通往 Class-D Amp 之路

自從數年前,  那部用了十多年、兼整天長開的NAD 216 THX PowerAmp (這是一部大功率、十分重的巨無霸) 終於被我折磨到魂歸天國後,  開始有機會試用各式小型、小功率的擴音機.

試過了單端甲類的Tube Amp,  雖是平價產品,  對膽機的音樂性很欣賞,  但也很有不少限制.  單端甲類最有膽味,  但功率太細,  效率太差.

膽味來自高量的二次諧波失真.  電子高速撞向陽極時,  一部分反彈,  然後再次被陽極吸收,  產生大量二次諧波.  在樂理上,  二次諧波就是高一個八度音,  即是一個和音,  所以會覺得豐富和諧.  作儀器用途就不能接受諧波失真,  四極管、五極管的設計就是減少這種反彈,  所以膽機發燒友堅持要用古老的三極管設計.  單端 (就一定是甲類 Class-A) 的諧波又較大,  Push-Pull (推挽輸出,  通常是 Class-B or Class-AB,  雖然也可以 Class-A) 架構會減少諧波失真,  故膽味又較少.

甲類放大沒有交越失真 (crossover distortion),  對音樂細節重現很有好處,  這是乙類放大沒法做到的.  但甲類效率太差,  只得20%左右,  10w x 2 便耗電發熱100w,  很難做大功率.  膽已較好,  半導體一發熱很易燒,  散熱問題很麻煩,  膽反而要熱才工作,  但在夏天用膽機,  要開大冷氣,  仍極不環保.

最後一個限制是頻寛,  膽機要有輸出火牛,  對高低頻的響應有限制,  要很昂貴的輸出火牛才能有滿意的效果.

跟著便玩 Chip Amp,  即是現代的 Power-IC 功放 (已達到很好效果 -- 特別是 Gainclone 模式).  順帶一提,  那部膽機平價賣了給朋友,  朋友本來也玩得很開心,  還從e-Bay入了美國膽、俄國膽來玩,  據說又改良了不少,  但有一天機內一粒電容燒了,  可能把輸出火牛的一部分線圈也短路了,  換了電容仍有不正常,  便作罷了.   本來我以為膽機除了要換膽外,  是可以直到永遠的.  朋友結果也走向 Class-D 之路.

Chip Amp 要發揮得好,  也麻煩.  淘寶上大量 Chip Amp 成品供應,  都是跟官方試測線路,  或再畫蛇添足,  都不會真正好聲.

首先,  Chip Amp 是 Op-Amp 架構.  Op-Amp 架構的東西,  必定有大量 (和跨級的) 負回輸,  這會令瞬態響應 (transient response) 變得很差,  這是為何不少人堅持要用分立元件 (discrete component) 做 Amp.

同時,  官方線路上,  在負回輸接地中串了一粒電容,  作用是令直流有100%負回輸,  從而令輸出一定不會有直流電壓,  所以官方也不用輸入電容,  簡單地達致直入直出的接法.  可是,  現時世上未有一種電容適合放在這個地方.  這個數值要有 40uF 以上才有足夠低頻,  只能用電解質電容,  但兩端電壓接近零,  並不是電解質電容的物理設計所需要的環境,  所以不會好聲,  會有很怪的頻率響應.  很好笑, 淘寶的出品,  既照用這電容,  也加上輸入電容,  多了舊魚.

Chip Amp 所以可以成為一個現象,  在外國音響界有聲名 (因而淘寶大量販賣), 全因十多年一個日本音響設計家用了幾個獨特的手法把 Power-IC 的能力發揮出來,  零件很少,  賣很貴,  很受好評,  這部就是 Gaincard,  DIYer 立即仿製,  就是 Gainclone.

日本仔第一招是把負回輸電阻直接焊在 IC 腳上,  把負回輸的物理路徑盡量縮短,  令負回輸對瞬態響應的不良影響減少.  這是非常精巧的手工藝,  無法低成本大量製造.

日本仔第二招是去除官方的負回輸電容,  去除了這個無法選擇的電容的壞影響,  為了控制輸出端的直流,  採用了輸入電容,  和在正輸入腳加上接地電阻.  這個接法也可以把輸出直流電壓控制在低水平 (0.05v 水平),  雖然沒有官方接法那麼低.  至於輸入電容,  我們有大量很 hi-fi 的選擇.

