點。市面上常見的主要都是AB、D類擴大機所構成的擴大機。

如何選擇擴大機

為您的家庭立體聲系統購買擴大機時要考慮的三個基本重要事項:

  • 找到適合您的擴大機和揚聲器的阻抗
  • 我的立體聲設置需要多少功率(或瓦數)
  • 什麼是揚聲器靈敏度,為什麼它很重要?

為什麼揚聲器和擴大機阻抗很重要?

阻抗以歐姆(Ω)為測量單位,並隨頻率而變化。揚聲器的電阻會影響從擴大機取得的電流量。比較棘手的部分是阻抗並不是靜態的,它會根據播放的頻率而變化。揚聲器的製造商沒有說明每個頻率的阻抗,而是說明“標稱”阻抗,即揚聲器阻抗最低值的平均值。

額定阻抗是選擇揚聲器和擴大機時需要查看的數字

大多數揚聲器標稱額定值為 4Ω、6Ω、8Ω 或 16Ω。阻抗越低,揚聲器就越難以驅動,擴大機需要越努力工作才能提供相同的音量。

您可以在揚聲器和擴大機的規格表上找到阻抗。將高阻抗揚聲器連接到低阻抗擴大機通常是可以的,但是在將低阻抗揚聲器連接到高阻抗擴大機時需要小心。

您需要知道的是如何考慮揚聲器的額定阻抗與擴大機標示的阻抗之間是否適配。會有幾種情形:

  1. 連接具有相同阻抗的揚聲器和擴大機:也就是擴大機和揚聲器的額定阻抗是相同的,這是最理想的情況。
  2. 將具有較高阻抗的揚聲器連接到具有較低阻抗的擴大機:通常也可以這樣做。這樣你不會損壞任何東西,但如果揚聲器阻抗明顯高於擴大機的阻抗,你會損失一點音量。
  3. 將具有較低阻抗的揚聲器連接到具有較高阻抗的擴大機:避免這種情況。它會使擴大機過度工作並損壞揚聲器,更不用說造成不必要的失真了。如果您絕對必須這樣做,請確保將音量保持在較低水平以避免出現問題。

我的揚聲器需要多少功率(或瓦數)?

這是一個相對複雜的問題。

擴大機的功率輸出以瓦特為單位測量,並將確定您的立體聲音響的音量。如果您使用的是相對較新型號的揚聲器,連接到一個相對現代的擴大機,在家中一般大小的房間裡聆聽音樂,將音量保持在適當大小,就不用太擔心有問題。購買綜合擴大機或後級擴大機時,第一個要決定的就是你需要多大的輸出功率。實際上擴大機需要多大的功率,與揚聲器的靈敏度、聆聽空間的大小、以及所需的聆聽音量有關,我們稍後會簡單解釋。

實際上家用環境並不需要特別大的功率。若是將揚聲器擺在書桌上,聆聽距離 1 公尺左右,就算是低靈敏度的揚聲器,4 W~8 W 的擴大機也已經綽綽有餘了。若是在一般大小的客廳或書房,則擴大機的功率 30 W~60 W 左右也已經非常足夠。因此除非你選擇的揚聲器有特別的規格,否則一般擴大機應該都會有足夠的功率推動。

擴大機的瓦數往往與價格成正比,若擴大機的功率不足,便無法發揮揚聲器的真正實力,聲音聽起來會受到限制且缺乏動態。揚聲器規格通常會標示額定功率,讓您知道應該確定配用的擴大機功率輸出。您可能會在擴大機規格的規格表上看到幾種不同的額定功率。而要認識一台擴大機的能力,需要先了解擴大機標示的功率真正的意義。

擴大機一般都會標示單一聲道的輸出功率,標示分為兩種,一種是,連續輸出功率(Continuous Power Output)也稱為額定輸出功率(Rated Power Output),有效值,有時候廠商標示為(Root Mean Square, RMS),這牽涉到複雜的電壓等觀念,先不討論。另一種是最大瞬間輸出功率(Peak Music Power Output, PMPO),也就是峰值。PMPO 僅代表擴大機於短暫的瞬間裡可輸出的最大功率,其數值往往高達數百瓦甚至數千瓦。RPO數值才是我們主要查看擴大機的真正實力。

此外廠商測量擴大機時輸入的訊號是單一頻率還是全頻段(20 Hz ~ 20 kHz)也會影響數值。輸送 1 kHz 60 W 比輸送全頻段 60 W 要簡單容易。單聲道輸出時量測到的功率也會比雙聲道同時輸出時大,大部分擴大機標示的都是單一頻率、單聲道輸出時的最大功率,實際聆聽時不可能是這種情況,因此,擴大機實際使用的瓦數要再打個折扣。

