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晶体二极管功放底工知识深入分析,慢爷快谈

时间:2019-11-27 17:05来源:家居装修
当人类开始懂得开始思考,音乐便伴随着社会的发展在历史长河中留下深深印记。从口口相传到谱成乐章,人类一直都想留住最美妙的声音,可惜历史上的那些绝妙音乐最终都随乐者而

当人类开始懂得开始思考,音乐便伴随着社会的发展在历史长河中留下深深印记。从口口相传到谱成乐章,人类一直都想留住最美妙的声音,可惜历史上的那些绝妙音乐最终都随乐者而逝。

大家好,我是慢爷。今天给大家说说音响的发展历史。

电子管音频功率放大器,以其卓越的重放音质,广受HiFi发烧友的青睐。市售成品电子管功放动辄数千元,乃至上万元,如此高价是大多数爱好者无法企及的。

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像人类文明一样,音响的发展历史也分为几个不同阶段:电子管阶段、晶体管阶段、集成电路阶段和场效应管阶段。

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我们总是期盼着有一天可以把那些天籁留下,藏在怀中,甚至可以将他们重复播放。在如此迫切的需求下,我们终究获得了成功,音响如今走入了每个热爱音乐的人家中,或是显摆柜台,又或是隐藏在墙壁之中。我们今天坐在家中享受着或平缓或激昂的乐章时,你是否了解那段人类在电与声的探索中逐步摸索、逐步成长的过程呢?

19世纪60年代,第二次工业革命以来,新发明新科技像雨后春笋般不断出现,那时候有些人天生注定就是伟人,而有些人则获得幸运女神的眷恋。1906年,德•福雷斯特在安迪生、弗莱明的研究上,发明了历史上第一个真空三极管,开创了人类电声技术的新篇章。

发展历程

文艺留声 唱片的崛起

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60年代以前,在声频领域占统治地位的一直是用电子管装置的各种音响设备,放大器也不例外。60年代后期,特别是70年代,可说是电子管最不幸的年代。由于其自身的缺点,使其渐成淘汰状态,尤其是在国内更是如此。70年代末期,在国外电子管又开始活跃起来。进入80年代电子管放大器越来越盛行。特别是高音质的音源CD机发明后,随着制约电子管放大器的输出变压器技术的进步,电子管放大器能“中和”CD唱机生硬的“数码声”,电子管放大器的地位在提高。加之老年发烧友当年均领略过其优美的放声,它的复出首先得到了这些人的欢迎。在国内外,电子管放大器有时甚至是一种身份的象征。

1857年,法国发明及斯科特发明了声波振记器,这是一款可以记录音调频率的原始录音机。爱迪生受此启发,在1877年发明了第一部留声机,通过声学方法在唱片平面上刻出的弧形刻槽记录下美妙的声音,改变了以往原始录音机的筒形凸点记录方式。

德•福雷斯特发明了第一只真空三极管

电子管功放优点

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1928年,在贝尔实验室工作的布莱克发明了前馈和负反馈技术并应用到放大器设计中,有效地减少了放大器失真。这是线性化功率放大器技术时代的开端,也开创了音响技术发展的新时代。直到19世纪60年代,电子管放大器发展迅猛,各种电子管放大器层出不穷,迎来了电子管放大器最美好的阶段。

1、电子管功放输入动态范围大,转换速率快。

留声机的诞生改变了人类对于音乐的保存方式,也促进了其音乐存储介质——唱片的崛起。1888年,伯利纳制作了世界上第一张蝶形唱片,并在美国费城展出。1891年,伯利纳成功以虫胶为原料制作唱片,虫胶唱片一直到上世纪50年代还在沿用,最后被黑胶唱片所淘汰。

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2、电子管功放大多是采用分立元件、手工搭线、 焊接 ,效率低,成本高。这在发达国家尤为明显。

如今,留声机已经被改良成为集DVD、VCD、收音机、点唱机、5.1功放、外接音频输入于一身的现代音响设备,并以其独特而高贵的设计被大多数别墅、高级餐厅使用。

但好景不长,到了19世界60年代,电子管放大器的缺点受到越来越多的人诟病,例如,体积大、功耗高、发热厉害、寿命短。时代的步伐急需电子管的替代物。

3、电子管功放的开环指标优于晶体管,不需加深度的负反馈,不加相位补偿 电容 也能稳定地工作,因而其动态指标较优。

作为19世纪的伟大发明,对比如今多样的音响产品,留声机的性价比极低。当然,如果你是文艺青年或者是有一份怀旧情结的话,留声机+黑胶唱片,无疑能够彰显出别样的格调。

如此同时,1947年的11月,在贝尔实验室里,以肖克利为首的科学家终于研制出历史上第一个半导体晶体管。1950年,蒂尔和斯帕克斯制作出锗基NPN 结式晶体管,这使得现代半导体工艺成为可能。从硅晶体管全面取代锗晶体管开始,晶体管体积小、功耗低、发热量低、寿命长的优点才突显出来,很快便取代了电子管。不过,晶体管放大器在CD机时代才迎来了它的辉煌,磁带录音中被噪音淹没的细节在CD中毫发毕现,因此亟需低失真、低效率的扬声器, 而当时能推动这种扬声器的只有晶体管。

