关于电源对功放之音质影响的初级探讨

我一直有喜欢玩电子管放大电路的不良嗜好。

由于我生来体质不佳，搬动笨重的东西比较吃力的说，可惜的是电子管放大器生来就是个心宽体胖的玩意儿，小也小不了，轻也轻不了；最重的就要算那支电源变压器了，一直对之耿耿于怀，想革其命而后快。

终于机会来了。一次偶然的机会，俺得到了一本上好的古书，详细的介绍了关于一种名曰开关电源的，不需要用笨重的工频电源变压器也可以隔离输出几十到几百瓦的功率云。

于是乎搬经据典，历经数月，始成一传说中的开关电源，意欲为胆机专用。输出有280V6.3V两路，已有数篇显摆之贴发表于广播论坛之上，此处不再多述了。

后来又有诸说曰开关电源对音质有众多不利者，我的耳朵一直都是不太灵光，对音质的好坏向来都听不出啥名堂来的，对于以金耳朵验货的音响发烧友来说，仪器测量的各项指标也未必认可，更何况于吾等寒酸穷儒，也没啥可用于放的上桌面的测量仪器仪表。幸亏俺早年念过几本书，试图从旧书上寻一些由头初步探讨一下电源对音响系统的影响，此所谓纸上谈兵，避重就轻，实为吾之能事，故立此说以娱大众耳。

1. 电源

众所周知，电源系统里，主要的也就是变压器，整流二极管和电容器三样。

（1）电容器

先说说电容吧，这个玩意儿只要是用来滤波的，所有的人都知道要想滤波的效果好，就要有足够大的电容量，它里面存储有足够多的电荷使得这个器件对外表现为一只电源，有说曰“水塘”的，意即能量基本上都是从主滤波电容上释放出去的，在做放大器的电路分析的时候，一般也是将主滤波的大电容当作理想的电源处理。

要以足够低的成本获得足够大的电容，我们不得不使用电解电容器。

现在最常用的滤波电容，正式的名称应是：铝箔干式电解电容器。几乎所有的放大器电路中都是采用铝箔干式电解电容；因此我们有必要对它多做些了解。

    面对电源线路中担任电源平滑滤波的电容器，你首先想到的会是什幺？─—容量？耐压？电容器的封装外皮上一定有容量标示，那是指静电容量；也一定有耐压标示，那是指工作电压或额定电压。

    工作电压(working voltage)简称WV，为绝对安全值；若是surge voltage(简称SV或Vs)，就是涌浪电压或崩溃电压;，超过这个电压值就保证此电容会被浪淹死─—小心电容会爆！根据国际IEC 384-4规定，低于315V时，Vs=1.15×Vr，高于315V时，Vs=1.1×Vr。Vs是涌浪电压，Vr是额定电压(rated voltage)。

    电容器的电荷能量是以Q＝CV来表示，Q是库伦，C是静电容量，V是电压；故当电压值不变时，加大静电容量就能增高电荷能量。请注意，电容器的容量单位应是F(farad)，可是因计量太高造成数值偏低，故多改用μF，1F=一百万μF。国外也有用mF表示μF，其实mF不十分贴切，但机械式打字机上没有μ键，故用m代表micro。 

    有了静电容量及工作耐压两个参数，若你正在选购电容，接下来你会考虑什幺？直觉上是价钱。嗯，这个参数很重要，而且数值愈低愈佳。也有人先想到品牌，并坚持日本货打死不用─—还存着八年抗战情结？美国货也仅能排第二，瑞典或德国制造的才能排第一。嗯，这个参数也很重要。但既然谈到品牌，那就不能忽略系列型号；因为一个制造厂会生产许多不同系列的产品，系列不同，品质及价格就会不同。OK，我们先整理一下，有关电源平滑滤波电容器的参数已知有：静电容量、额定工作电压、涌浪崩溃电压、价格、品牌、型号系列。

