今天就搞懂擴大機原理－－揚聲器最強大的後盾（四）

上次介紹了前級VS後級VS綜擴，已經忘記的朋友可以回去複習一下：今天就搞懂擴大機原理－－揚聲器最強大的後盾（三）；今天的主題是擴大機A、B、AB、D分類原理解析，根據不同的放大工作原理來分類，此次將介紹常見的後級擴大機類別，依序為ClassA類、ClassB類、ClassAB類及ClassD類。

在介紹各類型後級擴大機之前，先簡單說明理想放大元件的特性，如果放大倍數為10倍，輸入1會得到10、輸入2會得到20，不管輸入訊號多少，輸出訊號都會是輸入訊號的固定倍數(如圖a)。不過圖a是理想化狀態，實上電晶體的放大特性曲線只有在中間區塊會呈現線性，其餘區塊則不然。若是輸入的訊號未能落入最佳線性區，而是分佈在其他區塊，就會造成訊號失真。

(如圖b)。此外，一個電晶體一次只能處理正半波或者負半波的訊號，若需要一次處理完整的聲音訊號，則需要兩個電晶體、或者施予直流偏壓，讓所有訊號的電壓值大於零(例如A類擴大機)。接下來將依照擴大機不同的工作原理分成A類、B類、AB類與D類，依序說明。 

Class A類

Class A類訊號可分為直流訊號以及交流訊號。所謂的交流訊號，是指訊號會隨著時間不同而變化，反之，直流訊號不會隨著時間不同而改變，維持固定的電壓或電流值(如圖c)。擴大機所接收的音頻訊號，都是由正到負、再由負到正不斷循環的交流訊號(如圖d)。A類擴大機只使用單一電晶體放大完整的音頻訊號，由於一個電晶體一次只能放大正半波或負半波的訊號，為了使音頻訊號落入正訊號的範圍內以及最佳線性區，會在輸入訊號加入一直流偏壓，以達線性放大的目標，這個直流偏壓稱為工作點(Operating Point)。舉例來說：若電晶體的最佳線性區間是1V-3V，那麼，當輸入一大小為正負1V的交流訊號時，可加入2V的直流偏壓，使其訊號完全落在最佳線性區以及正訊號的範圍內(如圖e)，以達到使用單一電晶體完成線性放大的目標，此類的放大方式即稱為A類放大。 

但是當輸入的音頻訊號為0V時，由於一直施予2V直流偏壓的緣故，放大器持續地接收到2V的輸入訊號，所以還是必須對其持續進行放大的動作，如此一來便產生無用的功率損耗。因此，理論上A類放大擁有極佳的線性放大特性，不過，實際上電能利用率低於25%(一般僅為10%-20%)。例如供應100W電力，最後真正輸出到揚聲器最多也只有25W左右，其餘的75W通通消耗掉，因為轉換效率差、高耗能並同時產生高廢熱。而熱又是所有電子元件的大敵，當溫度上升後，所有的特性又會改變，因此原先預期的諸多優點，又會有相當程度的抵減。所以印象中的A類擴大機都很大台、很重、很燙，通常需要配裝大型的散熱片來輔助散熱。 

Class B類

為了解決A類放大器效率過低的問題，於是出現了B類放大器，利用兩個電晶體各自處理正半波與負半波的訊號。其一負責輸出正電壓，另一則是輸出負電壓(如圖f)。把正半週的訊號交由正電壓的元件來放大，而負半週的訊號就由負電壓的元件放大。當正半週的元件在工作時，負半週的元件就處在關閉的狀態;反之當負半週的元件在工作時，正半週的元件就關閉中。 

以B類放大而言，因為電晶體有導通電壓的特性，意思是指輸入訊號必須高於導通電壓，電晶體才能正常工作，所以當輸入訊號小於電晶體的導通電壓時，加上又沒有像A類放大線路一樣施予直流偏壓的情形之下，此時電晶體是沒有輸出的，這也就產生大家常聽到的「交越失真」或「交叉失真」(如圖g)。除了交越失真之外，另一個容易出現的問題是，正負兩個放大元件對稱性的問題。由於無法找到完美對稱的放大元件，也造成了其他形式的失真。不過B類放大正因為沒有直流偏壓，所以當輸入訊號為0時，便沒有輸出。因此B類的能量利用率會比A類高出許多，所以B類放大器是許多省電型裝置的最愛。 

