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我与一个卓越放大器40年的爱情—— 一个B类放大器

助工
2018-09-20 11:05:17    评分
现代高品质的音响系统具有出色的规格和完美的声音。几乎完美,但不完全。音频系统中缺少一个非常重要的属性 - 我们称之为“存在”的属性。本文讨论了一种具有声音的替代功率放大器设计,这种设计通常缺乏传统放大器。

即使是最好的商用音响系统也缺乏真实的存在 - 虽然声音可以清晰,但你永远不会把录制的声音误认为真实的声音,或者录制的钢琴是真正的钢琴。人耳立即知道差异。

作为听众,即使作为发烧友听众,我们也不会因为缺乏存在感而大惊小怪,因为我们已经接受了我们从现代音响系统中听到的内容是如此的好。然而,事实并非如此,并且不必接受。

由于所有商用功率放大器的基本设计中固有的失真,几乎完全不存在存在。你有没有注意到耳机听起来有多清晰?这是因为它们是由低功率放大器驱动的。

 

“传统B类放大器的方框图,其中两个互补输出级由子放大器X和Y表示。”来自Peter Blomley的1971年文章  。

 

在本文中,我演示了一种替代功率放大器设计几乎没有失真,并提供了传统放大器中缺乏的声音。这款放大器是在四十多年前设计的,尽管它具有极好的保真度,但它从未见过商业化生产。

我将介绍“流氓频率”的概念及其对我们聆听体验的影响。然后,我将继续展示这个原始和真正的郊区放大器如何成功地最小化失真并且不会产生令人不安的恶意频率。

这种设计非常有效,输出非常纯净,因此它创造了一种完全不可忽视的音频存在。

为了理解为什么商用放大器产生非常好但缺乏存在的声音,我将首先讨论人耳的灵敏度。然后我将研究失真的类型以及它们如何影响我们实际听到的内容。

最后,作为原始设计的潜在附加,我将讨论由“剪辑”引起的失真以及如何降低其粗糙度。

 

关于留声机的简短轶事

最近,我去看了一位发烧友朋友,他想给我看一个真正的1890年的发条留声机,上面有一根真正的刺针和一个他刚买的真正的“他的主人的声音”号角。  

 

他的主人之声,由Francis Baurraud绘制于1898年。

 

随着留声机的购买,一些非常古老的78rpm记录直接来自原始蜡大师 - 录音留声机的巨大喇叭被放置在靠近管弦乐队的地方,针只用声能切割了一个螺旋形凹槽,放在盘子里用一层薄薄的蜡。Caruso有一个完整光荣的原始记录!还有一些管弦乐和合唱团唱片。

这些都是在三极管发明之前制造的,因此在制造过程中没有使用电子设备。为了幽默我的朋友,我同意听,期待一种令人不快的失真声音。我怀疑,有嘶嘶声,有噼啪声,但音乐!纯净而清晰,即使使用合唱和单声道录音源,您也可以完全独立且精美地听到各种乐器和声音。Caruso确实值得他的声誉。虽然它是在1902年制作的,但它听起来仍然是ALIVE和PRESENT。

那么,为什么现代放大器具有我们在电子技术方面取得的所有显着改进,缺乏这种基本的存在质量?

 

人耳如何感知谐波失真

人耳非常敏感。在理想条件下,耳朵可以听到来自鼓膜的声音,其移动量与氢原子的直径(~10-10 m)一样小。奇怪的是,虽然人耳对某些事物非常敏感,但对其他事物并不敏感。例如,要注意音量的变化,功率必须加倍(3db)。   

因此,如果你将二次谐波增加5%,那将是一个非常特别的人注意到的。因此,低于约10%的真正纯谐波失真是非常难以察觉的,即使是最好的高保真也无关紧要。然而,工程师很容易将谐波失真测量到很高的准确度并且可以达到非常低的水平 - 所以它会被讨论很多,即使从长远来看它确实无关紧要!

