理想中的A类
—— 自适应偏置在功率放大器中的应用

邹元元


传统的模拟式音频功率放大器,其基本电路形态发展至今,似乎已接近“停格”,相同的互补SEPP(单端推挽)结构,无输出变压器、无输出电容、功放内部直流偶合,如果你了解了这一些,再去细观林林总总品牌、型号各异的商品功放之根本,你一定可以感叹彼此之间的似曾相识。的确,模拟式音频放大器发展至今,技术理论方面的成熟,已使产品很难再现其初期的快速发展势态,对专业设计人员来说,在产品方面可能的作为,就如同画家面前等待细微之处最后润色之作品,可进一步突破的空间和可能性已极其微小,不断有使你心动不已的“新电路”发表的年代,其实早已成为遥远的过去。

如果把电路负反馈的应用、电子管超线性放大器的发表、SEPP电路拓扑的奠定等,作为音频放大器发展历程中的里程碑,记忆中的一些电路创新与改进,就只能算是音频功放走向“完美”道路中的,最后的途中小站。很无奈,一切都缘因模拟音频放大器的基础理论,早已发展至近乎完美的“境地”。任何事物的发展大抵都是如此,接近“完美”之时,就是其“大限”来临之日,“失去可预期的、进一步广阔发展的空间”,想必是最可令人信服的理由。音响中,“完美”至登峰造极的LP系统,尽管集“最自然的音乐表现力”、“超凡的频响延伸”、“不食人间烟火的音色”于一身,终究也摆脱不了“无可奈何花落去”的归宿。回想当年之CD对LP,新诞生的数字式功放,是否也预示了模拟功放的未来?!“夕阳无限好”或许是今日模拟功放的最好写照。

现实中,层出不穷的电路“改良”与“提高”,当然还在把模拟功放的“完美”进一步地推向“更臻完美”。笔者认为:在既定电路拓扑结构基础上,在提升高端模拟音频功放音质的所有的“设计”手段中,充分考虑扬声器阻抗特性、功率器件开关特性与放大器的过载特性,是产品设计中相对比较务实的技术思维。

  • 基于扬声器阻抗的“驱动力”

    音频功放的“天职”,是向扬声器输出所需的音频功率,通常,商品扬声器的标称阻抗在4Ω至8Ω之间,对于音频功放来说,把扬声器的标称阻抗作为它的标称负载阻抗不但约定成俗,更是产品设计、检测过程中标准的技术规范。不幸的是,现实中的扬声器负载普遍地呈现复杂的阻抗,通过电动式扬声器的典型“阻抗-频率”特性(图1),我们可以看到,它的阻抗频频低于标称值,实际工作时,当遇扬声器反电动势与驱动电压瞬时 “同相叠加”时,呈现在功放输出端的等效负载阻抗将更进一步降低。有这样一个实例:一台设有截止式过载保护电路(过载时自动切断功放与扬声器的连结)的红灯牌DM200晶体管功放,设计中过载保护电路起控的条件是阻抗低于1.3Ω,而每一台该型号功放,在出厂前的生产检测过程中,又都通过“400W/2Ω”的功率测试项目,但就是这样一台具备超过“400W/2Ω”实际输出能力的功放,在驱动一些正牌扬声器时,仍遇到了不少“过载保护”的情形,设想一下,当这台功放工作在接近“过载保护”边缘时,功放输出级要承受扬声器何等严酷的考验!对此,我们可以进一步设想一下,对输出能力只能应付8欧姆负载的放大器,此时还能给出什么样的音质呢?!这样的情形实际上已不容产品设计师无视或回避扬声器复杂阻抗的现实。当然,这是对真正Hi-end级产品的要求,对小型放大器或廉价的普通产品是不应有如此苛求的。

