1 引言

专业功放设计和配置是音响工程的关键部分,其可靠性、稳定性、性能参数的好坏,决定着音响工程的质量和水平。专业功放的可靠性、稳定性以及其他性能的提升,必须围绕信源信号和扬声器音箱的需求来展开,较终为人们的听觉服务。要有电声一体化的能力。不能以孤立的纯放大器观念开展设计,不能只把参数指标的提高当成较终目的,要从电声学的角度提高功放可靠性、稳定性及性能。这就需要对信源信号特点进行分析,根据此特点,正确设计放大器的输入口;要有和信源信号动态相适应的输出功率储备,放大器的频响要和信源信号频谱相适应。同时,还需要对扬声器音箱的特性有一个全面的定量理解,在此基础上,正确处置放大器和音箱的匹配。

2“可靠性”和“稳定性”是专业功放开发、生产的立足之本

专业功放是音响系统中一个关键环节,其开发、设计、生产必须把可靠性和稳定性放在首位。比如有一类有源扬声器系统,放大器采用负内阻抗输出,和扬声器的“静阻抗”全抵消,以期达到较理想的扬声器低频声性能。可一旦综合阻抗为负,放大器有可能出现自激,这种降低放大器稳定性的做法是不可取的。因此,合理的做法是只抵消50%~80%,可明显改善低频声性能。专业功放的可靠性工作应从妥善处理放大器较大功耗入手,围绕散热(系统的热设计)、大电流汇集传送、工作点热动态稳定等方面展开,其中核心设计工作涉及许多基础理论和大量的可靠性工艺设计。

(1)专业功放散热看似简单,真正做到位并不容易。现代专业功放要求不仅能在8Ω工作,而且在4Ω,2Ω甚至在1Ω也能工作。一般较好的功放应在4Ω条件能连续工作,这就决定了要用比8Ω功率大一半以上的功率来进行系统的热设计,按甲乙类(实际按乙类)工作状态计算出较大功耗。若有散热器风扇系统的工艺储备,就可知道用多大的符合结构要求的散热器和风扇系统;并且知道在环境温度40°C的条件下散热器上的平均温度。在风冷条件下,散热器上不同位置温度不一样,定量地掌握这个温度分布,才能有条件做好一系列温度补偿工作。另外,有散热要求的不仅是功率输出部分,大电流开关、电源整流器件也是热源,特别是大电流整流器件必须认真考虑散热。

(2)大电流的汇集传送。对于8Ω/600W以下功放,这个问题并不突出;对于800W,1kW以上的功放,就必须认真考虑这个问题。事实上,100W以下的高性能、高保真放大器也考虑了这个问题,只是出发点不一样,后者是为了提高性能,前者是为了提高可靠性。当然,这样处理对提高功放性能也有好处。铜质汇流排的正确使用是解决这个问题的较好方法。另外,大电流导入导出用的接插片,连接线和截面必须足够,接插件必须可靠,这些都是可靠性工作的重点。

(3)保证大功率输出管工作点的稳定是一件比较细致的工作。首先需要正确进行温度补偿设计,这种补偿虽不是适时的,但却是有效的。选用相应正确的热敏元器件和网络,选取温度变化敏感的位置作温度取样点,通过认真的温度试验,进行综合修正而确定。温度补偿要做到不过不欠是非常困难的。为了防止出现“热奔”,一般的做法是“宁过勿欠”。这样补偿的机器在开机时测量小功率输出,非线性失真并不大,在经过额定功率输出测试机器温升后,再测量小功率输出非线性失真会变得很大,输出波形交越失真非常明显。这种过补偿,在额定工作条件温度下,输出级工作状态并不是希望得到的乙类偏甲状态,而是乙类偏丙状态。当环境温度在几度以下时,输出级单只功放管静态电流可在几十毫安以上,虽然这么大的电流不会引起“热奔”,但它会引起小幅度高频自激。因此,“宁过勿欠”的作法并不可取。比较妥善的做法是“稍过”,下面的一组数据是可以接受的:温度从-10~+70°C之间变化,做到单管静态工作电流在10~0.5mA范围内变化。这样的补偿虽然做不到不过不欠,但在批量生产中能做到高温条件下末级功放管不截止、低温条件下不自激,就基本达到目的了。至于动态大电流工作,发射极电阻的电流负反馈足以稳定工作点。