Class AB類

Class AB類既然A類線性佳、效率差、耗費能量;B類效率高、線性較差，於是有人便提出折衷方案：利用B類放大為主架構，並在其中加入A類放大適量的直流偏壓，來避免因電晶體「導通電壓」的特性，造成B類放大中，最為人所詬病的「交越失真」。 

在架構上既有B類放大的特性，又加入了A類直流偏壓的觀念，因而稱為「AB類放大」。雖然解決了「交越失真」，但是正負兩個放大器是否對稱性的問題，造成許多玩家出現「AB類放大失真度大於A類的刻板觀念」，其實這方面的問題，可利用「負回授技術」獲得改善。不過，也因為加入了適量的偏壓，使得靜態消耗功率上不如B類放大來得省電，但相較於A類放大還是有明顯的改善，因此市面上大部分的消費型音響，多採用AB類進行放大。 

Class D類

進入21世紀後，各種攜帶式的電子設備成為一個趨勢，從作為通訊工 具的手機、到娛樂設備的MP3播放器等等，已成為不可或缺的用品。這 些攜帶式的設備擁有兩個共通點：都具有音頻輸出的功能，因此需要一個 音頻放大器，並且都依靠電池供電。在這樣的需求下，D類放大器應運而 生。D類最大的特點就是能夠在保持最低的失真情況下得到最高的效率。 A類、B類、AB類的放大原理都是將波形直接放大，利用電晶體的 「線性放大」特性。D類放大的原理則是使用脈寬調變技術(PWM， Pulse Width Modulation)，利用電晶體的「開關」特性，對電源實行高 頻的開關控制，然後再加上低通濾波器，得到想要的放大訊號。 舉例來說，常見的投影機可以看到光與暗，並不是同時具有好幾顆燈 泡來做切換亮度，而是利用開關燈泡的時間差來產生光與暗的差別，擴 大機的原理也是一樣的(如圖h)。紅色曲線為聲音原本的訊號，先藉由 產生固定頻率的藍色鋸齒波來取樣紅色曲線的波形，產生出不同寬度的 綠色方塊狀的曲線(稱為Pulse脈衝)，藉由這些寬度不一的脈衝來決定 電子元件開啟的時間長短，進而複製並放大原始訊號的波形。 另外，根據測試得知，D類放大器的效率極高可大於80%以上。除此 之外，令人注目的是，在固定的輸出功率上，D類設計比一般傳統B類重 量更輕、工作溫度更低。  

小小知識家：什麼是負回授？

為了減少失真並使放大器穩定運作，會將放大器的輸出信號按一定 比例送回輸入端，放大器可依送回來的輸出訊號做調整，達到改善失 真的目的，此過程即為負回授(Negative Feedback)。通過負回授， 放大器的性能，例如增益的穩定性、線性、頻率響應等可以得到改 善。此外，製造過程以及使用環境所造成的器件參數偏差對放大器性 能的影響，可以通過引入負回授緩解。由於以上優點，負回授放大器 在許多放大電路以及控制系統中有著廣泛的應用。但必須注意的是， 不是只有B類、AB類放大才使用負回授，A類、D類放大中為求降低 失真，也可發現負回授的應用。但不當使用，也常是音響設備的音樂 性劣化主因。  

該如何挑選擴大機？

看完這麼多篇之後，相信大家對擴大機都有了基本的認識，不過單就放大原理並不能代表擴大機的音質與品質。擴大機聲音的好壞，還是只能用「聽」的，但是「聆聽」本身又很主觀，而且受到其他器材及環境的影響很大，建議可根據聲音好壞、規格特性、元件等級、內裝電路工整、外型美觀精緻、自己喜愛的廠牌或預算等綜合性條件來挑選擴大機。