隨著輸出功率的增加,擴大機的總諧波失真(Total Harmonic Distortion, THD)也會跟著提高,進而影響聽感的純淨度。總諧波失真的條件訂在 0.1% 或 1%,量測出來的數據可能會差到數十瓦,前者對聲音品質的要求遠較後者來得高。

因此,在比較擴大機的輸出功率時,不能只看單一的數字,還要留意是以何種標準量測。是 RPO 還是 PMPO?測試訊號是單一頻率還是全頻段?是雙聲道同時輸出還是只輸出單一聲道?總諧波失真的條件是 0.1% 還是 1%?把所有條件考量進去後,才能較客觀地比較擴大機的輸出功率。

擴大機的功率越大,音質就越好呢?

答案是不一定。如同揚聲器的靈敏度與音質並沒有正相關,擴大機的功率與推得好不好、聲音的細節表現等其實也沒有絕對的關係。使用者依照自身的聆聽習慣和環境,購買符合自身需求的擴大機,無需一味追求大功率。

如何匹配您的擴大機和揚聲器阻抗

讓揚聲器的阻抗在擴大機的能力範圍內。如果您的揚聲器阻抗與您的擴大機相比太低,那可能會損壞揚聲器或擴大機。如果您使用的是近幾年的機型,通常不需要太擔心。但是,您應該注意這一點,尤其是您正在使用電子管擴大機、老舊的擴大機,那就有必要特別注意。

這些複雜的規格意義講起來都非常冗長,好消息是,您不必找到精確匹配,相對更重要的原則是,擴大機的功率要高於揚聲器的額定功率,而不是更低。揚聲器製造商可能會給出揚聲器可以處理的功率範圍。因此,您應該檢查您的擴大機是否會在該範圍內提供功率輸出。

揚聲器和擴大機匹配:一個例子

讓我們看看下面的 Solano Bookshelf Speaker BS 283。這是 ELAC 推出的書架喇叭

ELAC Solano BS283 Bookshelf Speaker
ELAC Solano BS283 Bookshelf Speaker
ELAC Solano BS283 Bookshelf Speaker規格
ELAC Solano BS283 Bookshelf Speaker 規格

規格告訴我們 Solano 的標稱阻抗為 4Ω(nominal impedance:4 Ω),適用於額定阻抗為 4Ω 至 8Ω 的擴大機。規範還建議將其與每個通道(或每個揚聲器)提供 40 到 200 瓦功率的擴大機相匹配。

現在讓我們來看看 DS-A101-G,Discovery 綜合擴大機。如上一節所述,持續功率是要查看的數字。

ELAC DS-A101 Discovery Integrated Amplifier with Streaming
ELAC DS-A101 Discovery Integrated Amplifier with Streaming
ELAC DS-A101 Discovery Integrated Amplifier with Streaming規格

規格指出,這款擴大機可以在幾種不同的阻抗下工作,並且阻抗低至 2Ω。由於我們的 Solano 書架式喇叭額定值為 4Ω,因此擴大機將為 Solano 書架喇叭的每通道提供大約 80 瓦的連續功率(Two channels driven into 4 Ohms @ 1kHz: 2 x 80 W),80W 在揚聲器標示的 40-200 W 範圍內!

擴大機需要多大的功率,與揚聲器的靈敏度(Sensitivity)也有很大的關聯。

一般家用音響對功率的需求其實不大,購買時一般建議瓦數為理論值的 2~4 倍。此外,揚聲器與擴大機的數據都是廠商提供的,這些數據是如何測得、數據的真實性也不容易驗證,甚至,有些數據的標準是各家廠商自行決定的。要精確地測量音響設備的規格,測量工具與檢測環境都要花費不少金錢,並非每家音響廠商都能負擔高昂的測試費用。

因此對待擴大機與揚聲器,應該了解所有數據都只是參考用途,千萬別當成唯一依據。事實上更簡單而可靠的方式可以透過網路上的評價或是多拜訪幾家專業音響店的意見,通常能得到更具價值的建議。

在正常使用情況下,架構一套供家庭使用的音響系統時,通常不會有很大的問題,目前大多數現代組件都能正常運作,購買前有基本的知識,對於擴大機而言,有更多關於規格進一步更深入的知識,如果您有興趣,可以參考幾篇文章。總之購買前多蒐集幾家品牌的機種資料,從價格帶與硬性需求來縮小選擇清單,最後前往音響店試聽,您應該能獲得理想中的家庭音響系統。

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