    美国Madrigal音频实验室在开发新一代Mark Levinson单声道“№33”功放时,首先提出了看似简单的目标:“在全面改善传奇的№20.6(此前的参考级产品)声音的基础上,建立新的参考标准,使之在任何时候都能向可能的负载有效提供无限制的功率,这项功能的定义是至少实现这样一个目标:能够向8欧姆输出相当于300瓦功率的实际电压,并且在1欧姆时加倍达到2400瓦”。可以说,在这一项新的参考标准中,以1欧姆作为目标负载,反映了前沿产品的优秀设计者在深刻理解扬声器阻抗特性后所表现出的,理性的思维与务实的态度。以“对音频功率放大器负载的认知度”去推断一个国家、一个音响厂商、乃至一名设计师在音频功率放大器方面真实的“音响”技术水准,是决不为过的。可记得早期那些套装机中的功放?尽管它们电源单薄、用功放管吝啬甚至用“厚膜电路”主司功率输出,但产品说明书往往会善意地奉上令您满意的、指定在8欧姆条件下“非常好”的技术指标,它们在声音方面的不尽如人意,使人无法把高的指标与好的声音相关联,客观上造成了人们对功放技术指标的藐视,并迫使购机者在不得已的情况下,冒险采用并不十分可靠的“耳朵收货”法去购机。可以说,由于当时主流产品的设计者们对扬声器特性的普遍轻视和了解不够,造成了大多数放大器产品在实际驱动能力上的严重缺陷,在国内,你可以从以前详细介绍功放设计步骤的一些技术文章中、从高等学院的教科书中、从与音频功率放大器有关的国家标准中看到,扬声器负载从来就是以纯电阻来等效的。早在80年代初,芬兰学者奥·塔拉与日本学者葵积也通过对“功率放大器输出能力”的专题研究,已经揭示了扬声器阻抗特性对功率放大器输出能力的影响,例举了某些在8欧姆条件下看似“强大”的功率放大器,在仿真的复数阻抗负载面前性能“崩溃”的实例,同时也阐述了有关扬声器负载的仿真方法等。这一看似“基础”的研究成果,对今日中国的Hi-Fi业来说,依然能显示它的前瞻性。正如不能以平坦道路上的性能反映车辆的越野性能,长期以来哪些基于纯电阻负载的放大器设计、测量能反映多少放大器的“实用性能”呢?

    高级音响放大器的设计必须是基于扬声器阻抗特性的。

    产品中,提高或保证功率放大器对扬声器有效驱动能力的最基本的技术手段是,加强功率放大器向低阻抗负载输出电流的能力(当然要以充足的电源供应作保障),为此,通常需要许多的输出器件(功放管并联)以提供必须的电流。

  • “纯A”的局限

    在功率放大器中使用A类偏置的最终目标,是为了防止输出器件被反向偏置。在晶体管功放中,因为反向偏置的晶体管被强行关闭时,会在有用信号中引入开关失真的高频尖峰。当输出器件的开关速度达不到足够高时,交越失真的高频尖峰就可能在可闻的音频范围之内,不同程度地对听感造成有害的破坏。在AB类功率放大器中,可以通过采用高速功率器件,以大幅度缩短开关时间的原理,来“压缩” 开关失真相对有用信号的“时间比例”,进而达到有效降低输出器件开关失真对音质的影响,这是AB类放大器取得良好音质的必要前提,此外,在降低开关失真的同时,此举还可以改善放大器对高频信号的还原能力,表现出高超的解析力及中高频充沛的量感。

    对于Hi-end级产品来说,崇尚的是“无可挑剔”的完美,自然也就不希望“理论性”的缺陷存在,采用“纯A”方式以杜绝“开关失真”这个“理论性”的缺陷,几乎是以往各品牌中“旗舰”级型号用以表征其“决不妥协”风骨的最常用手法。

    在A类放大器中,每声道的最大A类输出功率,可以在测量出该声道输出级静态电流后,

    通过算式:Pa(W)=2×Io2×RL

    来计算,式中:Io(安培)……输出级静态电流(多管並联时为各管电流之总和)

    RL(欧姆)……负载阻抗

    习惯上所称的“A类功率”,是特指上式中负载阻抗为8欧姆时,计算得出的功率。一台标称50瓦的纯A类放大器,相对4欧姆负载而言,标称A类功率自然就降低为25瓦。当你了解 “扬声器阻抗随频率而变,且频频低于标称值”以后,就可以发现上式表示的“A类功率”并不是一个恒定值,由此导出了“纯A”的局限这个话题。

    在传统的纯A类晶体管功放中,以固定的偏置电压跨越输出端(中点)施加于输出晶体管(图2),它不以负载状态作任何参考。当因负载的需求而输出电流增加时,发射极电阻(放大器输出电流的一侧)上的电压增加,同时另一侧发射极电阻上的电压减小,当第一个发射极电阻上电压的增加量超过其原先的静态偏置量时,第二个发射极电阻上的电压将降低至零,在此之前放大器保持A类状态。如输出电流继续增加,与第二个发射极电阻同侧的输出晶体管将由正向偏置降低为零偏置进而被反向偏置,放大器进入B类状态。由此可见,A类操作的基本原理是:用一定量的高偏流去设法“延缓”输出器件的硬“截止”,使其在设定的范围之内保持“纯A”。

