放大器的频率响应问题

作者：家电大视野 王博

欢迎访问e展厅 展厅 2 音响/数码产品展厅 数码相框, 音频播放器, 音响,... 频率响应也称为“频率特性”，是放大器的一个重要指标。它描述了放大器对于不同频率电信号放大率的均匀度。 功率放大器是由许多元件和部件构成的电路形式，这些元件和部件有的本身就是电抗元件，有的虽然不是电抗元件但实际上却多少具有电抗成分。从电路分析来看，电抗（包括容抗和感抗）的存在，会使放大器对于信号的不同频率呈现不同的放大能力，这样的结果当然是我们不希望出现的，它是一种失真，频率上的失真。 理想的放大器是不应当存在失真的，包括上面所说的频率失真。它应当从直流（0Hz）一直到微米波、纳米波，以至于无限高的高频率都能够实现相同的放大。然而这样的放大器仅仅存在于我们的抽象思维中，作为实物它从一开始就没有出现过，将来可能也不会被制造出来。 频率响应的标准和标示 我们所接触到的都只能是“实际放大器”，它的放大倍数只能保证在一个频率范围内有比较均匀地放大，这个“频率范围”又被称为“通频带”。按照电子电路分析的通常判断方法，在通频带的两端，放大倍数下降到了中间频段的0.707倍（即-3dB），低于这个倍数以外的频率部分，我们可以认为不是有效的放大。 然而对于功率放大器来说，-3dB的不均匀度太粗糙了，所以制定的扩音机标准中都作了压缩，国家标准GB/T14200-1993规定了高保真音频放大器的有效频率范围的最低要求为： 40Hz~16000Hz（相对于1000Hz的容差在±1.5dB之内） 看来还真是个“最低要求”，门槛很低，按照现在许多厂家的技术能力可以轻易地迈过去。可是达到了这个“国家标准”，就能算是台好功放？ 按国际电工委员会的规定，高保真功率放大器的频率响应为20Hz~20kHz（±1.5dB） 一些国际著名品牌的放大器，它们所给出的指标是20Hz~20kHz（-0.2dB） 这个指标向我们表达的是，到了20kHz以上频率的时候，放大倍数只下降了0.2dB的容差，频率响应的上限有可能到达22kHz。 有关功率放大器的频率范围，有很多种标示法，区别都在于括号里的“容差”，很多厂家把容差标得比较大，比如20Hz~30kHz（-3dB），看上去好像频率响应指标挺高的，其实这个指标所反映的实际水平，很可能还不如一台标有20Hz~20kHz（-0.5dB）的产品。还有一些厂家，干脆就没有括号里的内容，直接标上20Hz~40kHz，对于懂行的人来说，像这样的指标可以说没有什么意义，标不标都一样，但是在商场挂上这么一个标牌，它的“小聪明”还真的可能起到作用，普通消费者容易这样认为：这是一台高频特性不错的功率放大器。 令人沮丧的听力测试 高档的晶体管功率放大器，它们的频率范围有的标出了10Hz~100kHz（±0.5dB）。 然而人类听音的频率范围是20Hz~20kHz，就是说低于20Hz或者超过20kHz的声音我们是听不见的。超出这个范围的声音，低端的次声波，我们还有可能通过其他方式感受到，比如说触觉，但是对于高端的超声波，确实无法感受到。 那么功率放大器的研制者和使用者为什么如此在意要把它做得那么高呢？ 一些发烧友认为，不排除个别人在听力上的特异性，他们能够到这种声音，的确有人声称能够听到30kHz的声音（无法验证）。许多人认为自己听力非常好，对于自己能够听到20kHz的声音这一点深信不疑。 其实在听力这个问题上，如果经过实际测试（纯音），可能大多数人会受到一定的“打击”，——原来，自己的听力远远达不到20kHz！ 在一个合适的音量（比如80dB）下面，用信号发生器连续调变声频信号的频率，由低向高，声音越来越尖，越来越不容易听见，你可能会发现，还没有到20kHz，甚至刚刚上升到15kHz就已经什么也听不见了，不要不以为然，也许你就是这样的，不完全是因为年龄因素。听力过早地出现减退，对于长期在噪声环境里工作或生活，对于那些经常去迪斯科舞厅、吵闹的酒吧等等环境的们，可能尤其如此。 但是请不要沮丧，在这里我要说明的是，即使你的听力只能达到15kHz，一台频率响应上限为100kHx的功率放大器，对于你来说也仍然是非常有意义的。 不可或缺的高次谐波 我们知道声音的三要素是：音高，音色和响度。 其中“音色”（Timebre）对应于电信号的“波形”。 物理学告诉我们，满足一定条件的周期函数，可以通过“傅里叶分析”，表达成为三角函数的级数。乐音的波形是周期函数，可以分解成为n种不同频率的正弦波，其中最低频率的那一个称之为“基波”（基频），其余的频率通常为基频的整数倍，它们都被称之为“谐波”，依次为二次谐波、三次谐波……n次谐波。 举一个比较特殊的例子：在电子电路的实验中，经常用到方波，这种波形经过傅里叶变换以后可以得到1、3、5、7次谐波，再以它的基频是人耳比较敏感的4kHz为例，那么它的7次谐波就是28kHz，远远地超出20kHz，对于频率响应的上限只能达到20kHz的放大器，它所能输出的波形只能是一个被严重“倒角”的方波，从听感上和一个没有被“倒角”方波差别就比较大了。 