自信背后的实力(上)
—— 听设计师邹元元谈放大器设计

赵聪


和邹先生认识已有好几年了。对我来说,邹先生亦师亦友。因为我经常听他给我解释一些有关放大器和音响的技术性问题。要知道本人并不是学电子专业的,但邹先生却总能用我能够理解的语言,把复杂的问题讲得既明白又浅显,令我大为折服。早在“红灯时期”(邹先生在“红灯”主持高级音响开发部的那一段时期),我就想作一次专访,让广大读者分享邹先生对于放大器设计的一些真知灼见,专为此事也与他接触过好多次,但总觉得作一次全方位访谈的时机一直不成熟,一来二去,这件事也搁了下来。去年下半年,邹先生带领手下原班“同志”创建了柯颂电子有限公司,开山之作的K9放大器推出之后,反响热烈,成为近期音响市场一颗耀眼的明星。谈话自然从K9开始。

  • 关于K9

    你为什么会选择设计象K9这样的一个产品作为柯颂的处女作呢?

    作为设计者,我总想去设计一些对自己来说有点新意的东西,柯颂的第一个功放没有去做国内比较热门的纯甲类,是因为几年前我们已经做过大功率的纯甲类机 (注:指单声道全功率平衡150W纯甲类的红灯M200),要在甲类规格方面再作超越已没有多少现实意义。但大功率合并机,以前我们没有做过,市场上也少见,所以我选择了大功率的K9。事实证明,K9顺应了市场的需求。不过你也知道,当市场主流是中、小功率放大器时,做大功率机所要求的元器件,市面上就比较少,就算找到,有时还要面对“奇货可居”的必然遭遇,如K9的设计功率在8Ω时超过200W,峰-峰值输出电压可达120V,在特征频率、耐压、封装形式等各方面都在我理想之中的输出晶体管没有找到,现在采用的东芝牌C5200和A1943在封装形式方面符合了K9的设计要求,只好先 “权宜”一下,如果特征频率达到50MHz、耐压达到250V的话对K9会更理想一些。我期待着尽早得到更合适K9的输出晶体管。

    谈到输出性能,我记得K9说明书中称“最大输出电流”有60A,这是怎么得出来的,又有什么实际意义?

    回答这个问题之前,先谈 “最大输出电流”,放大器把输入的小电压放大成“大电压”,“大电压”又被人接到喇叭的两端,于是喇叭中流过大小等于“大电压”除以喇叭阻抗的音频电流,喇叭阻抗变越低时电流就变大,输出电流相对喇叭阻抗而言是“被动”的。功率再大的放大器,如果不接喇叭,尽管输出了“大电压”却不能输出电流。而“最大输出电流”是指放大器依然安全时 “电流输出能力” 的极限。因此放大器的“最大输出电流”主要受制于输出级晶体管。当今的晶体管功放绝大多数都采用最简洁的整流滤波电路作为主电源,它的连续供电能力受制于变压器和整流器的规格,而瞬间供电能力还得依赖滤波电容,这种电源的最大优点正在于此!理论上,电容的放电电流是“电容两端的电压对时间的导数与电容量的乘积”,简单讲,只要放电时间足够短,电容两端电压下降时放电电流就足够大,工程上当然要设法克服滤波电解的缠绕电感等影响瞬间放电电流的因素。“焊机派”爱好者大多能从大电解瞬间短路放电的“后果”中体会滤波电容那种几乎不受限制的瞬间放电能力。所以说限制放大器瞬间“最大输出电流”的因素是输出晶体管的ICM(最大集电极电流)这个极限电流参数。K9采用4对输出管,每对的ICM是15A,加起来就是60A。

    是否存在所谓“小功率、大电流”的放大器?

