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(五十、瞬間電流⑧ - 電源電流飽和壓降)製作特性差異音訊、體驗聽感

首先感謝Pachilla、yngwiemore、李明益老闆以及MiPiace各位的回饋,稍微整裡了一下我的思緒,若有不恰當的地方還請告訴我。

在這篇[ 幾條個人擁有的音響訊號線跟電源線的個人感想 ]Pachilla大分享的「動態」在聽感上的定義,也整理到這邊,讓整個問題的敘述更完整。
就是 "主旋律/人聲" 與 "背景" ,"強音" 與 "弱音" 之間的落差。

對我而言,如果平常習慣聆聽的音量時聽起來主旋律跟背景伴奏霍在一起,聽起來在同一個2D平面,需要提高音量才能辨識出足夠的細節跟層次立體感,那就是動態表現不佳。

所以如果背景越黑,細節越豐富,旋律/人聲懸浮於背景,即使深夜聆聽音量不高,那些細微的跌宕起伏都可以清楚的辨識。

但是前提是你的音樂檔案錄音品質要好,很多檔案錄得很爛的本來就沒救了,然後儘量的不要用串流音樂檔標準,因為我實際用同一台訊源 A/B 比較同一首歌 (Qobuz vs. WAVE),在層次立體感還是 WAVE 檔案的表現比較好。

層次立體感、背景黑、細節豐富等,這些更進階的聽感描述,都會影響對動態表現的評價。似乎「動態」更像是一個統合許多因素的綜合評價,不是一個特定單一指標。

至於強音、弱音的落差,同棟樓yngwiemore則進一步闡述,以Dave Brubeck - Take Five YouTube影片的實例:
我舉個例子,4分40秒開始的鼓聲,要聽到的是打鼓者的力道強弱和速度,音響系統動態要足夠,表現才會好

上述的強弱與速度,除了線性度失真較有機會量化外,似乎也呼應了MiPiace大提出的「時間響應」說法。瞬間電流如何影響強弱聽感、以及如何量測,應該也是一個可再深入探討的方向。

補充:
也謝謝李老闆的說明:
曲風越簡單越好.(HI-FI的動態通常是指極小聲與極大聲的區別)
Slew Rate,瞬態 vs 動態,低頻 vs 高頻,低電壓 vs 高電壓,波形失真,方波 vs 梯形波,正弦波 vs 三角波。

低頻有著緩慢上升的特性,所以問題在….
goldbingo
goldbingo 樓主

有點沒能體會您的意思,方便再多些細節或說明嗎?[謝謝]

2025-03-02 19:04
卅二、動態 - 時間響應?

時間響應,就我的想法就是響應會隨時間而變動的特性。把問題先分成兩類,一類是先前MiPiacee大提到的,瞬間大電流超出電路能力:
MiPiace wrote:動態表現,就看擴大機能不能及時供夠大電子流,把大動態音樂及時表達出來...(恕刪)

另一類是電路中有殘留的狀態,造成特性因時間而不同。對兩個問題試圖說明我的理解及看法,還請電子電路方面專長或業內朋友,多多給予回饋與指正。

以Class A放大電路為例,先從[Electronics-Tutorials]網頁這張圖說起:
這是一個基本的class A放大電路,RL是負載(例如喇叭、或下一級輸入電阻含傳輸線)。基本上Ic以及Vout(Vce),會以以下特性關係放大輸入訊號。(取自[cnj.atu.edu.iq],這裡的Rc就是上圖的RL)

可見只要輸入訊號在線性範圍,輸出與輸入就會接近線性關係。

下圖參考[TheEngineeringKnowledge]的圖:


若是輸出的電流超過線性區,就會發生clipping 現象,這裡的clipping也未必是直接截平,也有可能是漸漸趨向平的特性。就像是偶次諧波失真的形狀,類似之前文章[二、諧波失真]中提過的2次諧波失真:


上面說了這麼多,主要想說明的是,超過原本設計操作範圍,電流不足是必然的。但就算這時瞬間無法提供足夠電流,造成slew rate不足,如上進入飽和區Ic(sat)被clipping。對於波形的影響,仍可以用非線性失真來描述,產生的諧波失真也應能被量測及量化。

—— 還有其他「時間響應」問題嗎? ——

Transient Intermodulation Distortion(TIM Distortion)的相關研究可以給我們一些提示。在[Phoenix Audio Community] 這篇收集了相當多1970年代的研究文章。簡短來說:
NAB Engineering Handbook 110 & 11th editions section 8 & 10 state:

TIM distortion, is found only in amplifiers that utilize negative feedback. When this feedback is excessive, a fast-rising transient signal applied to the input of the amplifier can produce an internal overshoot that saturates the circuits in the amplifier

稍微簡化說明何謂負回授(negative feedback),以及為何它可能是個問題。不談電子學,就以開車控制速度為例:

上圖一開始距離目時速40公里差10,於是踩下油門加速,過了一秒後,看到時速表與目標差3公里,於是將踩下的油門稍稍減少些。再過一秒,又跟目標更接近了,再減輕油門。這樣依輸入(目標時速)與輸出(車子實際速度)的差,控制電流(油門)的方式,就是一種負回授電路。

把一般房車換成賽車,會發生什麼事?

