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增益结构是什么?

06.09.2011..

在专业音响上, 人们关于增益结构都很常议论纷纷, 不过大多数的发烧友从来没有听过.了解一个增益结构不但可以帮助你从你的设置音频系统获得最清楚的信号而且让你避免一些特别讨厌的效果. 比如说,从一个吉他放大器来的杂讯和剪音都可能听起来很酷,但是从一个高保真系统来的杂讯和剪音完全不一样的.

但增益是什么?
增益在电子学上,通常为一个系统的讯号輸出与讯号輸入的比率. 总之, 增益使讯号放大. 当我们增加信号的电压水平的时候, 才获得增益. 电流增益也很重要,但我们将主要关于电压增益会讨论. 增益结构的"结构"由你们设置音频系统的不同电压水平和所有需要获得那些水平的增益组成.

增益的计量单位是什么?
一般都使用分貝(dB) 或者放大率的因数(次数,X 或倍)作为單位. 如一台放大器输入1伏特(Volt)和输出2伏特(Volt)的負載,提供的增益功率为 2X 或者 6 分貝(dB). 分貝(dB) 是一个对立线性的对数函数.分貝(dB)的指针常常出现在音量电平(VU meter)上和在声的测量仪器上. 如果你想更多关于分贝的信息, 请你看看在diyAudio 上的Jan Didden文章 (只有英文的译本).

一般家用音响系统的整个增益是多少?
 我们从一个极端的例子会开始解释一下(看1号流程图): 假设你们特别喜欢使用乙烯基和MM磁头. 你们扬声器的效率有一点低以及需要更多功率. 因此你们使用一台300瓦特 (watt) 的末级放大器. 为了使那个从戏匣子磁头来的轻微讯号出来以及使它从你们震耳鼓膜的放大器输出300瓦特(50 伏特)的负载, 你需要多少电压增益? 很多! 差不多13.000X 或 82分贝(dB)的增益功率, 有时候甚至更多分贝. 想像一个有那种的放大镜的显微镜. 你只要遮蔽形象, 才把所有的很小粒子和细菌看得清楚. 相似地想象一下你们的音响系统: 既然它的增益功率比较多, 一传输路径上就会获得很多杂讯. 更不用说MC 磁头了! 效果会更坏!

谁拥有单端输入三極管(SET)的放大器, 谁可以感到满意,因为它们只提供的整个增益功率为2.000X . 如果你们想那个低功率放大器连接到CD 播放机, 那只应该提供的整个增益功率为 4X. 既然低功率放大器的主人可能使用比较敏感的扬声器, 它们也可以有杂讯和剪音的问题.

增益"结构"什么时候开始行动?
取决于每个音响系统的部分提供多少增益功率(或者损失). 前级戏匣子的放大器的增益功率很多, 因为这台放大器要把从磁头来的轻微讯号增加了. 前级放大器将添加多一点, 这样末级放大器也会获得一量的增益功率. 为提供了良好的增益结构, 我们而应该使电压水平比较合理的.

如果我们将每个部分的增益功率加在一起, 那会获得系统的整个增益功率. 现在我们仔细检查你们的前级放大器或集成放大器, 看看那个"十一点钟"位置的大音量旋钮. 在另一个观点上, 你在看的东西就是增益功率的孪生兄弟: 衰减的现象. 音量旋钮(看2号流程图)的作用是衰减产生的讯号. 音量旋钮把讯号分成以及降低它的电压. 那个"十二点钟"位置的音量旋钮一般使讯号衰减20分贝. 总之,讯号輸出比讯号輸入被衰减了十分之一. 这样, 虽然讯号被衰减了, 但每个部分的增益功率并不改变了.