4、电子管功放的音质总体来讲是柔和动听,更具体一点说,电子管功放低频声柔和清晰,高频声纤细嫩雨而洁净。表现人声是其强项。

音色暖男 电子管音响

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5、电子管机的高音较平滑,有足够的空气感,具有一种相当部分人所喜欢的声染色,柔和而稍带模糊的声音是很美丽的。

1906年美国人德福雷斯特发明了真空三极管,开创了人类电声技术的先河。1927年贝尔实验室发明了负反馈技术后,使音响技术的发展进入了一个崭新的时代——电子管音响时代。

时代的发展总令人惊叹,在晶体管放大器还未站稳之际,音响集成电路已横空出世。1966年,美国RCA公司研制出CMOS集成电路,并研制出第一块50门门阵列,奠定了大规模集成电路的基础,也是集成电路最具意义的里程碑。到了1971年,Intel公司推出1kb动态随机存储器,同年推出全球第一个微处理器,这标志着集成电路时代已真正来临。集成电路具有质优价廉、体积小、功能多等优点,很快便成为音响界的新宠儿。时至今日,厚膜音响集成电路、运算放大集成电路依然广泛用于音响电路中。

6、电子管放大器引起的主要是偶数的二次谐波,这种谐波成份非常讨人喜欢,恰如添加了丰富的泛音,美化了声音。

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电子管功放缺点

在上世纪60年代以前,电子管音响以其甜美温暖的音色、卓越的抗过载能力、优秀的匹配特性深受追捧。但在实际上,电子管音响的甜美、温暖的音色仅仅是因为电子管功放采用了输入变压器,在铁芯磁滞作用下,导致了电子管功放的瞬态特性有所下降,这就将其中一些细微的、爆发性很强的、并不十分和谐的细节CUT掉了。当用户在听一些细节国语丰富又欠甜美的音乐时,则会感觉声音得到了美化。但在播放一些原本就偏甜美温暖的音乐时,则会感受到音乐节奏变得缓慢、呆滞。

无独有偶,音响界的新势力马上又要出现。1951年,场效应晶体管发明,1962年,美国RCA公司研制出MOS场效应晶体管。到了19世纪70年底,日本生产出第一只场效应功率管,场效应功率管兼备了电子管圆润、甜美的音色,以及动态范围达90db、THD

1、电子管寿命较低,使用一两千小时后某些技术指标明显下降。

如果不是上世纪80年代高音质CD机的出现,电子管音响早就被后来出现的晶体管音响淘汰了。虽然相较于其他音响产品,电子管音响拥有体积大、功耗高、寿命短的缺点,但凭借其卓越的重放音质,依旧占据着音响市场的一席之地。

音响的发展走过了电子管、晶体管、集成电路、场效应管等阶段,代表着不同时代的科技元素以及人们对音乐的追求,接下来,数字技术将会成为音响界的主力。同时,不可忽略的一个现象,在科技的进步下电子管的寿命得以数倍延长,以及对高保真音乐的追求,声音温柔厚实、甜美动人的电子管,受到越来越多的人追捧,而且在HIFI级别的音响中,电子管是唯一的宠儿。

2、电子管放大器耗电高,又常常工作在甲类状态,更降低了效率,但基本不存在瞬态互调失真、 开关 失真及交越失真等有害音质的因素。

细腻有味 晶体管音响

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3、电子管放大器在重量、效率、寿命方面相比晶体管放大器一点都不占优势。

1950年,世界上第一只PN结晶体管的问世并没有给音响领域造成多大的冲击力。当研究人员把设计精良的输出变压器应用到晶体管功放中去的时候,所有人都没想到,这种搭配居然产生了细腻耐听的音色,且保留了晶体管功放省电、耐用、效率高的特点。

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4、使用上,电子管要有良好的通风散热,温度的过热必然缩短电子管寿命,所以要尽可能使电子管保持较低的温度。

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5、电子管怕振动,所以采取防震措施尽量避免振动也是很重要的。