    对家用功放来说,这种提法不太规范。现今的高保真功放基本属定压输出型放大器,输出功率以流过负载的电流平方乘以负载阻抗来计算,大功率时大电流,小功率时小电流都属正常状况。如果我们把一台能在8Ω载阻上输出28.3V峰值(20V有效值)电压的50W放大器的输出能力暂且看作“小功率”,而把40A的电流输出能力看成“大电流”, 粗算一下要使这个“定压输出型”放大器输出40A的电流,这时的负载阻抗必须低至多少呢?大约0.7Ω左右吧,或者说这个50W放大器在推8Ω音箱时,40A这个电流值是不会出现的,如果这个输出28.3V峰值电压的放大器有能力在0.7Ω负载上输出了40A峰值电流,这时的有效输出功率恐怕已经超过500W,果真如此的话,这是一台很优秀但决非“小功率”的放大器。对于小功率机而言,“大电流输出”,通常表示放大器中使用了ICM较大的输出管或使用了较多的晶体管作并联输出,真正有机会在既定负载上有“大电流输出”的,还是大功率放大器!用“小功率、大电流”来形容汽车放大器可能更确切,那里供电电压低,只能用很低阻抗的喇叭,输出相同功率时,更加 “大电流”一点。

    我曾不止一次听你说过,K9设计上相比过去机种最具突破性的改进,就是采用了大功率的推动管驱动输出级,这种做法到底有什么好处呢?

    那要从92年时我搞第一台正式的产品放大器,也就是“红灯”DM200说起了。当时做设计的时候,参考分析了国外一些优秀机种,如Mark Levinson的№23.5等,最引我注意的,是当时很多Hi-end后级都用到6对甚至8对以上输出管。最初对此的看法比较简单:“用并联输出管的方法降低放大器输出内阻”。但降低输出内阻的方法还有好多,比如降低推动级的内阻、加深负反馈等都可以,而且实用上更加经济,那些名机为什么要用多管并联呢?后来在用“晶体管特性图示仪”分析功率管饱和压降离散性时,直观看到晶体管那种大电流时电流放大率hFE明显下降的特性,我联想起输出管并联的事,这两件事被联系在一起考虑时,是很容易明白用多管并联来改善输出级电流线性的高妙之处的,因为晶体管一般特性是在集电极电流IC较小时,hFE也较小,IC达到一定值后在一个范围内,hFE的变化就不明显了,此时hFE的线性较好,再增大,hFE又会下降。接近ICM时的线性肯定不好,表现为谐波失真增大。讲到这里,你就会明白,多管并联减小了每一对输出管的输出电流范围,使它们能工作在hFE相对线性的区域,从而降低放大器的开环失真。这种做法现在已被普遍采纳了。当时设计DM200时,我用4对150W/15A的输出管并联,按“常规”用20W的中功率管作推动,因整机的满功率特性在当时看来已非常不错,就没有进一步考虑向推动管的线性挖掘潜力。到设计K9时,我希望进一步提高输出级的电流线性,偶然情况下想到了推动管的线性范围,想探索一下,就一改常规,用PCM100W /ICM10A的功率管担当K9的末前级,测试结果令人兴奋:开环情况下,K9在8Ω满功率输出时的THD低至0.07%,这样即使施加少量负反馈,放大器的闭环指标也很好了。不单线性改善,大功率推动管对整机在控制力、驱动力与解析力方面的贡献,听感上已全面表露出来了,我想你一定不会反对我的看法吧。也许我孤陋寡闻,对有关这方面的研究现状了解不够,但做了K9以后,我比较注意观察各种机器中推动管的使用情况,这种做法目前是“冷门”的,以我的看法,在高级机中这样做不会显得奢侈,与随手使用“进口补品”相比,可能比较理性一些,应该推广。

     

  • 负反馈是一把双刃剑

    在许多发烧友看来,放大器的大环路负反馈是“万恶的渊薮”,既然K9不加大环路反馈的指标已十分优秀并且能稳定工作,为什么还要实施负反馈呢?