现在我们介绍一下那些结构的两个方面: 增益和衰减. 双方都非常重要的. 大多数的家用音响系统为了控制增益功率只有一个点沿着信号的传输路径, 就是说音量控制的旋钮. 这个旋钮只通过衰减的方式会控制增益的功率. 每个部分的增益功率并不改变了, 你们只使一个在某一个位置上的讯号衰减了. 那么提供的整个增益功率为13.000X 的"极端"系统都仍然会提供的整个增益功率为13.000X.  只是为衰减讯号,你而使用一个电压分配器(你们的音量旋钮). 在下游音量旋钮的部分会一如既往令每个讯号放大. 但现在这些部分将放大更轻微的讯号, 就是说你们刚刚通过那个音量旋钮的方式衰减了的讯号.

我们举一个实际的例子怎么样? 想像你很想跟一个特殊妇女欣赏一个晚上. 你已经倒了葡萄酒,点燃了蜡烛. 现在听一听那个有名 Barry White CD 的时间到了! "Mmmm,mmm 你是我的宝宝". 既然你是一个声精通, 就知道在你们的爱巢里, White 先生通过你们平均2瓦特的扬声器会表演他最性感的嗓音. 那为使 Barry 表现出最好的嗓音, 而你需要多少电压、增益功率和衰减的水平? 现在你不在乎!! 但是,嘿!! 回到现实吧!! 看看哪个表示电压和增益功率水平的3号流程图.

Barry 的声音被记录在一张CD上, 再说他的声音低于最高的水平16分贝(平均). 那个是一个标准的烧光盘水平. 如果你有标准的CD 或 DAC, 那从RCA端子来的输出就有平均0,32伏特的负载. 那些0,32伏特的负载以后被你们前级放大器放大了3X, 而被你们末级放大器 放大了30X. 简而言之, 29伏特的负载会从你们末级放大器出来, 即超过100瓦特!! 如你想创造一个友好的气氛, 这个肯定不是最好的状况. 那个特殊妇女会手忙脚乱走!

这就是音响系统有着音量控制的旋钮的理由: 为使电压水平比较合理的. 你们明确指出那个系统的增益功率太多了,以及使你们晚会的气氛不太适应. 但没关系,只要调低音量。现在Barry 在低声吟唱, 而不在高声呼喊. 在讯号的传输路径中,为不使声音太大,而把一个数量的讯号扔掉. 在这种情况下, 音量控制把讯号衰减了 7瓦特 (0.14X), 或者-17分贝dB. 如明天你想听一听AC/DC的摇滚乐, 只要调高音量,功率就会无法克制的. 直到这时,很好!

回到出发的音响系统,不得不说我们比我们需要提供更多的增益功率. 我们可能获得从15 到20分贝dB(10X)的增加. 这个可产生杂讯. 为什么? 因为每个产生的杂讯被音量控制放大了, 而不被衰减了. 音量控制把CD 播放机的讯号衰减了 17分贝dB. 所以在每个连续的线路上,这个讯号更接近杂讯17分贝. 每个从你们前级放大器、电缆、不好的端子和等等来的杂讯被末级放大器放大了30X. 我们把一个有320 mV(0,32 伏特)中等水平的信号衰减了到 44mV. 这样现在这个讯号更接近所有在线路上的背景杂讯.

一个太多的增益功率或一个坏的增益结构不仅造成杂讯和剪音,而且在实际上可以带来比较讨厌的效果. 我还记得有一个从80年代的 Pioneer, 即一台非常沉重和巨大的集成放大器. 它有一个很大变压器, 一些音量单位表 (VU meter), 几个剪音的指示灯和比较大的旋钮和断路器. 这个放大器可能提供輸出75伏特至8歐姆的负载. 你可以连接任何标准的源极,如CD, 收音机, 戏匣子, 带子等等..你只要碰音量旋钮, 就获得一个音乐的大爆炸. "唉呀, 这个东西真的有很多的功率, 你只要擦过音量旋钮!"它真的有吨的功率? 不是, 它只有太多增益功率.  音量旋钮还没到九点钟的位置, 放大器已经剪音了. 如此音量控制的使用范围是从七点钟的"乌有"到九点钟的"剪音". 这样你一定要非常敏感地调节音量. 那个是一个没有意思、 提供太多增益功率的设计. 即使这台放大器的所有其它方面挺好, 最重要元件 (音量旋钮)也是一个脖子疼.