考虑如何即时通过低保真电话识别母亲的声音。这是由谐波内容完成的,人耳对调和内容有很深的调整:“你感冒了吗,妈妈!?” 可以在她一句话后问到。

这向我们展示了额外谐波的引入确实非常可听(只有0.01%很容易被检测为不同类型的声音)。

 

互调失真

通过非线性放大器的任何两个频率将产生除原始频率之外的和频和差频。这些附加频率的幅度(“流氓频率”)与非线性量有关。这是互调失真,并且很难测量,特别是在对人耳仍然很重要的极低水平时。这些额外的不受欢迎的流氓频率在我们的标准音阶上非常关键,即使很小的数量也会让音乐听起来“混乱”。   

 

 

音乐或声音在任何给定时刻由数百个叠加频率组成(如数学家Joseph Fourier所述)。当这组频率通过放大器时,额外的小振幅“流氓频率”被添加到原始信号,并且人耳对这个附加频率内容非常敏感,并且立即识别出声音不是真实的。这就是为什么即使你在另一个房间里,也不要把电视或收音机上的声音与真实访客混淆的重要原因。

即使非常好的传统放大器也不会被误认为真实的东西!传感器(例如唱片或扬声器上的针)通常是相当线性的(当然是音响发烧友版本)因此它们不会引入许多恶意频率,尽管它们的谐波失真(通过共振等)可能非常大。高保真系统的弱点,无论其数字明显优秀的规格,通常只是放大器。

 

交叉失真

放大器分析表明,B类放大器的无反馈失真约为33%,而A类放大器的无反馈失真约为8%,声音优于B类。大多数B类失真来自于使用输出晶体管作为整流器,以分离信号的正半部分和负半部分,然后分别放大这些半部分(“推 - 拉”)。  

当功率晶体管被驱动到低于约15mA的集电极电流时,放大率急剧下降。如果可以防止输出功率晶体管中的电流低于约15mA并进入这个非线性区域,那么它将大大改善。这种放大变化引起B类放大器的交叉失真特性。  

注意,这种交叉失真不应与音频失真相混淆,音频失真通常也称为交叉失真,当音频信号被分成频带时会出现这种失真,如扬声器电路中,以将适当的频率范围馈送到每个离散的驱动器单元。

 

瞬态互调失真

现代放大器失真由负反馈控制,这可以减少与反馈成比例的失真。扩增是便宜的,因此通过足够的反馈可以将表观非线性降低到任意低的水平。

但反馈信号需要时间才能通过放大器并消极地返回输入以消除失真。因此,当发生突然变化(瞬变)时,存在裸放大器暴露于世界的时间段,并且非线性将相互调制的流氓信号添加到原始信号,这些信号不会被反馈完全抵消。这是瞬态互调失真。在应用反馈之前,你需要的是一个明显没有失真的放大器裸B类放大器的失真是如此糟糕,以至于大多数分析似乎只考虑带反馈失真。

现代放大器听起来比老式放大器听起来更好(使用基本上与往常相同的A类或B类电路)的原因之一是组件速度的提高。多千兆赫的分立元件是免费提供的,甚至廉价的功率晶体管也具有许多MHz 的f t这意味着反馈时间现在非常短。

 

剪切失真以及如何软化它

驱动饱和声音的晶体管放大器声音非常糟糕,因为波形的顶部被非常锐利地截断,导致方角和大量令人不快的谐波爆炸。当传统放大器被驱动时,我发现自己在等待畏缩。

另一方面,在它们的削波点附近,阀门具有相当柔和的非线性特性,导致圆形压扁正弦波,其包含较少的寄生谐波和声音,比晶体管放大器驱动的方形截断正弦波更好硬。 

由Carl F Wheatley,Jr。(美国专利3 786 364/1974)发明的简单电路对每个输出晶体管使用单个晶体管和三个电阻器(TRP和RP1,RP2和RP3)(见下文)。

 

完整的Blomley放大器,具有互补输出和削波保护功能。

 

它测量输出晶体管中的电压(RP3)和电流(= RP2两端的电压)的组合,当这两个电压的组合超过约0.6V BE时,它接通TRP并将驱动器移至输出端。

注意,0.6V是标称值,当Vbe超过~0.45V时,一些电流开始流动,因此这是一个“软”关断。它有两个优点:

  1. 它使放大器“夹子”柔和,非常类似于阀门设计,这使声音非常宽容,并防止“cringes”。

  2. 它保护输出晶体管免受大多数滥用。

 

Peter Blomley的B类放大器设计新方法

在1971年2月和3月的无线世界版本中,Peter Blomley分两部分发表了革命性且非常密集的文章“ B类放大器设计新方法 ”(Plessey专利,No.53916.69,尽管该专利有很长一段时间)自过期)

他描述的放大器的非常聪明的一点是Blomley在将单独的信号施加到输出晶体管之前将输入信号分成上半部分和下半部分。然后,他很容易将输出晶体管设计成仅在其线性区域工作(高于~15mA的集电极电流)。

