純干貨！完整揭秘耳機放大器（一）

-譯者序- 本文翻譯自德國LAPE PEOPLE的技術(shù)總監Fried Reim撰寫(xiě)的《The Headphone Amplifier Cookbook —— Why bother with a headphpne amp at all?》。此書(shū)意在用盡可能淺顯易懂的語(yǔ)言去解答發(fā)燒友關(guān)于耳機放大器的一些疑問(wèn)，比如耳機放大器存在的意義、耳機放大器好聲的重點(diǎn)，同時(shí)對于一些技術(shù)特點(diǎn)做一些解釋。是發(fā)燒友初識耳機放大器非常好的科普讀物。

　　-1- 為什么需要一臺耳機放大器?

　　耳機不僅僅是一個(gè)小型的揚聲器嗎?如果可以有的話(huà)，耳機不需要一臺小小的放大器嗎?

　　耳機放大器是一種處理音頻信號的設備，其目的是使音頻信號能匹配耳機不尋常的特殊之處。從表面上看，這沒(méi)什么大不了的。事實(shí)上，這也很容易做到。但是，就像幾乎所有的事情一樣，細節決定成敗。制造一個(gè)能適配任何耳機的放大器你就必須花費相當的一段時(shí)間。

　　耳機有很多變量。其中有兩個(gè)重要的特點(diǎn)：阻抗和靈敏度。

　　通常，我們可以說(shuō)阻抗高的耳機比阻抗低的耳機靈敏度低，而阻抗低的耳機一般靈敏度比較高。情況不總是如此，但大多數情況下是這樣的。

　　高阻抗耳機比低阻抗耳機靈敏度低。

　　既定耳機的靈敏度通?？梢杂胐B(聲壓)/mW來(lái)表示。讓我們來(lái)看看兩個(gè)型號。AKG K1000的靈敏度為74dB/mW，而Sennheiser HD25的靈敏度為108dB/mW。要獲得相同的聲壓，相較于HD25，我們需要要花超過(guò)2500倍的功率在K1000上。

　　為什么可變放大系數很有用 預增益(PRE-GAIN)配置于 LAKE PEOPLE 和 Violectric上

　　因為耳機貼近耳朵工作，實(shí)質(zhì)上它們的靈敏度比喇叭高得多。一些入耳式耳塞具有極高的靈敏度。這會(huì )讓聽(tīng)眾注意到放大器惱人的底噪。

　　物理定律意味著(zhù)一定會(huì )有底噪。它的音量取決于放大器的基礎增益(及其輸出級)?？紤]到電路穩定性，增益不能設置太低。這就是為什么基礎增益通常在10-20dB左右，即增益系數在3-10之間。

　　靈敏度高的耳機不需要很大的增益，而高阻抗的耳機與之相反。

　　一方面為了獲得最低級數的噪聲，另一方面又要有盡可能大的增益，最好在輸出級之前配備可變的增益。我們稱(chēng)之為預增益(PRE-GAIN)。

　　預增益一方面使噪聲達到最低水平，另一方面使增益達到可能的最高水平。

　　在我們的產(chǎn)品上，通常我們提供5級(預增益)：-12、-6、0、+6、+12dB。

　　讓我們看兩個(gè)(極端的)例子。通常情況下，音量設置為最大時(shí)耳機放大器的增益為8dB (x2.5)。

　　例1： (前端)放大設備提供了一個(gè)4V的電壓。但是某耳機只需要2V就能有100dB的聲壓。在8dB的增益時(shí)的最大音量，耳機放大器將提供10V電壓。所以你必須非常小心地調整音量控制，避免損害自己的聽(tīng)力。另外，必須避免輸入端有噪聲，因為它也會(huì )被(同等)放大。

　　使用預增益(PRE-GAIN)，輸入電平減少了12dB(1/4)。一個(gè)4伏的輸入信號被轉換成一個(gè)1V的信號。這個(gè)信號的電壓再被放大2.5倍而變?yōu)?.5V?，F在你可以放心把音量調大。

　　例2： (前端)放大設備提供了一個(gè)1V的電壓，某耳機則需要10V的才能有100dB的聲壓。如果音量最大時(shí)，8dB的增益，耳機放大器只能提供2.5V的電壓。而這遠低于耳機的需求。

　　我們可以使用預增益(PRE-GAIN)把輸入電平增加12dB(x4)。1V就變成了4V。然后在放大2.5倍變成10V。這正是耳機所需要的電平。

　　為什么內部高電壓是重要的

　　耳機不需要很大的功率。但是P=U²/R意味著(zhù)，在既定的電阻下，功率與電壓的平方成正比。故而，耳機的阻抗越大，所需電壓也就越大。

　　對于達到最大的音量，這只有部分關(guān)系。音樂(lè )瞬息萬(wàn)變，這對于傳輸信號的技術(shù)提出了實(shí)質(zhì)性的要求。

　　一個(gè)快速的脈沖可以將最大工作電壓為+/-15V的常規放大器壓迫到它的極限。LAKE PEOPLE與Violectric的產(chǎn)品內部電壓通常有+/-30V。這會(huì )讓你更淡定、給與你更多的控制余量，在沒(méi)有失真的情況下給予耳機線(xiàn)性的驅動(dòng)力。那將延長(cháng)昂貴設備的使用壽命。

　　為什么高阻尼系數很重要

　　在創(chuàng )造一個(gè)力以后，每個(gè)電力系統都會(huì )產(chǎn)生一個(gè)反作用力(反電動(dòng)勢)。當放大器驅使耳機的音圈做位移，其后音圈回到初始位置時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生一定量的電壓。必須盡量抑制這類(lèi)電壓。那放大器的輸出阻抗就要盡可能低。因為這可以吸收盡量多的電流。