除了方波以外，还有其他一些波形的频谱更为复杂，比如锯齿波——分量从1到8；又比如矩形脉冲——高达9个分量！ 您也许会说，我们用音响是为了听音乐，不是为了听一个信号发生器产生的音响效果。乐器能够发出方波、三角波或者脉冲的声音来吗？当然，我们从单个乐器的声音分析中是见不到上述规范化的波形，但是当这些乐器在现场演奏的时候，以及我们周围的声音世界就包含有比这些特殊波形更为复杂的频谱。使用方波只是为了测试和对比的方便，它可以很直观地反映出放大器对瞬态信号的反应速度。 作为高保真音响的目的，就是要让系统发出来的声音，听上去尽可能真实地还原包括乐器演奏在内的各种声音效果，所以理所应当去重视那些虽然不能直接被听见，但是对波形又能构成较大影响的高次谐波成分。 一个频率失真的音响系统，完全有可能造成高次谐波的丢失，从而导致电信号的波形发生改变。 对于不同的音响产品来说，由于放大器和音箱的原因，谐波成分都有不同程度的损失，造成了波形的变化。波形的这些并不算微小的变化造成了“冷”、“暖”或者“中性”的音色趋向。 由于缺少频率在20kHz以上的声音，也往往使得我们一下就能听出来，——我们是在欣赏音乐会呢，还是在聆听从一套音响发出的动静？ 在追求高保真音响效果的路途上，数码录音技术已经走在了前头，频率响应已经达到100kHz，而我们的功率放大器却基本停留在20kHz（-0.5dB）的水平上裹足不前，并且还有好多机型实际上达不到这个水平。 举足轻重的“音头” 科学家在对乐器的声学研究中，测试出了不同乐器的声音频谱，从这些频谱来看，很少有超过18kHz的。仅从这一点看，追求超过20kHz的频率响应似乎就缺少依据。 但应当指出的是，乐器声的频谱分析是在实验室条件下，建立在乐器持续稳定地发出声音的基础之上，这与实际演奏的情况并不完全相同。 音色不令取决于频谱，因为实际的音乐声并不是保持稳定不变的。事实上它的频率和强度都在时刻不停地变化，如果从动态的方式去观察，音乐的演奏过程会有许多强烈变化的、次数非常高的谐波分量。比如说每一个声音都有开始和结束，有一个建立和消失的过程，我们称之为“音头”和“音尾”，这个过程对于音色的形成占有相当重要的地位。 如果对一段乐器的录音“掐头去尾”，很可能放出来的声音就很难听出是哪一种乐器。 我们知道管乐器是用嘴来吹的，不同的吹气方式，就有不同的音头，但是不管用哪一种方式来吹奏，它们都有着比乐器持续发音的频谱复杂得多的瞬态过程。 弦乐器的音头也不简单，主要是富含高次谐波的“擦弦声”构成；另外作为声乐的演唱过程，它的“音头”还包含有呼吸声以及其他细微的动静。 无论有些专业的“音乐人”用多么不屑的口气去评价，音响发烧友们仍然津津乐道于他们的高档器材表现，最常见的内容，实际上就是描述有关“音头”过程的，比如乐手的“换气声”、比如小提琴的“松香味十足”，还比如“唇音”、“齿音”……，不能再往下说了，否则歌手的“口水”就下来了。 这些非常“发烧”的描述语句，相信并非是无中生有，实际上代表了放大器和扬声器系统高频做得很好，能够把更多、更高次的谐波（或分量）还原出来，用音响专用的术语来说，是“解析力”很高。这就是频率响应的上限做高了带了的好处，而且这好处是一般人注意聆听都能感受到的，并不是必须得“金耳朵”才能够听出来。 但是同样的描述若是出现在一套频率响应的上限连15kHz都达不到的音响系统（不要感到吃惊，很多音箱，甚至一些功放都是这个水平！），我们只能认为那是商品推销员的一种夸大其辞的吹嘘。 牵一发而动全身 考察一个放大器的优劣，有很多指标，其中频率响应可以说是首先要考虑的。其他诸项指标中，还有二项重要指标直接与频率响应有关，分别是：瞬态响应，瞬态互调失真。 瞬态响应（SR）系设备的动态指标，它反映出放大器的“速度快慢”，现在日益受到人们的重视。 频率范围的高端越高，也就是高频特性好的电路，能够保证有良好的瞬态响应，对于猝发信号或者脉冲信号，有着非常好的跟随或者响应能力。 而瞬态响应的提高，又有利于克服“瞬态互调失真”。瞬态互调失真（TIM）也是一个动态指标，这种失真是导致“晶体管声”的元凶。 所以说提高频率响应，不单单是提高了重放声音的解析度，而且关系着功率放大器的内在素质，还有许多“附带的”好处！ 既然频率响应高一些有好处，那么怎么样才能做得高呢？负反馈可以提高频率响应，但是频率响应的提高不能简单地建立在大环路负反馈基础上，而是依靠选用高频特性好的元器件以及局部电路高频特性的改善，以便形成比较好的“开环特性”。 开环特性不好的电路，靠深度负反馈来提高频响，会反过来造成严重的“瞬态互调失真”。 看起来围绕着“频率响应”这个指标，还真的大有文章可作，远远不是“多听到一些高音”那么简单！ (end)

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