此外,他的意见,认为与电压信号,二极管是非线性的,但如果你使用一个电流源,二极管是如此接近理论上的理想,一个可以真正称之为完美(10 9向前和向后的区别廉价二极管中的电流)。

如上图所示,他使用恒流源(Tr6)并具有变化的电流吸收器(Tr3)。电流差驱动二极管,实际上是用作二极管的晶体管(Tr4和Tr5)来整流电流。通过使用非常高频的晶体管,从“顶部”信号到“底部”信号的转换速度非常快,超过了100kHz。

 

“ B类放大器的方法,其中SUb放大器偏置在非线性区域之上,并由二极管产生的单向信号馈电。这有效地将信号从子放大器分离到电路的单独部分。” 来自Peter Blomley  (PDF)。

 

这种难以理解的电路(我们用于电压电路)的最终结果是B类放大器,其失真低于0.1%,完全没有反馈。在示波器上,没有可识别的交叉失真,没有反馈。

在应用一点反馈之后,存在无法测量的互调失真,瞬态互调失真和谐波失真。该放大器的合成输出非常清晰,以至于录制的声音很容易被误认为是真人。Peter Blomley的放大器是B类放大器,比A类性能好得多。  

然而,Peter Blomley和他的放大器在音频领域几乎没有被认识40多年。我建议两个原因。首先,他的设计是如此原始,如此出乎意料,很少有人理解或认真对待。其次,Blomley从未将他的设计投入商业生产,因为Plessey拥有该专利,因此更少人能够倾听或审查其性能。  

构建他们自己的Blomley放大器的大多数音频爱好者改变了设计并且这样做引入了扭曲。我建议你构建原始设计(可能只是现代组件提供的微小修改)并听取它。这将为您提供参考声音,以检查您可能想要进行实验的任何进一步修改。

不幸的是,由于忽略了Blomley设计这么长时间,音频世界已经剥夺了一个基本上更好的放大器。相反,在过去的四十年里,我们一直在努力减轻我们认为电子放大器不可避免的固有特性,特别是B类放大器。彼得·布洛姆利(Peter Blomley)作为一名年轻半导体工程师的大胆之处在于质疑这些特征究竟是多么不可避免,然后开始设计他们的放大器。

如今,可提供一流的高压,高速晶体管,这使得Blomley放大器甚至比他的1971版更好。

最初的放大器设计用于带有60V电源轨的30W放大器,由于纯度,这对于正常的家庭使用来说已经足够了。在1971年,100V小信号晶体管很少见,但现在不再如此,现在可以使用80V电源轨,使用不同的晶体管,将功率增加到50W。但是,由于声音非常干净,因此不需要高音量。大多数放大器都有巨大的空间,因此您可以高音量播放它们,并在高声级中掩盖交叉引起的互调失真(非常悲伤)。

 

结论

40年前,我爱上了Blomley放大器声音的清晰度和纯度,但是花了很长时间才理解电路并欣赏Peter Blomley的光彩。现在,我已经构建了几个这样的放大器,如果我坚持原始的Blomley设计,它们听起来都比精湛好。

包括我们自己在内的人类反应通常难以解释,但我发现使用Blomley放大器时,普通人发现自己想要听音乐的次数远远超过传统的高端放大器设计。他们不明白为什么,他们最终会听更多的音乐,更经常是最终的测试。聆听Blomley放大器会令人上瘾。我当然也发现了这一点,正如许多其他人幸运地体验过这种非凡的放大器一样。

事实上,很难将它用于背景音乐; 人们倾向于停止说话并开始听音乐。它的存在是引人注目的。

在他的文章中,Peter Blomley表达了20世纪70年代的观点,即“在我看来,这种水准放大器的性能在传统的音频设置中浪费了。”我建立了我的第一台Blomley,并立即意识到我能够不同意他所表达的观点。我的母亲极端地絮絮叨叨地坐在整个“彭赞斯海盗”中,一言不发!那是20世纪70年代,音频系统中的其他组件从那时起已经走过了漫长的道路。

Blomley放大器的选择现在肯定是有保证的,并且是从音频系统的所有其他组件中取得的技术进步中充分受益的最佳方式。




关键词: B类放大器     放大器     半导体     IC    

院士
2018-09-23 21:54:17    评分
2楼
谢谢楼主的分享。对自己喜爱的放大器情有独钟是许多发烧友的共性,因为对功放的透彻了解,众多优点有了亲近感。愿楼主对自己的功放能从一而终。

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