事实上,近10年来生产的大功率晶体管抗二次击穿能力、大电流特性、耐高温特性提高了很多,瞬间的大电流、瞬间的高温在“安全区”内不足以引起伤害。器件的这些特点,正好满足要放大的音乐语言信号的需要,也能抗衡这种工作点滞后补偿带来的瞬间冲击。

3 遵纪守法,所有强制性法规必须达标

国家和相关出口国的强制性法规必须认真执行。如果只顾提高性能,而导致整机违背强制性法规,出现一项或几项严重不合格,这款产品注定会“撞墙”。如目前颇受关注的开关电源放大器的研发,开发人员对于“效率”、“可靠性”非常注意,但对于电磁兼容往往采用事后补救的态度,非常被动。开关电路效率往往和电磁兼容相矛盾,这必须有一个折衷处理,即在保证电磁兼容合格前提下提高效率。又如放大器电源整流滤波电路,如果处置不当会引出电源电流谐波不合格,必将造成产品市场化进程陷于被动。

4 推敲几项电声学参数指标,为专业功放设计和配置增值

对于功放的频率响应,人们多半只注意在上下限幅度范围内的频率,由于很容易达标,往往忽略了对这个参数指标的推敲。事实上这个参数指标包含许多放大器稳定性的信息,也包含围绕人们对听觉的争议。例如,放大器频响在高音频段小幅上升,如果在上限频率附近下降,这就意味着这台放大器高音频段非线性失真,频率越高越大,如果在上限频率附近不下降,放大器的稳定性必须认真检查,稳定性裕量需进一步提高。人们观察频响变化,大多用双针毫伏表,用一针指示信源信号幅度,另一针指示放大器输出电平,改变信源信号频率,观察相对变化。这排除了信源信号幅度波动影响,也符合测量方法。但是这种静态测量,远不如用频谱仪在频域上观察接近实际值。特别是放大器上限频率外幅度下降速率、谷点频率位置,对评估放大器稳定性是不可缺少的信息。

对于声频放大器的频响范围,上限频率是否突破20kHz,一直有许多争议。20kHz以上的声波,绝大多数人听不到,基本无争议,是否感觉得到却有较大争议。在2006年9月7号天津电声大师会上,有专家报告,确有百分之几的年轻人能感受到20kHz以上声波存在,这个信息从另一角度说明以下做法的正确性:声频系统做好40Hz~16kHz频响范围内的工作,30Hz以下,20kHz以上用巴特沃斯滤波器切掉,这样的频响,就能满足音乐语言扩声的实际需要,为大多数人服务。对于这百分之几的少数人,需要加超声波的,可另外高价开发生产符合这种要求的电声系统。

对于功放的噪声输出电平,人们多半注意其大小,不太注意噪声频谱的分布。除非信噪比不达标,很少分析噪声产生的原因。事实上推敲噪声频谱的分布和噪声产生的原因,可以发现印制电路板,排版布线的问题。一般来说。正常的专业功放噪声频谱不应有50Hz或100Hz的分量,也不应有听觉比较敏感的中低音频分量,噪声中应只有“丝丝”声的高音频分量。对于0dBm以上灵敏度的专业功放,100dB信噪比是不难做到的,但是不注意这些细节,100dB信噪比有时也会出问题。曾有一个型号的专业功放,两个通道的信噪比都差不多达到100dB,这应该是不错的参数指标。

但有客户反映,噪声小的那个通道,难以接受,原因是噪声频谱是听觉比较敏感的中低音频分量,另一通道噪声电平稍大一点,但噪声频谱是“丝丝”声的高音频分量。较终查明原因,是这个通道前级信号走线太靠近散热风扇电路所致。

对于专业功放的转换速率,本来这个参数指标不太引人注意,在2004年一场由全国音响协会举办的专业功放对比测试中非常关注这个指标。有一种说法:“转换速率不超过100V/μs就不是好机器”,当时几个转换速率为200V/μs以上的机器就成了佼佼者。在笔者看来,这个参数在制定标准时就有争议,音源信号借助方波信号上下沿看放大器转换速率,只是正常测试的一个过程。一般说来,放大器使用的运放、功率器件转换速率是什么水平,放大器转换速率也就是同一个数量级的水平,也就是每微秒几伏、十几伏、几十伏的范围。如果刻意利用电子电路来提高转换速率,用十几伏的器件,做成每微秒百伏以上的转换速率,这对放大器的稳定性,对放大器的非线性失真、相位失真,会有明显的负作用。驱动音箱“听”,不会有所谓速度快、轻松的感觉,相反感觉声音会很“硬”。