     当然，有时候外型尺寸也应该很重要，这个会在具体的加工制作和生产的时候会考虑到，在这里就不多??铝恕?br>

    容量误差也别遗漏，当采多颗并联，为求得单只特性均匀，误差当然是愈低愈佳。现在再加上工作温度及容量误差，咱们手上已有12个参数，对电容器应有三成以上了解。 

    电容的外皮上一般都印有电容的工作温度，其实它不是指环境或表面温度。而是指铝箔工作温度。 

    可是真正有关电容器品质的几个重要参数，却都只存在原厂规格书中，完全不会显露在成品封装外皮上，而这些重要参数才是本文谈论的重点，也是电源系统对音响的音质有重大影响的因素，至少俺是这样认为的。

　  散逸因数─损失角 

    散逸因数dissipation factor(DF)存在于所有电容器中，有时DF值会以损失角tanδ表示。想想，损失角，既有损失，当然愈低愈好。塑料电容的损失角很低，但铝电解电容就相当高。DF值是高还是低，就同一品牌、同一系列的电容器来说，与温度、容量、电压、频率......都有关系；当容量相同时，耐压愈高的DF值就愈低。举实例做说明，同厂牌同系列的10000μF电容，耐压80V的DF值一定比耐压63V的低。所以有时候选用滤波电容常会找较高耐压者，不是没有道理的，当然低压电路中使用高耐压电解电容会带来成本问题以及相关的电解液的寿命等方面的问题；此外温度愈高DF值愈高，频率愈高DF值也会愈高。 

    但许多电容器制造厂，在规格书上常不注明散逸因数DF值，因为数值甚高很难看。以瑞典RIFA为例，其蓝色PHE-420系列是MKP塑料电容，它的DF值最低是0.00005/最高是0.0008。但白色顶级PEH169系列铝质电解电容，就未标示损失角规格。若真注明DF值，可能会是1.0000，小数点是在1的后面。

　  等效串联电阻ESR 

一只电容器会因其构造而产生各种阻抗、感抗，比较重要的就是ESR等效串联电阻及ESL等效串联电感

电容器提供电容量，电阻和电感当然是要越低越好。但low ESR/low ESL通常都是高级系列，贵。 

ESR的高低，与电容器的容量、电压、频率及温度...都有关，当额定电压固定时，容量愈大 ESR愈低；当容量固定时，选用高WV额定电压的品种也能降低 ESR；故耐压高确实有不少好处。频率的影响：低频时ESR高，高频时ESR低；当然，高温也会造成ESR的提升。 

    ESR与损失角有关联，ESR＝tanδ/(ω×Cs)，Cs是电容量。 

有时电容器规格上会有Z，它与ESR的意义不同，但Z的计算示与ESR有关，同时也考虑到容抗及感抗，是真正的内阻。刚才提到电容的ESR单位是mΩ，那是指大电容，若是220μF小容量电容，其ESR单位就不是mΩ而是Ω。

风闻Sanyo的OS有机半导体电容有最低的ESR！

　  涟波电流Irac 

    前面谈到的散逸因数DF-损失角tanδ、ESR-串联等效电阻等，其值都是愈低愈好，但现在要提的涟波电流ripple current却是愈高愈好。

    涟波电流Irac的标示至少应有低频及高频工作时两种规格数字，低频大约是以120Hz做标准，高频大概是以 10KHz做标准，但不同制造厂商可能会有略微的差别。 

    涟波电流与频率刚好成正比，因此低频时涟波电流也比较低。采购电容器时，涟波电流数字高低是极为重要的依据。在一般状况下，同品牌时，锁螺丝式电容的涟波电流通常比snap-in插PC板式来得高。 

为了后来电路分析，我们将电容可以等效为下面的图示：

图中，C2是理想电容，R5就是上面我们所说的等效串联电阻，L3是等效串联电感，R4代表漏电流。

在电源滤波电路中，一般情况下漏电流R4不用考虑，它对整个电路的影响也很小。

L3等效串联电感有说只是电容引脚的电感，量值只有几十个nH，但我觉得它应该还包括有电解电容结构里的铝箔的分布电感，量值应该也不止几十nH，它在高频率的开关电源中的影响是不可忽视的。

（2）整流管

半波整流在功放电路里面极少使用，在这里只考虑全波整流和桥式整流的情况。

整流电路的接法没什么好说的，这里想要说说的是关于使用电子管还是半导体二极管做整流元件的情况。

如果交流电经过整流器后，没有滤波电路，那很简单，不管是使用电子管还是半导体器件，我们得到的都是个馒头波的波形，形如下面的图示中黑色曲线所示的波形，它的周期为10毫秒，它虽然已经是直流电压，但不经过滤波是不可以共给放大器使用的。