接下来的10年,随着晶体管音响技术的不断改进,晶体管音响以其体积小、寿命长、价格低等优势逐步蚕食电子管音响市场,电子管音响市场几近崩坏。但晶体管功放并没有采用输入变压器,也就不存在软化失真这一特点,重播音色的劣化要明显许多。另外,由于晶体管功放的功率储备要比电子管功放大很多,也会造成一些效率不高的假象。

特点与结构

晶体管虽然在音色上不如电子管音响设备,但晶体管新技术的发展速度要远远超过电子管。“优胜劣汰”的法则不论在哪儿都是适用的,如果电子管音响技术不作出重大革新,被晶体管音响淘汰是迟早的事。

晶体管放大器是在低电压大电流下工作,功放级的工作电压在几十伏之内,而电流达几安或数十安。电路设计上多采用直耦式无输出变压器电路,输出功率可以做得很大,可达数百瓦,各项电性能都做得很高。

数字先驱 集成电路技术

电子管放大器是在高电压、低电流状态下工作。末极功放管的屏极电压可达到400-500V甚至上千伏,而流过电子管的电流仅几十毫安至几百毫安。输入动态范围大,转换速率快。

从电子管、晶体管再到集成电路,科技的进步也引导着音响技术的革新。上世纪60年代初,美国正式将集成电路应用于音响设备制造,翻开数字音箱、mini音箱发展的序章。

电子管放大器大多是采用分立元件、手工搭线、焊接,效率低,成本高。而晶体放大器多是采用晶体管和集成电路相结合方式,广泛使用印刷电路板,效率高,焊接质量稳定,电性能指标高。

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功率与抗过载

集成电路具有体积小、重量轻、寿命长、可靠性高等有点,同时成本低,便于大规模生产。而这里还有一段小插曲:晶体管之所以能在短时间内超越电子管,就是因为晶体管厂商逐渐向集成化靠拢,生产出体积小、功能强、稳定性高的音响设备。而今大部分音响设备上都不会缺少两样东西:集成电路板和晶体管。

高保真放大器动态范围应做到120dB,这样才能满足声响从轻微到高潮顶峰的需要,放大器输出不削波,因此放大器要有足够的功率储备量。如果音频电压的动态范围为3:1,因功率与电压平方成正比,所以其功率动态范围即为9:1。也就是说功率为90W的功放,要达到高保真放音只能开到10W。因此,晶体管放大器需要有很大的功率储备,才不会出现过载失真,一旦过载,其失真几乎成垂直线上升,严重时能损坏晶体管。电子管放大器抗过载能力远比晶体管放大器强。如发生过载,其音乐信号巅峰只是变得比正常波形滑,声音听不出有多大程度的变坏。而对晶体管放大器来说,此时将出现削波,音质明显变坏。

集成电路音响的概念十分广泛,所有使用了集成电路的音响设备都可以叫做集成电路音响,这也是未来音响的发展趋势。即便高傲如电子管音响制造商,目前也在筹划引入集成电路板制作工艺。

开环与瞬态

HIFI品质 场效应管音响

电子管功放的开环指标优于晶体管,不需加深度的负反馈,不加相位补偿电容也能稳定地工作,因而其动态指标优于晶体管功放。晶体管功放的开环增益量(未加负反馈前的增益量)往往很大,它的优良的电声指标,是依靠加了很大量的负反馈来达到的,为了抑制寄生振荡,晶体管功放中又常常采用滞后补偿,这就带来了明显的瞬态互调畸变,严重地影响音质。

70年代的中期,日本生产出第一只场效应功率管。现今的许多放大器中都采用了场效应管作为末级输出。虽然场效应管依旧属于晶体管,但相较于普通晶体管,场效应管拥有制造简单、成本低、稳定性高、便于集成化的优点。

效率寿命成本

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电子管放大器在重量、效率、寿命方面比晶体管放大器不占优势。电子管寿命较低,使用一两千小时后某些技术指标明显下降。而晶体管及集成电路寿命却要长得多。另外,电子管放大器耗电高,又常常工作在甲类状态,更降低了效率,但基不存在瞬态互调失真、开关失真及交越失真等有害音质的因素。在成本方面,对同一档次的放大器,电子管功放一般明显高于晶体管功放。主要原因是电子管、输出变压器成本高,及电子管功放生产工艺不易自动化,生产效率低等。这在发达国家尢为明显。

在音响技术领域,场效应管的结构简单、稳定性高、信噪比佳,在音乐细节部分的表现要比电子管、普通晶体管音响更好。场效应管的转换速率,高频特性好。此外,场效应管的失真多为偶次谐波失真,相对于电子管的奇次谐波失真,而人耳对于奇次失真的感觉更加明显,这就是的场效应管的听感要好于电子管。