为让我们来看一看事情做得怎么样, 而回到那个讯号的传输路径. 一般来说, 我们想使放大器和前置放大器的性能特别卓越. 这样声音的电压比杂讯高多了 , 所以信噪比或 S/N 也会更高. 这个是一个不错的方面. 但我们需要运行这个信号, 应该提供多高电压? 我们常常令最高讯号的高峰比最高水平3dB-6dB低的. 这样那个音响系统可以提供最好信噪比, 没有它造成剪音的可能性. 这全是很难确定, 除非你知道怎么设计,或你创造了或测量了一台放大器. 关于它们技术规格, 功率放大器可以给你们一些端倪, 但前级放大器和前置戏匣一般没给你们. 为音响系统令剪音, 输入而需要多少电压的负载? 这个问题的答案会让你们知道把增益结构放在什么地方.

说实在的, 为了使前级或末级的放大器得到最高水平, 输入讯号并没有确定电压的标准. 只有一些惯例. 在消费市场上,  为使那个音响系统开足马力,讯号而输入从0.77 到2 或 3伏特的负载. 在专业音响上, 那些电压水平甚至更高了. 所以一台前置放大器当得到0,7 伏特的输入讯号的时候, 可以产生最大的输出 (看 4 号流程图).  自从标准的CD播放机只输出2V伏特的负载, 那个就可以是一个问题. 然而前级放大器拥有一个控制音量的旋钮, 我们刚才说过的电压衰减器. 除了输入选择器以外,这个衰减器是最重要元件. 有时候音量旋钮之前会有一个缓冲器, 不过这个类型只在专业音响系统上是最常用的. 在讯号达到前置放大器的电路之前, 这个从CD播放机来的2伏特讯号可需要被衰减了, 要不然这个讯号会使电路超速传动. 那个讯号经过音量控制以后, 一台普通的放大器会把讯号放大了2 或 3X. 然后这个讯号会到达末级放大器.

末级放大器的运行跟前级放大器的差不多一样的. 它不提供增益功率的一定量 (30X是那个标准的)以及为使放大器达到最大功率 ,它的输入而需要电压的一定量. 多少电压呢? 又一次的, 我们不能知道. 你们把那个电压在放大器的规格上找得到, 或者你们可以知道因为这台放大器是你们设计了或测量了的. 这个一般是消费者的末级放大器和专业放大器之间的区别. 无论如何, 在这两种情况下, 在一些输入电压的水平上, 放大器将达到最大功率. 这些专业放大器在输入上拥有一个水平的调整, 而消费者的末级放大器一般没有. 这个水平的调整,最简单的放大器可不需要, 于是这种放大器给任何的输入讯号会提供最高的增益功率. 结果怎么样? 你们只要调低前级放大器的音量, 末级放大器的音量就不会太高了. 调低前级放大器的音量使传输路径的最初讯号衰减了. 这样所有连续电路的杂讯会被功率放大器完全放大了.

自从我们令前级放大器输入的讯号衰减了, 现在这个讯号的电压就接近在系统电流之间的杂讯。总之我们刚破坏信噪比( S/N )了!

一些良好的数位信号源,比如CD播放机, 数位类比转换器 (DAC)或一个有高品质的声卡都会提供90dB(或更高)的信噪比. 但是,这个比率超过杂讯的最大信号. 记录音乐的水平不是最高的. 再说在良好的烧光盘上, 音乐的平均水平可能低于高峰16、 18 或22分贝. 在系统上的背景杂讯不改变, 所以这个系统提供的真实信噪比功率 (信号与杂讯的比率)为 74分贝 (或更低).简言之, 从你们扬声器出来的杂讯比音乐的平均水平74分贝低了. 这个数据依然不错, 我们大多数人可能会从没有听得到. 但还有背景杂讯的问题..