    以“双刃剑”来形容负反馈对放大器的作用是很贴切的,负反馈是一门非常成熟的控制理论,在放大器中使用负反馈,可以降低噪音、拓宽频响范围、降低非线性失真、控制产品性能的离散性等,这一切对改善放大器的声音质量不但不矛盾,而且是有利的,负反馈被用作全面提升放大器素质的重要辅助手段。体现出负反馈 “友善”的一面;但使用不当,也可能因为负反馈而导致放大器产生问题,轻者可以因工作不稳定而引发声音不自然、发毛等弊端,重者能导致放大器因自激而烧毁,这是负反馈 可以“致命”的一面。如何正确地驾驭并使用负反馈,也是产品放大器设计中的“技术重点”之一, 设计中不经过有关稳定性的定量分析及测试的负反馈放大器出好声的机率是很低的。顺便想通过你和《现代音响技术》杂志向“自作高手”和“磨机一族”提个忠告:“业余条件下请勿随意‘磨’负反馈,更不要为放大器随意施加负反馈,否则烦恼一定多过乐趣”。你所说的那些有关发烧友对大环路负反馈持否定意见的观点,在一些杂志上我也经常看到,主要是一些定性推断,而不是建立在实验数据基础上的定量结论,我认为要认同这些观点的理论依据还不够充分,但我也不反对这种毕竟具有积极意义的假设性推断。70年代初,以芬兰电声学家奥塔拉为代表的专家们提出了晶体管负反馈放大器中“瞬态互调失真”产生的机理及对它进行定量测量的方法,从而成为70年代声频领域的一次重大技术突破。“晶体管声音”差一点因“瞬态互调失真”而被“打入冷宫”。时过境迁,随着晶体管特征频率的不断提高,在音频范围内如何避免瞬态互调失真已非难事,认识与驾驭负反馈成了当代设计师的“必修课”。在97年1月的《Stereo phile》中我又看到了有关能够克服瞬态互调失真的文章。事物总在发展的。以前做“红灯”DM200时,我曾怀着甩掉末级负反馈的企图,对同一台放大器的两个声道做过一次大环路反馈是否包含输出级的AB比较,测量结果是环路反馈不包含末级的放大器输出功率增大时,THD明显大于另一声道,负载阻抗变低时,结果更加糟糕,而在用一个开关切换两个声道同时输出的相同音乐信号进行最“残酷”的比较试听时,在场的三位同仁,竟然是一致地“听不出区别”,在这样的结果下,只能放弃我的“企图”。要用好负反馈确实不易,如胜算不大,采取回避的办法而不用或少用负反馈,也不失为是一种务实有效的方法。K9输出级的线性已经不错,可以考虑把负反馈取样点放到电压放大级,但上一次AB比较的结果,使我至今没有兴趣再去做一次相同的比较。K9后级采用两级电压放大器,即使不包含末级,环路反馈还是必不可少的,否则增益超过50dB,信噪比也不够,没法使用。只要运用得当,我觉得大环路负反馈并无不妥,只要重视应用得当,就能成为负反馈的受益者。你可能也注意到,目前世界上Hi-end级的放大器中,采用大环路负反馈还是主流。

     

  • 纯甲类功放象蒸汽机车

    在这次国产精品博览会上,我听到许多参观者问你K9是不是纯甲类机,我想听听你对这个问题是怎么看的。

    什么是甲类?按照IEC的定义,放大器工作时放大管不产生开关动作、不截止的,都可称甲类。要说“纯甲类”,我认为不仅是没有开关动作,而且工作电流还必须是不随音乐信号而变化。诸如“新甲类”、“超甲类”之类滑动偏置电路,只是在放大管不关闭这一意义上保持着甲类特征。工作电流随输入信号而变化,就够不上“纯”甲类。