对于专业功放非线性失真要求,人们喜欢强调1kHz非线性失真如何小,对于其他频点只要达标就行。对于许多中、低价位专业功放的高音频失真,根本不闻不问不测试。还有,人们多半测量额定输出功率的非线性失真,对于1%额定功率或功率逐步变小过程中的非线性失真,也多半不闻不问不测试。实际上非线性失真在频域上的大小分布规律,也包含许多放大器稳定性信息,1kHz非线性失真很小。10kHz以上成几倍、十几倍的增加,这种放大器稳定性肯定需要改进,系统反馈的补偿、平衡还欠火侯,稳定性裕量不够。这种放大器频响多半是高音频呈上升趋势,谷点幅度衰减往往不够。用这样的放大器驱动音箱,音箱的高音域声音很刺耳,听感不好。真正好的放大器高音频非线性失真和1kHz的非线性失真在一个数量级上,更好的放大器高音频非线性失真比1kHz的还要小,并且频率越高,非线性失真越小,高音听感是柔、纯、细。

小功率非线性失真(THD+N)变大,不是整机噪声电平偏大,就是交越失真引起。调高工作点是降低交越失真较有效的方法,但是大功率功放要在很宽的温度范围内稳定较高工作点,并不是一件容易的事。

另外,H类功放从额定输出功率逐步减小到各级电源转换点附近,如果电路处置不当,非线性失真会明显变大,特别是高音频范围。H类功放的电源开关,如果是使用和输出管相同的双极型器件,这种功放高音频失真会很大。用这类功放作低频音箱驱动尚可,用在全频箱驱动就不合适了。对于专业功放阻尼系数的要求,阻尼系数大的功放对驱动低音音箱十分必要,听感上阻尼好、不拖尾。一般专业功放的阻尼系数为几百左右,超过1000的,只有类似皇冠MA系列的桥地电路功放。这是把“电”(功放)和“声”(音箱)分开的思考方法。这种阻尼,充其量是零欧阻尼,效果有限。如果把电声作为一个整体系统来考虑,将放大器调整为负输出内阻,理想情况下大小等于音箱静阻抗(实际调整音箱静阻抗50%~80%)这种状态下的“阻尼”和零欧内阻放大器不是一个层次的水平,低音频的音质改善更不是一个水平。负内阻抗放大器,日本雅马哈有源音箱用过,德国KS公司将这个技术数字化后申请了专利。在中国,早在20世纪60年代管善群先生就做过这类实验,取得改善低频声性能明显效果,可惜没有形成商品化的产品。

对于专业功放的较大输入电平,这个和音源信号正常放大有关的参数要求,人们认为,对于所有其他指标测量,较大输入电平是高是低,对测量结果没有什么影响。目前,国标测量方法使用的是正弦波音源信号,看不出直接影响。但是音源换为粉噪信号或者不同的音乐信号,它们的峰值因数一般在3~6之间,在这种情况下,如果功放较大输入电平指标较低,这个影响就表现在正常放大时,音源峰值信号在前级就被切顶压缩。特别是定增益大功率功放,这个问题更为突出。比如增益定为26dB的8Ω/900W功放,灵敏度条件下输入信号有效值就超过4V,音量控制器前的电路如果处置不当,较大输入电平如果只有9V左右,那么峰值因数为2以上的信号,在额定输出功率条件下就会切顶削峰,这会明显影响音源信号的正常放大。

专业功放音量控制器前的平衡转不平衡电路处理,运放供电电压高低,决定了这台专业功放的较大输入电平。一般定灵敏度的专业功放,灵敏度是0.7V,1.0V,1.4V。如果较大输入电压有9V左右,也就是较大输入电平有16~22dBm左右,这就能应付绝大多数不同音源信号的正常放大。同样的,较大输入电压也有9V,但灵敏度在4V以上的定增益大功率放大器,较大输入电平就仅有6~7dBm,这显然是不够的。