放大器扬声器

场效应管音响高中低频能量分配适当,声音有密度感,低频潜得较深,音场较稳,透明感适中,层次感、解析力和定位感均有较好表现,具有良好的声场空间描绘能力。这也是场效应管为何在音箱数字化的今天应用越来越广泛的原因。

晶体管放大器的输出内阻往往比电子管功放小的多,它的阻尼系数fd很大,可达到100-200以上,而电子管功放的fd最大也不过为10-20。因此功放类型不同,应搭配不同的扬声器。扬声器出厂时应标明fd,以便人们选配。如果把适合电子管功放阻尼系数的扬声器接在晶体管放大器上,则扬声器的电阻尼过大,瞬态响应会变劣,音质明显下降。反之,适合高阻尼系数的扬声器接在电子管功率放大器上,则由于欠阻尼,音质也不会好。总之,阻尼系数一定要合适,即要求放大器与扬声器得到合理匹配。

写在最后:

音质

总得来说,音响技术的发展历史可以分为电子管、晶体管、集成电路、场效应管四个阶段,而古典留声机更像是是在音响之前的一个启蒙者。(现代改良留声机应用了集成电路和晶体管技术。)

由于以上提到的以及未提到的种种原因,电子管功放音质明显优于晶体管功放。晶体管功放听起来高频、中高频有偏多感觉,低频感觉偏少,晶体管功放听起来声音较硬,特别是低频声不够柔和,而高频声又显得尖刺、发燥,听起来有时感到高频段存在着交越畸变。当频率增高而音量又很大时,这些现象就更加明显。但晶体管功放的动态大、速度快,特别适宜于表现动态大一些的音乐。至于表现枪炮和雷电声当然更优于电子管功放了。

就笔者所搜集的资料看来,目前音响市场最大的争议即是电子管与晶体管的优劣对比,可是其中掺杂了太多的个人主观情感。在笔者看来,晶体管音响的新技术要优于电子管音响,不管电子管音响爱好者如何辩驳,电子管的市场份额逐渐缩水,场效应管/晶体管音响已占去据了音响市场大半江山,这都是不争的事实。

电子管功放的音质总的来说是柔和动听,具体一点说,电子管功放低频声柔和清晰,高频声纤细雨而洁净。表现人声是其强项,也因此更贵。

选购的考虑

既然电子管放大器能与晶体管放大器平分天下,那么其必有优越性存在。而晶体管放大器采用的新技术似乎明显优于电子管。因而到目前为止,晶体管放大器在声频领域仍然占有明显优势,而且由于其自身缺点的存在,而正在设法减少与回避这些自身的缺点。比如各种场效应管的越来越多的应用,甲类放大形式迅速地增多等都是与电子管放大器抗争的有效措施。

延长使用寿命

在使用上,电子管要有良好的通风散热,温度的过热必然缩短电子管寿命,所以要尽可能使电子管保持较低的温度。电子管怕振动,所以采取防震措施尽量避免振动也是很重要的。若做到这两点,电子管的使用寿命至少可提高一倍。为此,电子管设备的周围要有适当的空间,尤其是它的上方,以便有良好的对流通风,可能的话可用风扇帮助散热。

电子管阴极在尚未达到要求温度即加上高压电源时,它的阴极将受到损害,同样会缩短电子管寿命。所以电子管设备若有预热装置的话,一定要使用,例如先开灯丝低压电源预热,后开高压电源。假如没有预热装置,那你不要急着将输入信号接入,可将音量关到最小,待先开机20~30分钟进行温机再使用。如果使用旁热式整流管供给整机高压,那正好提供了简单又有效的高压延时。另外,在正常使用时,不要频繁开关电源。

当然,如果对电子管电路进行正确的设计,避免错误运用,就能使电子管不致“英年早逝”,电子管使用数以千计的聆听时数应是正常的。电路设计中最常见的错误有电子管灯丝与阴极间的电位差过高、电子管屏极或帘栅极电压运用至最大值、电子管灯丝电压过低或过高、电子管安装位置不当造成电极过热及高压电源没有延时装置等。

电子管胆机功放和普通功放的区别

1、制作材质不同,前者采用电子管、后者采用半导体三极管。

2、音色:前者动态范围宽广,显得音色厚实。后者不同功放的动态范围差距很大,有的声音显得单薄。

3、体积:前者体积大,后者体积小。

4、效率:前者由于由灯丝发热激发电子,效率低,费电。后者效率高,省电。

5、寿命:前者电子管寿命以千小时为单位,后者半导体器件寿命以万计。

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