现在我们研究使用的最多的电容输入形式的滤波器，由于整流器后面接了大容量的电解电容，电路在正常工作的时候电容器上已经建立起输出电压值了，对于在工频条件下的半导体二极管来说，我们可以认为它是一个理想的开关元件，阳极电压超过阴极电压时，开关接通，对主滤波电容充电。等效电路如下图所示，图中虚线框内表示为电解电容的等效模型：

电源的内阻，二极管，电容的ESR形成一个对理想电容充电的回路，由于电源内阻，电容ESR以及二极管的内阻很小，所以充电的电流会非常大（具体多少其实我也不知道），使得电容的电压跟着馒头波的波峰基本上很快就达到了最大值Vp，馒头波的电压到达最大后开始降低，由于电容上的电压不能跟着突变，保持为电压的最大值Vp，所以二极管的阳极电位低于阴极电容上面的电压，作为理想开关的二极管立即关断，电流回路断开，形成如上面图中红色曲线所示的电容充电电流曲线，这个暴大的脉冲电流，通过简单的傅里叶展开分析可以知道，它含有非常丰富的谐波成分，而他的基频为100赫兹，这些谐波成分通过辐射或者传导等途径窜入到放大器电路，由于放大器本身的一些非线性等影响，从而形成各种各样的音染。至于音染究竟会对音质有些神马影响，又会对听觉造成怎么的感受，我不得而知。当然以后如果我还有很多闲得无聊的时间再去仔细研究这个东西也是有可能的。

不光如此，很大的充电电流脉冲会在电容的等效串联电阻上形成很大的脉冲电压，而这个电压直接共给到放大器，如放大器的电源纹波抑制（这个下面还会说到）不好的话，显然也会在输出端形成干扰噪音。

上面说到的是使用半导体二极管做整流元件时的情况，如果我们使用电子管做整流元件那情况会则会怎么样涅？首先我要说的是电子管整流器是不可以把它当作一个理想的开关器件来对待的，为什么半导体管可以而真空管器件就不可以了涅？我们还是从器件的伏安特性曲线来说这个事儿吧。

下面的图是我们最常用的5Z3P电子整流管的输出特征曲线：

从这个图中可以看得出，随着阴阳两极之间电压的增加，它的输出电流增加的不是很猛。举个例子，当阳极电压比阴极电压高60伏特的时候，电流只有不足400毫安，同样的后面接一颗大容量的滤波电解，显然给他充电的速率也不会很大。至于为什么会是这样，大约是因为阴极放射出来的电子流是随着两极间电压的增加，而渐次使得越来越多的电子获得足够的动能以克服电子电荷之间的排斥力，从而成功到达阳极从而形成阳极电流的，所以它上面的电压在带负载的情况下基本上不会冲到馒头波的峰值，当然当馒头波的电压开始下降的时候，对滤波电容的充电也不会很快停止，而是以比较低的速度降低到零，由于给电容充电的电流不会有巨大的变化，所有他在工作的时候所产生的谐波也就比较少，从而对其放大器负载所造成的音染也要比用半导体二极管整流轻微得多。

现在我们再看看我们通常使用的晶体二极管的伏安曲线，下面的图是一个典型的半导体二极管的输出特性曲线：

从这个图上可以看得出，当半导体二极管阴阳两极之间的正向电压超过几个伏特以后，如果没有外部的限流，他的电流很快就会上升到几十安培以上，对于一般的电子管电路，它的屏极工作电压都在几百伏左右，所以在电源电路里面将半导体二极管当作一个理想的开关元件来分析是没有问题的。

实际的电子管电路里面还会用到一种用半导体器件整流再加电子管缓冲的做法，对于这种接法，正确的方法应该要把大的滤波电解放在电子管器件的后面，半导体整流元件之后不要装大电容，否则就只能起到缓冲高电压的作用，至于为什么这样可以按照上面的等效电路自行分析。

（3）电源变压器

这个东西没有什么好说的，相关变压器的书多得是，看看就成了，它只是一个改变电压的工具，把它加在电源电路中做电路分析的时候，就当是一个理想的电压源串连一个小小的内阻完事。

