HiFi 基礎談 七:負回輸 Negative Feedback

HiFi 基礎談 七:負回輸 Negative Feedback
二月 15 16:11 2017

上期談過了相位(Phase)的基本認識,相信各位對相位問題在電聲學上之重要性有了印象。相位問題,在擴音器電路上已經被控制。從前的真空管擴大器和早期的半導體擴大器,在設計上都以降低失真為大前題。事因,40-50年代,人們還不十分清楚瞬變及時間延遲對重播音色影響有多大。他們只知道在示波器上看到互調失真及諧波失真的波形。他們也知道,利用負回輸可以將互調失真大大地降低,而同時保留寬闊頻率響應範圍的優點。

直至 70 年代中葉,北歐一位電聲舉家 Otala 立論指出負回輸的缺點;它誘發瞬態相位失真。

Hi Fi 歷史,由第一部威廉遜綫路(Williamson)擴大器開始,那是 1947 年。威廉遜擴大器是首次有效地運用負回輸(NFB)的設計,威廉遜真空管機,音色之優異,遠遠超過了當時任何製作,兼且成為日後一切真空管擴音器比較之藍本。NFB 綫路亦成為控制失真的最有效方法。

真空管的重要性逐漸給半導體取代之後,輸出變壓器被淘汰了,那是一連串重要改革的開始。輸出電容器的廢除,使 Hi Fi 迷更接近於真實。最後,是純直流綫路和全段直接交連的全對稱結構成為 80 年擴大器的基礎。

可以說,三十年來高度傳真擴大器的發展,無論走到那一個方向,都必需倚靠適當的 NFB 運用來控制失真。

剖析 NFB 的功能

但是,由威廉遜綫路起,電聲界一直知道 NFB 絕對不能百份之百地消滅輸出點上的一切失真。

NFB 技術,是在 1928 年由貝爾研究院(Bell Lab)的柏立基(H. S. Black)所發明。值得一提的,就是 1980 年山水所“創始"的「前饋」技術(Feedforward)之基本理論,也是同一工程師在更早時(1919)所創議。

NFB,全名 Negative Feedback,是在綫路上負方向回饋。柏立基倡議的前饋技術,也是在負方向施行,故此可以譯為「負前輸」,但山水改良的前饋技術,是正負兼施,所以不便用「負前輸」一詞。

讓我們先了解一下「負回授」或「負回輸」,或「負回饋」,即 NFB 技術的概念。已知:一個「正相波」和一個「負相波」合併,即產生兩個波的差值。

參看圖(1)

由輸出端抽取部份訊號 b,以反相方式回饋至輸入點,綫路的增益率相應降低,失真率也降低了同量的百份比。頻率響應拓寬了 1+A b,此外,出入兩端的阻抗特性和輸出端的訊噪比等等均有所改善。

NFB 亦有諸多缺憾

Otala一派認為,NFB 優點很多,它降低失真的效能不容忽視,但 NFB 在應用上卻又附帶了一些不能克服的缺憾。

1)NFB 抽取輸出點的失真回饋至輸入點,理論上,除非 NFB 量增加至無限大,否則輸出點無法獲得 0 失真。而無限大 NFB 需要無限大增益的擴大器,實際上不可能做到。

2)將輸出回饋至輸入端,容易影響擴大器的穩定度和產生振盪(Oscillation)。

3)為了避免振盪,高頻 NFB 必須酌減,因此削弱了降低高頻失真的效能。

4)過量使用 NFB,勢必增加瞬態互調失真(TIM),擴大器的音響質素會受影響。

而 TIM 這東西,就隨着 Otala 理論之興起,逐漸成為發燒友的口頭蟬。自此以後,專家們開始千方百計避免使用負回輸。無回輸技術便應運而生,與從前把負回輸當為靈丹妙藥的形勢,恰好形成強烈對比。

其實,一般所謂無回輸綫路,仍不能完全不用負回輸。它們只是不採用時間延遲因素巨大的總負回輸(Overall NFB),而保留適量的局部回輸(Local FB)。

老爺膽機靚聲乃迷信

辣鷄友認為,既知電流在電路上以每秒鐘圍繞地球七周半的速度飛行,那在綫路上走多一圈的負回輸又怎樣會被聽得出有相位瞬變失真哉。

此乃想當然的推斷。事實上,電流在電路上運行的速度,並非如人們想像中等於電波在空中運行的速度。電路上的導體、半導體、電容、電阻……都是把電波速度拖慢的東西。由此而推論之,電波在電路上的不同部份都有其不同的運行速度。此外,無論電波在 NFB 綫路上能走得多快,它在回歸至輸入點上也一定沒有理由會追得上它原先存留在電路上的另一部份,從而做到應做的抵消失真功能。

Threshold 無回輸擴音器的設計者 Nelson Pass 把 NFB 形容為「追自己尾巴咬的小狗」,中文不妨譯為「噬嚌莫及」。

但,奇怪的是,NFB 所產生的失真,影響半導體機大,影響真空管機小。真空管大師 Futterman 在死前曾經被一羣半導體大師包括 Otala、Pass,Demian Martin、John Curl 等圍攻之。可能 Futterman 被那班後生仔激到心臟病,但眾人皆同意 Futterman 可以在他的真空管綫路上用多至 20dB 的 NFB 而「不覺得」有甚麼不妥。

好多人以為真空管機音色必靚過原子粒的定論,其實這是迷信,「中古品」燈膽機那有靚聲過先進原子粒機之理哉。

(原文刊於 1986 年 11 月號《Hi Fi Review》,作者 雷明先生)

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Hi Fi音響 (Hi Fi Review) 於 1986 年 4 月創刊,以月刊形式發行,至今逾 30 載。

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