賽車加速性能太好,一踩油門,下一秒就超過目標速度了,只好趕快減速。一減速煞車性能也太強,又減過頭比目標速度慢了。這樣一來一往,最後才穩定下來。

在電路設計上,常會用undershoot、overshoot 、damping ratio等等方法來描述這兩種行為。由以上的例子,可推論有兩種問題:

一、電路本身輸入與輸出會有些時間差,複雜電路中,各個子電路若因時間上電路內部狀態還在收斂中、或彼此收斂速度情形不一(尤其過慢,skew rate過低),就會產生失真。

二、各個子電路也會各自有線性區間及飽和區間。例如賽車的例子,若是凸出去的速度正好頂到這車子的最高速度,就會上不去。個別元件失真,導致整體最終波形變形。這也是TIM distortion的面向之一。

有趣的是,為何在1970年代之後,到現在就比較少在討論TIM distortion了?

猜想是因為電路元件、設計及模擬能力都有長足的技術進步。在設計時,比較容易考慮好各個電路特性,讓電路本身的速度(頻寬),遠高於音頻變化速度。就像是車子換賽車手來開,0.1秒內就能反應車速,調控車子。遠比我自己開車一秒才調控一次要快得多。而且各元件也在設計時,就準確的操作在合理的範圍內。於是在最終實際產品,就大量減少了TIM這方面的失真問題。

——— 「時間響應」還是問題嗎? ———

就訊源與前級,因為向下一級的阻抗特性較爲固定,且需要驅動的能量也較低。個人認為比較有機會在設計時,就讓瞬間電流工作在原本設計的範圍內。

就算有負回授電路,其電路頻寬設計正確的話都應遠高於音頻。只要頻寬夠高,回授訊號的延遲夠小,所產生相位及振幅誤差都會很小或可忽略,也不至於變成隨時間而會變動的響應。

但是對於後級擴大機,因為要對付的是特性變動劇烈的單體物理運動行為,對這方面我沒有涉獵,直覺認為難度應該比較高。希望這方面專家可多多給予資訊及指導,之後還也待更多時間累積相關知識

印象中在前一陣子,PURIFI發表了EIGENTAKT Class D Amplifier,在數據上著實是嚇了一跳的好。且不論聽感如何,在技術層面上已經有相當大的進步,說不定以後瞬間電流、時間響應等等,也都不再是個需要特別關注的議題了
goldbingo wrote:
卅二、動態 - 時間...(恕刪)

大大真是有心啊~
會畫a 類放大電路,跟負載線,差不多可以diy真空管了,真空管就是這麼單純,因為單純才出好聲。
底下是 網上找的最簡單的2A3單端電路圖.
前級管是 56,就跟你畫的a 類電晶体放大是一樣的。只是名稱上不一樣。
電晶体的c極,相對於真空管的陽極。
電晶体的b極,相對於真空管的柵極(Gate)。
電晶体的e極,相對於真空管的 陰極。



後面那一個 2a3,沒畫出陰極,基本上,跟前級的56 陰極是一樣的。
還有功率管 2a3看似沒有電阻當負載,其實喇叭前面的輸出變壓器就是負載,輸出變壓器的圈數加上喇叭的阻抗,就形成了陽極的負載。

會畫出這個電路圖,最主要是便於解釋影響動態的原因。
影響動態,其實是發生在電路的每一個部分,前級後級都會。
前級 56 管的電子流產生的速度,和陽極供電能力。都會影響 動態。
不論是晶體管,還是真空管,產生電子流都是物理現象,都需要響應的時間,也有最大能力,和線性能力的限制。
如果超過或逼近電晶体的最大輸出額度,輸出不足,聽覺上就會有動態不足的現象。
當輸入擺幅超過負載線的線性範圍時,不但產生諧波,也因為振幅輸出不足,一樣有動態不足的聽感。
電晶体響應的時間,就跟電子的彈跳過程,還有內部的電阻,電感,電抗值有關。
以上的問題,解決的辦法,一種是選擇阻抗小,輸出額度比較寬裕的元件。
但在一個元件上改進的幅度,其實也是有限,所以往往採取並聯輸出,解決上述的所有問題。
底下這個電路看了就明白,不惜成本並聯多顆治百病,增加的是成本,重量,耗電,這也是為什麼大功率A 類往往超過 30公斤。
然後你會發現,每次音響展,都會有賣冷氣的廠商參展,大功率A 類,少不了冷氣啊~
然後連電源線,插座都要講究。