2. 放大器

在音响系统中，好多资深人士都认为放大器就是一个电源的调制器，所以电源和放大器在系统中是占有同等重要的位置的。

    （1）半导体器件放大器

对于放大器来说，现在最流行的电路程式是射随器输出，末级电流放大，具有很低的输出内阻。我不想在这里再说具体的电路形式，因为这种电路我们都已经见得太多了。我只想说一说它与电源和负载之间的关系，这也是这篇文章想要说明的主题。

这一点可以通过下面的一个图示说明：

从上面的图中可以看到，我们已经把放大器等效为一个理想的受控电压源Q1与其内阻R10相串联的电路了，由于放大器的内阻很小，所以R10是个很小的电阻，通常都是小于一个欧姆的。

上面已经提到过滤波电容，从上面的图中来看，滤波电容的等效串联电阻R13上面所产生各种噪音的电压降几乎全部都加载上负载上，负载是喇叭，那么这些噪音显然会对声音造成很大的影响，所以从这个角度来看，降低主滤波电容的等效串联电阻对音响系统干是何等的重要了。

这里面有两种情况需要单独考虑一下。

第一个是在没有信号输入的情况。很多人觉得我说的没有对，在没有信号输入的时候喇叭里面一点噪音也没有嘛，你说的那些干扰根本就是不存在的。我说不是这样的，由于我们通常的AB类放大器，它的静态电流是比较小的，在这种情况下，主滤波电容上的电压基本上充电到电源电压的峰值，由于电流小，所以整流滤波电路所形成干扰也很小，所以基本上不会听到干扰噪音。但是当大动态的信号到来的时候，由于电容充放电电流的加大，脉冲电流所产生的各种噪音就出来了，但是由于这个时候喇叭发出的声音也很大，由于耳朵的掩蔽效应，使我们听不到这个干扰声，但它却是的的确确的存在着并叠加在输出信号上，从而形成音染，给人造成音质不好的感觉。如果我们把AB类放大器的静态电流调上去，使他工作到纯甲类放大器状态，那么在音源没有信号输入的时候我们应该是可以感觉到这些电流谐波之噪音的存在的。

第二个是在大的滤波电容上面并连一个优质的超低ESR的高级电容。这样做肯定是好的，但不能从根本上解决问题。这需要从大电流的动态以及电流波动的频率说起。显然低ESR的小电容为高频信号的电流提供了捷径，但对于频率不太高的大动态信号来说，小电容上所存储的电荷维持不住电压，所以只能从高的ESR的大电解电容上获得电流。但不管怎么说，在大电解电容上并优质小电容对音频信号的高频段显然的具有很积极的作用。

第三个就是交流哼声。有人将滤波电容加大，以为哼声就没了，结果往往比较失望，这是因为扩大机的哼声大多数情况下都是因接地回路不当引起，来自电容器的影响其实微乎其微，当然从理论上来说，容量愈高，电源平滑效果也就愈佳，这个倒是没有错的，但实际听音的效果如何也许本文所说的也不无道理。至于电子电路的如何接地，这是一个很大的课题，而且一下子也不容易说清楚，这里就不多说了。

放大器的低内阻使得对于接在它上面的喇叭系统产生比较大的阻尼，这个对声音的影响是显而易见的，我估计也是影响到我们判别胆机功放与石机功放的听感区别的主要原因。

（2）电子管元件放大器

电子管放大器一般都接成屏极输出，用输出变压器实现阻抗的匹配和电压电流的变换。但是我觉得吧，这个输出变压器主要的还是实现电压电流变换的，我们常见的束射管和五极管，他们的内阻都在上百千欧以上，就算是三极管，它的内阻也有几十个千欧以上，按照阻抗匹配的定义，输出变压器并未能成功将喇叭的阻抗匹配到这些个数值上去。

由于电子管电路的恒流输出特性，我们分析电路的时候把它等效为一个受控恒流源来分析，当然他也是有内阻的，这个内阻并联在恒流源上。

我们把输出变压器看作理想变压器，通过匝比的换算关系把负载做阻抗变换折算到初级，可以得到下面图示的等效电路图。

在上面的等效电路中，负载是通过一个高阻态的恒流源接到电源，电源对于理想电容C3的充放电在等效串联电阻R8上产生的脉冲电流必须要通过恒流源的内阻R9才能在负载电阻R6上产生影响。上面已经提到过，一般情况下，R9作为电子管的内阻，是一个比负载电阻大很多倍的数值。因此滤波电容的ESR值对实际的负载影响不是非常大。