日本仔第三招是對供電的獨特設計.  把濾波電容焊在極之貼近 IC 腳的位置 (雖然不致於直接焊在腳上),  同時否定一般對"大水塘"的愛好,  而採用一個經計算剛剛好的數值,  但電源火牛卻採用特大的容量.

要完全跟足 Gaincard 來 DIY,  精神、時間、成本、體積和重量,  也不會少.  我自己做的實驗,  主要是在負回輸線路的照跟,  在電源上沒有跟,  也獲得不俗效果.  親自體驗,  Chip Amp 可以在瞬態反應和頻率響應上,  做到很好的效果,  輸出很夠力,  音樂性也很高,  它和單端膽機比各有優點,  但一定要自己動手,  從淘寶買了成品,  也一定要自己改良,  才可以.

由於精神體力不足,  我也沒有心機再做足料的散熱和機箱設計,  所以也未做出可以長時間使用 (而不過熱) 的大功率 Gainclone,  燒幾聲炮倒沒問題,  很夠力.  Chip Amp 也始終是 Class-AB,  有著根本缺點:  交越失真和效率不佳 (50%左右),  所以動機不足,  也不想再用些很大體積和浪費冷氣的玩具了.  而在這時,  發現了新玩具.

Class-D Amp  其實不是新發明,  早在70年代就有,  不過未能開發出普及產品,  應該是元件性能的問題.  有人說 "數碼擴音機" (digital amp) 是不正確,  只是"開關擴音機" (switching amp) 而已,  原理和 switching power supply 也有點類似,  所以也有同樣極高效率的優點.

本來是用 Pulse Width Modulation (PWM) 方式,  早些年,  Tripath 公司改良發明了 Pulse Density Modulation (PDM) 方式,  並做出 IC 產品,  可是並沒有引起足夠注意,  公司破產被收購了.  有趣是,  今次反過來是一間大陸公司發現了這批破產貨,  做了一款玩具外表、玩具價錢的東西,  被外國人發現,  試音之下,  驚為天機........ 從此 Class-D 又成為一個現象,  並因此普稱為 T-Amp.  (大家 Google t-amp 便看到所有的歷史、測試、討論).

可能因為元件制造技術的進步,  現時已經可以用很低成本造出很穩定的很高頻的(大功率的)脈沖元件,  足以把音頻 over-sample 很多很多倍,  所以可以用這種技術做出音響質素的產品,  這是以前大家未想像過的.  (而且這個原理符合佛理哩,  呵呵!)

其實現時各大音頻 IC 廠都在開發 Class-D IC,  不少 Hi-Fi  廠都在開發大功率、昂貴的 Class-D 產品.  我相信在不久將來,  低端到電視內置喇叭,  高端到音響展的展示神器,  都是 Class-D.

為何 Class-D Amp 會好聲 ?   (小弟胡思亂想的愚見,  不是官方的.)

首先,  Class-D 是沒有交越失真 (cross-over distortion) 的.  所以和 Class-A 一樣對音樂細節重現十分出色,  卻比 Class-A 效率高很多倍.

再者,  Class-D 沒有負回輸,  因此沒有負回輸引起的瞬態互調失真 (TID),  所以能乾淨利落地、清晰地重現音源,  並且很有爆發力.

Class-D 的高效率 (達 90% 以上)、低耗電、低發熱,  除了符合環保原則外,  對音質也有好處.  例如減少熱噪聲、元件工作較穩定,  並且對電源設計帶來便利.

現時公認最大缺點,  是平價的功率太小,  過載時又很難聽,  而大功率 (超過100w x2) 的又十分貴.  相信隨著時間,  會改變.  最初,  只得 10w x2,  最近,  50w x2  一千元有找,  80w x2 千多元買到.  我相信,  100w x2 平民化不是夢.  而且,  會越來越靚聲.

而小弟以後都是買 Class-D 了.

( 由於本文太長,  日後再從哲學上解釋,  Class-D 為何符合佛理.  :P )