    由于扬声器负载呈现复杂的阻抗,且会频频低于8欧姆,当负载阻抗下降时,所需的电流自然会增加,与8欧姆负载情况相比,发射极电阻上电压的增加将更剧烈。其结果是:对于复杂阻抗或低阻抗(或两者同时并存),甚至是保守设计的“A类”放大器,工作状态都会被迫超出原来设定的A类范围。

    理论上,要解决低阻抗或高输出电流时输出器件关闭的问题,可籍由增加静态偏流量来实现,但是,当负载不再是8欧姆,而低至例如2欧姆时,要保持A类状态,以防止晶体管在低阻抗时产生有害的截止,就需要大幅度地提高静态偏流,高静态偏流和大量输出器件结合,结果是造成放大器巨大的静态电流和随之而来的、极其严重的“热”问题。众所周知,至今为止没有那一台纯A类商品放大器是这样施加偏置,或者说能在负载阻抗大幅降低、输出功率成倍增加的情况下,仍然保持A类状态的。这就是所谓“纯A”的局限。

    然而,更优异的音质(要求高偏置)和理想的功率储备(要求大量的输出器件),是Hi-end放大器永恒的目标。如何设计一个放大器,使它具备必需的巨大功率储备,以保证驱动扬声器充分、精确地再现现代音源的动态范围;同时,在放大器所有可能的工作范围内(如扬声器阻抗大幅降低、输出功率成倍增加的情况),全过程地保持A类状态,是放大器设计中的理想境界和经典的两难选择。

    作为题外话,但有必要提出的是:在传统纯A类功放中,为了逸散由于静态功耗所产生的巨大热量,输出器件通常要多于普通同功率AB类放大器的使用量,此举同时带来了功放驱动力的有效增强及对声音的改善(主要是低频),但是,此“功劳”长期以来一直被误记在“A类”的名下。

  • 对可变偏置的回顾

    自80年代初以日本各大音响公司掀起“无开关失真放大器”热潮开始至今,以实现高效率A类为目标的各种A类方式断断续续地时有所见。早期那些名称各异的诸如“新甲类”、“超甲类” 等方式,都是我们比较熟悉的,尽管它们实现的电路方式各不相同,但目标却完全一致:避免或延缓功率晶体管的开关动作。其中的“新甲类”方式是以高速二极管的开关来替代低速功率晶体管的开关,是一种技术上的“权宜之计”,高速功率晶体管出现以后,它最先“淡出”技术舞台。在一些其它形式的“超甲类”方式中,“可变偏置”或“滑动甲类”是最具代表性的,这种方式的技术着眼点是:同时满足静态时足够低的静态电流和大信号时的高偏流,最简单的方案是:根据输入信号的幅度来调节偏流的水平,使偏流的大小能按比例地跟踪输入电压,以期达至在当时看来的理想境界:小信号时相应的低偏流,并根据信号的要求而逐渐增大偏流。

    不幸的是,当时的可变偏置放大器鲜有达至理想状态的,在以后的研究中清楚地发现,它们的很多局限可以被追溯至原理上的先天不足:对电压增益级输出电流的动态分流严重地影响敏感的电压增益级,进而产生不稳定以及使放大器开环特性劣化;以传统纯A类放大器为逼近对象,低阻抗时进入B类状态自然也就在所难免。

    另外,过分单纯地追求对输入信号的跟踪,还会导致忽略系统中另一个关键的电路要素:扬声器。它的角色更像是一个传感器,对已输出电压的放大器,扬声器决定着其必需输出的电流。面对低的、复杂的阻抗,当所需的高电流造成发射极电阻上超高比率的电压时,即使实现了如上所述的,可按输入信号比例滑动的偏置方案,输出级晶体管依然会被强行关闭,其结果是重复回到B类状态,并再度引发可变偏置电路原来打算避免的开关失真。

    类似“超甲类” 方式的“可变偏置”,在当时商品功放中曾被作为产品的标志性技术而备受推崇,但最终还是因为它在声音方面没有达到人们对其“一举定乾坤”的期望而悄然隐退。以今天的眼光来看,这项技术在理论上仍然是积极的和富有创意的,现在再翻出当时那些采用“可变偏置”的最新产品电路来看,有些现象还是值得思索的,在那个年代,在很多日产功放中,尽管电路做得很复杂,但输出端往往只“肯”使用一对功率晶体管,类似的“吝啬”例子还有不少。这是否是那些在当时看来理论上十分先进的电路技术,每每在声音上无法突破的根本原因?“超甲类”如此、“超线性”如此、“超级前馈”、“双曲线”…都是如此,是对成本的过分斤斤计较,还是对“技术”的过分期望,使得它们在不以技术为标榜但足够斤两的欧美产品面前显得如此的无足轻重?