通常自己制作胆机都喜欢做成单端输出的形式，这种电路无论是有无信号，电源都要提供恒定的电流，使得在静态的时候电源的整流滤波部分就会产生比较大的干扰（如同上面提及到的纯甲类放大器），所以我们经常会发现滤波不好的时候喇叭里有哼声，但这种哼声却不会在信号到来的时候增加从而造成附加的音染。

所以简单的分析基本上可以得到一个结论：单端输出的胆机对电源的主滤波电容的串联等效电阻的要求是不太高的，原因就在于电子管的高内阻限制了电源电流的噪音通过负载，从而使得这种功放电路拥有比较好的电源纹波抑制比指标（power supply rejection ratio 简称PSRR）。

半导体放大器的电路相反，电子管放大器的高内阻使得对于接在它上面的喇叭系统产生的阻尼也很小，从而影响到喇叭的音质和听感。

（3）D类功率放大器（略）

3. 开关电源的供电对放大器的影响

上面谈论的都是以工频变压器配合二极管整流的电源对音响系统的影响。主要是整流电路提供馒头波的电压，并使用具有一定的ESR的大电解电容滤波的情况，其中馒头波的周期为10个毫秒，而二极管电流的导通时间根据负载电流的大小以及电容量的容值大约在0毫秒（空载）到3个毫秒（满负载）之间。所以供电源的符号画成上面的图示标号。而且我们已经得出一个结论：电源之主滤波电解电容对于低内阻的放大器（大部分的晶体管放大器）影响比较大，主要是存在音染问题；而对高内阻的电子管放大器的影响比较小。

如果将电源部分换成开关电源，那么情况又怎样涅？

开关电源有好多种拓扑。小功率（小于100瓦）电源最常用的是反激式拓扑结构，取其电路结构简单成本低控制回路稳定之优点。

我们现在就只对使用这种拓扑的开关电源的输出部分作分析。

根据反激式电源的电磁理论，在开关管导通的时候，励磁电感存储能量，而在开关管断开后存储的能量通过续流管向负载释放，在整个能量释放的过程中续流管导通，向主输出滤波电容充电。工作频率为100KHZ的开关电源，对于一般的设计，能量释放的时间可以从很小（空载）到6个微秒（满负载）左右。由于对电解的高速充放电，使得等效串联电阻和等效串联电感的影响变得很大，如下图所示，电解电容ESR的R16使得电容本身温度升高，从而影响器件的寿命，随着工作频率的升高，等效串联电感的存在，使得电容两端的纹波电压大幅度上升，纹波电压通过放大器的内阻在负载上形成噪音干扰。

当然对于高于音频好多倍的高频噪音对声音会造成什么样的影响我不得而知，但毋庸置疑，这个干扰肯定是不好的。当然高内阻的放大器会使得这些干扰对负载的影响变得比较小。

开关电源对音响系统的另外一个影响是辐射干扰。由于开关管和续流管的硬性开通和关断，在磁性元件上激起很高的电压脉冲，通过空间的辐射和机内导线的传导，使得使用这种电源的调幅收音部分完全不能工作。我尚不清楚这种数百千赫的干扰是否对音频的声音品质会带来多大的影响。当然使用良好的屏蔽措施可以使这些干扰降到比较低的水平，但并不能从根本上解决这个问题。

开关电源有一个很大的好处就是可以抑制电源工频的纹波干扰。设计良好的控制回路使得这种电源对几个千赫以下的纹波电压可以降到非常小的程度，在输出的直流电压中这些低频分量的噪音几乎为零，但控制回路对开关频率的纹波是无能为力的，只能在输出端通过电容来滤除，当然由于电容本身的ESR和ESL的影响，要完全滤掉开关频率成分是不可能的。

使用开关电源的胆功放带来的最大的好处就是大大的减轻了整机的体积和重量。没有电源牛束缚的小型大功率胆机总是给人耳目一新的感觉。目前我已经试制成功两款胆机开关电源，一个是80瓦的输出的，一个是120瓦输出的。