談完電子流產生的速度後,另一個問題是供電速度。
最上圖我畫的 2a3 單端管機用得上。
前級管56,瞬間供電的來源是紅字 278v 底下那一個 100UF電容,那個電容跟 47k電阻形成一個RC 電路,RC 乘積影響放電時間,值越大,放電越慢,瞬間供電就會拖。上面的設計,用了 100uf電容,我來設計的話,直接改成 20UF,放電速度快了5倍,電阻也能小就小。
再來看後級管2A3,供電參考點是 HT1, 紅字 425v處。底下100UF和輸出變壓器也形成一個RC 放電迴路, 其中R是輸出變壓器的直流電阻,線圈的電阻值應該不大,幾十或1-200 歐姆左右。

HT1 之前是電源供電迴路,供電迴路也對動態非常重要。
底下供電部分,這個設計,用了2 組整流電路,這樣供電能力就二倍,能供應的電流沒有問題,剩下就是速度的問題,速度最大的因素,就是降低電路的阻抗,線性整流電路常見的有CRC 跟 CLC 整流,L 是電感,大陸人稱扼流圈。為何要用電感不用電阻,電感的直流阻抗低,整流的速度就會比較快,瞬間供電也快,動態就會比較好。




以上的說明,就把影響動態的因素,交待了一大半。
重點是要說明瞬間供電,跟放大元件,整個系統的供電能力,還有其中一些阻抗值,都有連帶關係。
goldbingo
goldbingo 樓主

真空管電路的要考量的點真有趣!若沒看錯的話,工作在400v[熱血],這真讓我腦洞大開。

2025-03-08 1:30
MiPiace wrote:
不論是晶體管,還是真空管,產生電子流都是物理現象,都需要響應的時間...(恕刪)


以2SC5200為例,其Datasheet上會有gain bandwidth product的spec。這個代表了其速度的性能,不知真空管例如2A3也有類似的數據嗎?

goldbingo wrote:
以2SC5200為例,其Datasheet上會有gain bandwidth product的spec。這個代表了其速度的性能,不知真空管例如2A3也有類似的數據嗎?

真空管沒有速度這個規格。
但有一些米勒電容值(柵極-陽極之間的寄生電容),內阻,還有傳導系數。
這些電容值和內阻,會造成高頻衰減,所以設計時要去算高頻截止點,良好的設計,高頻截止點要超過50k以上,才不會把高頻樂器的泛音擋住。如果高頻截止點太低,高頻也會衰減,也會造成聽感上動態的不足感,高頻音場包圍感也會消失。

真空管電子流的切換速度,我倒是不了解,也沒文獻提到。但事實上是存在的。
電子流的產生是用燈絲加熱陰極版,讓電子產生動能,在真空的環境下,足夠能量的陰極電子會受到陽極高壓的吸引跳到陽極板上。中間有一層柵極(或稱閘極 Gate) 是用來製造負壓阻擋電子流的跳動。
瞬間電子流多大,其實沒有文獻記載,是不是跟柵極電壓成線性關係也不得而知。柵極電壓改變時,瞬間電子流會不會 overshoot 也是不知。
真空管是個很奇妙的元件。本身是個電子元件,但其實也是一個樂器。
電子流的彈跳跟鋼琴琴弦的振動是有些類似的,電子彈跳到陰極板會來回彈跳產生泛音。
所以不同製造廠做出來的真空管,會有不同的音色,很奇特的現象。
一般以為真空管的泛音是偶次諧波造成,個人理解是誤解了。實質上是電子在陽極板彈跳也會造成泛音。
真正的真空管設計高手,也會去想辦法去消除諧波失真。
我樓上畫的那個2A3 電路圖為例。前級管56管造成的二次諧波, 反向波經過 2A3 再一次產生二次諧波,兩次是可以互抵的,偶次諧波是有機會壓到很低的。

另外,瞬間動態跟最大功率多少無關,這也常常被誤解。瞬間電子流跟功率沒什麼關聯,只是高階的擴大機,在設計上就會採用並聯方式,選用額定值大的元件,電源供應器,散熱,也不惜高成本,這些都跟提高功率有關,但也同時提高了瞬間動態。所以大功率高單價的擴大機通常瞬間動態比較好,但原因不是功率大,而是跟設計有關。