请你们看看5号的流程图, 这里有两个系统. 上面我们看那个提供整个增益功率为90X的系统. 下面我们则看那个提供整个增益功率为20X的系统. 两个的系统输入一样的0.32伏特的負載, 两个的系统从扬声器输出2瓦特  (4 伏特)的負載. 但沿信号的传输路径, 我们看到两种相似的点有很大信号电压的差异. 那个提供整个增益功率为90X的系统需要令CD的输出衰减大量的負載, 要不然这个讯号会使扬声器和末级放大器超速传动. 那个提供整个增益功率为20X的系统则只需要令讯号衰减少量的負載, 因为它后来的增益功率比第一个系统低多了.

音量控制以后,假设我们拾取 1mV 的杂讯. 那个提供增益功率为90X的系统使信噪比衰减了33分贝. 不是一个有利的事情. 那个提供增益功率为20X的系统在同一地点使信噪比减了46分贝. 所以那个提供低增益功率的系统对杂讯会获得13分贝的优势.

如果你想从一个不如敏感点 (比如从末级放大器的输入)来的讯号拾取1mV 的杂讯, 那个提供增益功率为90X的系统就令一个42分贝的信噪比. 那个提供增益功率为20X的系统则令一个52分贝的信噪比, 就是说一个10分贝的差异. 为使上面的例子容易理解, 我们而简化事情. 事实上, 线路在沿信号的传输路径上会拾取杂讯. 然后这些杂讯被放大了不同的程度. 可是输出更高电压的负载对在沿信号的传输路径上的所有地方很有用.

事情可以变得更糟. 我们建议你们利用一个专业周边, 即Behringer(百灵达) ULTRA-DRIVE PRO DCX2496的数字分频器. 它以在专业世界上的有最高水平的信号奉献了. 为利用它最大的性能, 我们而需要7 伏特 均方根 (RMS) 的负载! 当然, 如果你利用不如高的水平还可以, 但别忘那些输入的最低水平更接近DCX背景的杂讯. 我们的CD播放器只输出2V RMS 的负载, 于是它不会开发这个分频器的最大性能.  我们前置放大器的情况可以不一样的. 既是它提供增益功率为3X, 你只要把它的音量调得最高, 它就会给DCX 6V 的负载. 这个既是一个让我们感到高兴又是一个令讯号不拾取杂讯干扰的足够理由. 但后来发生了什么?那个专业分频器也输出 6 伏特的负载. 那么太炎热的水平不得不令功率放大器剪音. 输入6伏特的负载、提供增益功率为30X的一台功率放大器会从它扬声器输出来180 伏特的负载. 这个情况不会发生,除非它是一台4千瓦的放大器. 再一次,过多增益功率。自从那个末级放大器输出 1伏特的最大量负载, 我们不得不令前置放大器的讯号衰减了. 所以我们要衰减它的输出到132mV, 就是说是我们看到那个提供增益功率为 90X的系统的一样情况. 如这台分频器乐观地提供一个很好的信噪比, 比如 95分贝, 那个讯号会有.2mVof 的杂讯加上. 这样从这台分频器乐来的信噪比只将是 56分贝. 那我们干什么?

为了解决这个增益结构的问题, 我们在6号的流程图上建议两个方法. 关于第一个方法, 为把6伏特的讯号衰减了可用的水平, 我们而把一个衰减器放在功率放大器的输入上. 关于第二个方法, 我们可以建设提供低增益功率的一台放大器. 最好使用两方法都. 另一个方法是找得到一台特定的分频器. 它的功能使它讯号的范围比那些CD播放机或前置放大器提供的讯号范围更接近了.

当然越你的音响系统变得复杂起来, 越你要担心增益结构.
如果你使用一台简单的系统 ,比如一个只由CD播放机和集成放大器组成的系统, 你们只要旋转Barry White的光盘以及调音量, 才回到你们做正事. 但如果你使用一台复杂的系统, 在你们注意到之前, 那 Barry 的声音可能会在杂讯中迷路了. 这个那将破坏你们的晚会。

 

 

 

Michael Mardis 是它的作家. 他对大扬声器、小放大器、伊戈尔·斯特拉文斯基的音乐、玻利尼西亚的流行音乐都很感兴趣. Michael 即是一个录像机投影机的工程师又是一个顾问.

 
Michael Mardis 作家
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