在音响系统中,人们在配置使用功放时,对于输出级的功率储备去适应音源信号的动态要求,是有折衷考虑的。但对于使用的功放输入口的大小,往往缺乏推敲,以致于音源信号在末级前动态就被压缩,末级功放即使有足够的功率储备也是枉然,这个影响不仅会损坏音质,而且还有可能损坏单元。

5 避开影响音响系统可靠性的功放

配置“7dB陷阱”由于音源信号峰值因数多为2以上,这就确定了音响系统中的功放音箱必须大材小用。如果音响系统要确保任何音源信号在任何时刻都不会削峰,那对应场地平均声压功放的总有效值功率上的功率储备至少在25dB以上,这样配置的电声系统造价非常高。这种配置只在极少数要求非常高的场所使用。实际上大多数音响系统是不会这样配置的,这里有一个人们的听觉能接受某些削峰动态压缩的折衷考虑。根据音质的不同要求和投资多少,按储备功率大小,会有高、中、低不同的配置档次。

档次尽管有高低之分,配置使用还是要坚持大材小用的原则,场地平均有效声压对应的功放总有效值功率,其上端应有12~25dB峰值功率储备空间。空间大小不同,对应高低不同的配置档次。高低不同的档次,不仅体现音质要求高低不同,同时也意味着配置的音响系统可靠性高低不同。模拟乙类功放发热较大的工作状态是额定输出功率对应的电压63.6%这时功放的热功耗是不削波输出状态功耗1.48倍左右。这恰好对应峰值功率储备7dB的功放系统配置,这种状态功放管温度是较高的。峰值功率储备从4~11dB都很热,均大于1.2倍,以7dB为峰。按可靠性设计的一条统计法则,工作温度每升高8°C,平均无故障工作时间降低一半;工作温度每降低8°C,平均无故障工作时间增加一倍。以这条统计法则衡量,峰值功率储备7dB的功放系统配置可靠性较低。故而称为“7dB陷阱”,这是应当避开的。用12dB配置,功放的功耗是不削波输出状态功耗小于1.2倍,这应是较低要求。随着系统配置功率储备再增加,不仅系统总体音质水平会提高,工作温度会降低(14dB持平),平均无故障工作时间也会增加,当然造价会明显上升。

配置在DISCO厅的功放音箱,由于音源信号总有效值电平高,与较大峰值电平仅相差6~7dB,相当于峰值因数为2的音源信号。同样是正常放音,DISCO厅的功放音箱平均承载的功率比语言音乐厅的功放音箱平均承载的功率大得多,也就是前面分析的工作温度较高的状态附近,是稳定的、长期的。这样配置的电声系统的可靠性很低,平均无故障工作时间很短。要改进这种状况,除了配置使用专用的DISCO功放音箱外,增加功放音箱3~6dB功率储备,使峰值功率储备在12dB以上,也是一个有效的方法。如此一来,开始的投资总额要大一点,长期运行后的效益要比前一种的高。

低音箱和超低音箱功放的配置,在功率消耗上和DISCO厅的功放相当。用户以为这类功放音箱没有中高频的问题,烧机烧箱的可能性不大。实际情况是娱乐场所烧低音单元的,不比烧高音单元的情况少。原因之一就是驱动低音箱的功放,功率储备不足,把峰值因数2~3的低音信号,变为峰值因数为2以内甚至接近1的低音信号。这种状况,功放的工作温度并不很高,它输出的这种信号不仅是高音单元“杀手”,也是低音单元“杀手”。这种情况在娱乐场所并不少见,一个晚上烧毁十几只低音箱时有发生。改进方法也只有增加功率储备比较妥当,值得注意的是,要增加足够的功率储备,不要落入“7dB陷阱”。比如,原系统峰值功率储备5~6dB,这是娱乐场所常用的配置,如果只增加2dB,音箱可靠性得到了改善,但功放却陷入“火热”之中。

6 结论

音质是体现音响系统较重要的因素。“仁者见仁,智者见智”,较好的音响系统,也会有人提出不足。但对系统的可靠性好坏,却会众口一词。由此可见系统可靠性的重要,在某种意义上已超过音质。音响系统的可靠性建立在功放、音箱等产品可靠性基础上,功放等产品的可靠性是开发人员设计出来的。不过由于音响系统的特殊性,功放等产品的可靠性再高,若系统配置使用不当,落入7dB陷阱,系统可靠性也会落空,为此音响系统应有一个较低的峰值功率储备12dB配置。