真空管的瞬間動態跟電晶体比,也無法比較,因為元件差異太大了,製造電子流的機制完全不同。
1 台 6w的300B單端真空管,跟一台 100w 的ab 擴,那一台瞬間動態好,是無法比較的。

一台 50w的ab擴,跟一台100w的ab擴,那一台的瞬間動態好,其實也是無法比較的,要看怎麼設計。

D類擴大機又是不同的世界,瞬間動態也跟其他類別無法簡單用功率來比較。

MiPiace wrote:
真空管是個很奇妙的元件。本身是個電子元件,但其實也是一個樂器。...(恕刪)

真空管真是個有趣的東西,設計考量思維上,不單只是電路,您把它比喻為樂器,也許更為貼切。
goldbingo wrote:


但是對於後級擴大機,因為要對付的是特性變動劇烈的單體物理運動行為,對這方面我沒有涉獵,直覺認為難度應該比較高。希望這方面專家可多多給予資訊及指導,之後還也待更多時間累積相關知識


不知道這個算嗎?
Audio Myth - "Damping Factor Isn't Much of a Factor"
goldbingo
goldbingo 樓主

謝謝提供資訊,我再來研讀一下[拇指向上]

2025-03-09 8:35
goldbingo wrote:
首先感謝Pachilla...(恕刪)


照搬書本上的東西,似乎理解的太難了,其實很簡單,重新標注一下



三極:不管是bjt、mosfet還是真空管,三個極先統一叫陰、陽跟控制極(對,固態元件叫sdg、bce,電子小白先別亂
電阻:每個極都有一個電阻,加上vcc電源(真空管叫b+),決定這個放大電路的q點,q點就是「靜態」工作點,給3個極供電的工作電壓。
輸出:可以由陽極,也可以由陰極,取決是要放大電壓,還是電流。「晶體」擴大機最後一級輸出級幾乎都是電流放大級,所以都是由陰極(射極或源極)輸出。
上圖只是基本放大器原理,實際擴大機找不到,就連老式otl也不是,真空管才有可能。除了b類非線性區,不論晶體真空管都會輸出直流,必須要有濾除直流的手段。晶體現在幾乎都是sepp-ocl,用npn/pnp互補元件及正負電源形成一個中點抵銷「靜態」的直流。
動態:以上是靜態,動態就是輸入音樂訊號,然後接上負載,都是動態變化的。所謂動態響應,就是隨著音樂變化負載改變時,能不能即時提取到電流的能力。
slew rate、瞬態一類的差不多是講這個。slew rate沒看過很多電路可以改變,但要搞壞動態不難。很多擴大機的電源濾波都會用大電容來降低ripple,其實ripple到一定程度加大電容的效果就不大,這時加大電感效果會明顯很多。但是電感是串接的,由於電感有「電流不能跳變」的特性,電感一大要馬上提取到電流能力就變差,沒辨法只好將就電容做大一點。

———後面練打字———
相位跟放大級:擴大機不只有一級放大,一台晶體後級會有3個級,看上圖有注意陽極電壓放大,相位是相反的嗎?陰極電流放大則相位不變。所以電壓要2級,電流1級,出來相位才是正確不需要反接線。
驅動級:前1級的輸出電壓要看下1級的偏壓大小,偏壓就是不要落在「非線性」,所以前1級電壓增益放大倍率就是要比偏壓高出一定程度,免得2個電壓一起又跑出線性區
偏壓:晶體一般不會只用電阻分壓,會設計一些電路或可調整來平衡中點的直流。
阻抗:真空管高電壓但跨導太低,以致於跟晶體輸出電流差上幾百倍,因此沒有從陰極做電流⋯待續
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JohnTitor wrote:
不知道這個算嗎?Audio...(恕刪)


應該不完全算,DF阻尼



用歐姆定律理解就可以:兩個電阻R1「高」電阻跟R2「低」電阻串在一起,電流相同,因此功率都會在高電阻那邊。
所以擴大機如果本身阻抗很高,功率不會往低電阻喇叭那去,會反射回來。
(10多年前在某工廠顧一種機台,其上有個RF射頻產生電漿裝置,就是每天看反射功率大小、調整或維修阻抗匹配器

阻抗匹配,這跟負載變化提取電流的響應速度有點不一樣。

————
北歐小廠擴大機聲稱DF 4000,但又沒有幾對晶體並聯,換算一下每對的阻值約0.001歐姆,可能嗎? 光輸出的射極電阻大過這個數值很多,內部阻值這麼低得晶體帶電阻都要打穿短路⋯(^_^;)
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