    为什么很多人对纯甲类放大器有好感呢?这得从元器件说起。美国人发明了晶体三极管,起初当然是低频管,索尼公司为了在收音机中使用晶体管,花钱向美国人买下技术,重新研究后造出了可用于收音机的高频管,从此开始了晶体管在工作频率方面的发展,但大功率管发展慢,小功率管发展快,早期音频功放的功率管主要是锗管,开关速率太低,乙类推挽工作时产生大量可闻的开关失真,造成听感不适,甲类机避免了开关动作,听感明显好于乙类、甲乙类机。在低速管流行的时代,人们以甲类工作的低效率,换来听感的“高保真”,同时也把对甲类机的美好感觉保留至今,乃至有人至今仍不敢越 “甲类”半步。现在的音响功率管特征频率已可达到五、六十兆赫,工作在甲乙类状态下,虽是 “开关依旧”, 但测量结果却表明,在可闻的频率范围内,其开关过程所引发的谐波成分已低于放大器的本底噪声,人耳是否能听出来呢?日本各大音响公司在80年代初掀起过一股争相开发“无开关失真放大器”的热潮,那时在电声情报网的网刊上有关报道“全日本音响大展”的文章中,我看到了“先锋方式”、“JVC方式”、“松下方式”等各种用于克服开关失真的“新甲类”、“超甲类”偏置方式,好象还有“安桥直线开关”是用于减少开关失真的,但后来都逐渐淡出了历史舞台,你认为是不是高速晶体管发展的结果呢?用现在的高速晶体管去开发生产纯甲类推挽放大器(单端式放大器必须甲类,不属此列)大概缘由“纯甲情结”吧。

    大功率MOS管结电容较大,容易产生开关失真,你上次通过仪器也观察到了,所以如果输出级采用MOS管,采用纯甲类方式就有利一些,国外很多功放用MOS管时,都采用纯甲类方式,比如金嗓子就是。MOS管的输入特性接近平方律,即使产生一些失真,听感上也可能取悦于人,末级不包含在大环路负反馈之内,MOS管特有的声音特性更容易表现出来。我遇到过有人张冠李戴把这种“MOS管的声音” 归功于纯甲类的,当然也不必太“原则”,听音响主要是玩嘛!

    纯甲类有一个被人忽视的弱点,就是甲类功率随负载阻抗而变。甲类功率是这样表达的:甲类功率=(静态电流)2×负载阻抗×2,纯甲类机静态电流不变,而扬声器阻抗随频率而变化,于是甲类功率就成为扬声器阻抗的函数,一个在8Ω负载上可输出50W的甲类放大器,要是扬声器阻抗在某处跌至2Ω,甲类功率自然降到原来的四分之一,只有12.5W,相当于一台高偏流甲乙类功放,一般8Ω二、三十瓦的甲类功率实际意义就更小了。对于阻抗特性多变的扬声器,“无开关失真放大器”可能更加保持“甲类本色”。

    可不可以告诉我K9的末级静态电流是多少?

    每管50mA,共200mA。

    这么小,无怪摸上去不怎么热。

    以K9的散热条件,在常温下工作,再增大一些是不会有问题的。

    那为什么不增加一些呢?

    两个因素,首先,设置偏流的目的是为了克服晶体管的起始电压,杜绝交越失真,对K9来说,200mA已满足设计要求,其次是出于可靠性的考虑。经常有朋友建义我调高K9的偏流,认为机器烫一点好听,但散热器温度是必须严格限制的。在从大气、散热器、管壳、直至管芯这条途径中,因为热阻,温度逐级提升,管芯温度最高。气温升高时,管芯温度也升高。晶体管管芯极限温度不能超过150°C,设计产品放大器,必须保证同时出现极限气温、不良散热条件、大功率工作等众多不利情况时,仍然满足以上要求,不能以一地一时的手感温度作为判据。更何况散热器温度与偏流之间并不存在绝对的数值关系,加大散热器尺寸、改良散热器材质、形状都可以减小其热阻,降低手感温度。做产品设计的 “自由度”比搞“土砲”小得多,如不能根据自己家里的环境来调偏流等,所以“乐趣”也少,这一点我体会很深。

    你过去已经搞过一台可以说是“不计成本”的甲类机,是否意味着今后不会再生产甲类机了呢?

    这倒也不是。纯甲类机象一台古老的蒸气机车,在既显背时、低效,且不 “绿色”的同时,仍因其工作时具有 “理论性的先天优势”而不失其庄重而又神圣的里程碑形象,成为放大器发展史上“永恒的经典”,我知道很多人喜欢纯甲类机,所以在时机成熟时,我们也会推出一两款处处体现“纯甲精神”的放大器以满足 “非甲不欢”人士的“纯甲情结”,只是不希望有“纯甲人士”陆续变节。(未完待续)

    《现代音响技术》第33期





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