    但是,在音频放大器领域中,各日本公司不断推出的新技术,客观造成了使那些欧美Hi-end小厂始终难有空间体面展示技术的事实,相对于实时方式的“超甲类”,后来的KRELL时间分割方式“智能甲类”或GRYPHON手控方式的"绿色甲类"超越它了吗?

  • “超纯A类”的实现

    本文介绍的“超纯A类”,是一种超越了以往任何一种A类方式的全新偏置方式,以电路实现方式来说,它是一种特性上趋于理想的自适应偏置,这个电路的最终成果是:在同时考虑了输入信号及被驱动负载因素的前提下,根据扬声器的需求所设定的最小至最大输出电流范围内,使输出功率管始终处于正向偏置状态,从而彻底避免了出现传统纯A类放大器在低阻抗负载时回转至B类的窘状,与传统纯A类方式相比,极大地延展了放大器的A类输出功率范围,并在扬声器阻抗大幅降低时,继续保持成倍的、超乎寻常的A类输出功率,实现了接近理想的A类状态。

    自适应偏置的基本工作原理如图3所示,电路中的关键是使用了含有线性和非线性元件相结合的电路,该电路首先为输出偏压设立参考基准,工作时不断地将输出状态与参考基准相比较,并利用二极管的指数特性,使功率晶体管的静态偏压与被比较部分基本无关,放大器输出电流增加时,施加于两侧功率管基极的偏压,按设定的比例得到补偿,使不输出一側的晶体管的偏压,在输出电流大幅度增加时,非常缓慢地递减,以自动适应输出电流增加时对增加偏置电压的要求,并保证其在所设定的范围(输出功率、负载阻抗)内,功率晶体管始终保持正向偏置,直到信号和负载状况出现最不利的结合,放大器中不输出一側的功率管才逐渐地被关闭。形成鲜明对照的是:在传统的A类偏置系统中,在超出原先设定的A类偏流后,放大器中不输出电流一侧的晶体管,可轻易地被致使偏压为零,并在大信号与低阻抗负载结合的情况下被频繁地反向偏置。图4示意了AB类、纯A类及超纯A类功放的A类输出功率范围的比较情况。

    在产品中实现“超纯A类”的技术关键是:首先要通过计算机对最终目标电路模型进行实时模拟,并在此模拟平台上完成对偏压补偿量的匹配,这是设计“超纯A类”功放之基点,这个电路模型模拟过程的实质是,在精确模拟实际放大器输出级动态“伏—安”特性的同时,设定自适应偏置电路的偏压补偿量,使放大器在所设定的输出电流范围内保持A类;然后是通过产品样机的实验电路,检验模拟结果的吻合程度并对实验电路的相关参量作进一步的修正、实测并验证自适应偏置电路的温度特性及补偿情况、包括频谱分析在内的功放级综合性能的测试、通过系统的听音比较,评估“超纯A类”对提高音质的边际贡献;最后,还要拟定用于产品生产和品质管理过程的,有关偏压补偿量的定量测试与考核标准,以保证出厂的每一台“超纯A类”产品名副其实。

    根据上述步骤,在V8i产品中顺利实现了在250W/8Ω、500W/4Ω范围内,完全杜绝了输出功率管的反向偏置,各方面都达到或超出了前期对"超纯A类"在提高技术品质、音质方面的预期。

    当然,能证明单元电路价值的,最终还在于放大器本身的综合表现。把放大器的全部成绩归因于任何一个单一的电路细节,也是不恰当的。图5~图8是同一台试验放大器,分别在AB类与超纯A类、10W/4Ω情况下,负反馈开环与闭环时的实测频谱分析结果,图中清楚地反映了,对于"AB类"状态时,位于频率高端的开关失真比成分,在"超纯A类"时已得到十分显著的衰减。实践中,对存在于甚至是最杰出的晶体管放大器(包括"纯A类"设计)中的高频开关失真的特性,在新一代"V"系列超纯甲类放大器中已被大幅度地减小了。

                                                                               ------《现代音响技术》第48期


 



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