我的下一步的目标就是搞一种可以带动两颗FD422加两颗6N8P做功放的开关电源，因为俺前一段时间从网上买了好多的这种管子，呵呵。有说这个管子号称“小300B”，300B按目前我的经济状况来说是玩不起，那就整个小的玩玩也是可以的嘛。我有一套300瓦输出的使用工频变压器的胆机电源，输出电压可以从最低250V切换到最高420V，中间有好8个电压档位调节。将来做好了后可以请一些朋友来试听使用开关电源的胆机和使用普通电源的胆机之区别——这方面俺不行，耳朵不好，熟悉我的人都是知道的。

4. 关于喇叭和放大器的关系

喇叭是音响系统的喉舌，它的重要性在无疑是排在第一位的，当然由于不是今天我要说的主要内容，所以就简单的说一下。

喇叭有电气线路和结构系统两大部分构成，电气线路包括音圈和磁路，结构系统包括固定机构和弹簧质量振动系。它的等效电路根据需要可以表达为下图所示的形式：

其中R1表示喇叭音圈的直流电阻，这个电阻值一般在几个欧姆左右，我们通常拿万用表量到的电阻值就是这个电阻，它在喇叭系统中，消耗功放馈送过来的功率，一无是处；电感L2代表喇叭的音圈电感，大约在几个毫亨的数量级，在低频段它的影响通常忽略，高频段引起喇叭的阻抗快速上升，它常常是很多功放电路引起高频自激的罪魁祸首；电阻R2是指代由于纸盆驱动空气振动而消耗的功率，对于我们来说这是唯一有用的功率；ＬＣ谐振回路L1表示喇叭自身弹簧质点的谐振频率，对与低音喇叭来说这个频率大约是几十赫兹；R3表示自谐振系统的阻尼电阻，这个值越小，阻尼越大。

整个喇叭在频段范围的阻抗曲线一般都有如下图所示的形状：

从放大器的方面看过来，希望喇叭系统的阻抗值在整个频段范围内保持恒定，且最好表现为纯电阻性质，否则有些放大器就不能稳定工作。所以有一些电阻电容电感器件会加在喇叭和放大器之间以满足这个要求，其中知名度最高的大约就是那个茹贝尔电路了。

（１）    喇叭的阻抗

从上面的阻抗图中可以看得出，在低频段有一个阻抗峰，这个是喇叭本身的弹簧质点的谐振频率引起的，在这个峰之外阻抗表现基本平稳，到高频段由于音圈感抗的影响，阻抗值感性上升。

一般认为在低于喇叭的自谐振峰的频率上喇叭的发声效率很低，不具有实用价值，可以认为已到本喇叭的最低频率点，具体是神马原因我目前也不清楚。把喇叭放入倒相孔的音箱里，由于会产生亥姆霍兹共振，可以使得这个谐振峰的频率进一步降低，从而播放更低频的的低音。

（２）    喇叭的阻尼

喇叭的阻尼来自两个方面，第一个就是喇叭的振动系统自身的阻尼，他在喇叭制造好了以后也就确定了，阻尼小的喇叭Q值高，它是蓬蓬声的基础，阻尼过大的喇叭估计是蓬不起来的，但是相应速度会快，大约比较适合于听交响乐。

喇叭的另外一个阻尼来自于电阻尼，和直流电机的电阻制动的原理是完全一样的。这个与上面提及到的放大器的内阻是息息相关的。显然的，放大器的内阻大，喇叭获得的电阻尼就会比较小，相反放大器的内阻小，喇叭就会有比较大的电阻尼。我估计这应该是我们听一台电子管放大器和晶体管放大器声音表现不同的重要原因，这个我在上面也已经有说过了，当然也有放大器的失真，频响等其他原因。

当然阻尼需要匹配，太大太小都是不好的。另外阻尼的大小也与个人的偏好有关，如果真是如此，音质就与个人的主观因素有关，比如俺喜欢听的一种放大器与某一类喇叭箱配合放出的声音，认为它的音质很好，另外的人就有可能听着不舒服觉得音质不好。这样就说不清究竟是好还是不好了，既然是说不清楚那就不要说了。

本文完

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