　　阻尼系數描述了放大器的輸出阻抗(=輸出電阻)與既定負載之間的關(guān)系。

　　假設負載(耳機音圈阻抗)為50歐姆。當放大器在輸出阻抗小于0.1歐姆時(shí)，阻尼系數則將超過(guò)500。

　　但是放大器的輸出阻抗和耳機的阻抗對于頻響曲線(xiàn)的線(xiàn)性不利：扭曲。隨著(zhù)放大器輸出阻抗的上升和耳機阻抗的下降，這種效應會(huì )越發(fā)明顯。

　　因為阻尼系數不同，耳機在不同放大器上的聽(tīng)感也可能會(huì )有差異。

　　這就解釋了為什么有些人“更喜歡”將耳機接到某臺特定的放大器，而不是隨便其他什么放大器。

　　為什么要使用繼電器來(lái)開(kāi)機/關(guān)機?

　　每個(gè)放大器在開(kāi)機或關(guān)機時(shí)都會(huì )產(chǎn)生噪音或干擾。這可能會(huì )損壞任何連接著(zhù)的耳機。

　　我們可以使用一個(gè)連接著(zhù)外加的電子元器件的繼電器，使得耳機和放大器之間的聯(lián)系有一個(gè)延遲，并在關(guān)機時(shí)即時(shí)切斷。

　　一旦預期有非正常的運行狀況，這項(措施)就可以保護耳機。

　　為什么限制頻響范圍是有益的?

　　聲音(信號)是交流電。年輕人可以聽(tīng)到從20Hz到20000Hz的聲音。隨著(zhù)我們年齡的增加，對高頻就越發(fā)不敏感。

　　為了更好地再現這段頻率，放大器的頻率響應應該盡量寬、盡量線(xiàn)性。下限由直流電壓(0hz)決定。顯然，不可能更低。上限可以設定為(幾乎)任何期望的值。但這也使得設備對電磁干擾非常敏感。

　　雖然你不能直接聽(tīng)到它們，但它們與可聞的頻率混合后就能夠被聽(tīng)到。因此，不限制頻響范圍實(shí)際上是相當不負責任的行為，而不是一種令人嘆服的工程能力的標志。

　　為什么一個(gè)優(yōu)質(zhì)的音量控制很重要?

　　音量控制是一種機械制動(dòng)器。這類(lèi)產(chǎn)品涵蓋了全球市場(chǎng)上的各個(gè)價(jià)位段。如今，它們經(jīng)常被電子元件取代。然而，這種電路往往在動(dòng)態(tài)、噪聲和失真等方面有缺點(diǎn)。

　　對于高品質(zhì)的應用，由半導體制成的電阻元件、質(zhì)量好的“多插頭”回路和物理隔離每個(gè)部分是理想的方式。為了保證多年無(wú)故障使用，您需要高品質(zhì)的組件。

　　然而真正優(yōu)質(zhì)的電位器市場(chǎng)很小，所以像Noble和松下等廠(chǎng)商已經(jīng)停產(chǎn)這類(lèi)產(chǎn)品。這就是為何Alps的RK27是最好的選擇之一。

　　更多關(guān)于音量控制的闡述請看第(二)部分

　　為什么平衡信號更好

　　與單端信號相比，平衡信號使用兩根導線(xiàn)(外加接地)。在“發(fā)送”端將原始信號反相(相位移動(dòng)180°)，一個(gè)對稱(chēng)的信號被創(chuàng )造出來(lái)。一根導線(xiàn)發(fā)送信號(a)，另一根導線(xiàn)發(fā)送信號(-a)。在“接受”端設備中，信號被送入差分放大器。這就能得到(a)-(-a)=2a的差值。

　　在兩個(gè)設備之間的路徑上可能會(huì )引入噪聲。噪聲是同相的，也會(huì )到達差分放大器。這就產(chǎn)生了兩個(gè)噪聲元素(s)-(s)=0的差值。理想情況下，這將消除沿信號路徑引入的任何噪聲。

　　更多有關(guān)平衡信號的闡述請看第(三)部分

　　為什么具有平衡驅動(dòng)(SYMMETRICAL OUTPUTS)的放大器更好

　　普通(單端)耳機有3根導線(xiàn)，可以插入3-pin的耳機插孔。當左右聲道的信號沿著(zhù)專(zhuān)門(mén)的導線(xiàn)從放大器傳遞到耳機時(shí)，從耳機返回放大器的回路只用一條導線(xiàn)。因此，左右聲道殘余的能量沿著(zhù)這條公用導線(xiàn)從耳機回到放大器的耳機插孔，以及接地段。放大器內的每個(gè)元件，導線(xiàn)、插座和接地線(xiàn)在電壓降低時(shí)都具有特定的電阻。這會(huì )“污染”帶有L+R-殘余單聲道信號的接地(它應該是完全中性的，因為它是參考點(diǎn))。其結果是串擾，作為聲道之間的互調失真，它測量得到，也聽(tīng)得到。

　　平衡驅動(dòng)需要有4根線(xiàn)從放大器到耳機。每個(gè)耳機音圈被2個(gè)放大器以180°相位差“推-拉”驅動(dòng)。當一個(gè)“推”時(shí)，另一個(gè)人“拉”。這意味著(zhù)不僅輸出電壓翻倍，音量明顯更大，而且接地不受任何串擾干擾。

　　更多有關(guān)平衡驅動(dòng)的參數請看第(三)部分