科學角度看音響8： 負回授與數位音源原理

喂喂喂！水電工講音響怎麼講到金大師的小說去了？其實水電工是有說不出的苦啊！多數人在沒有比較基準的情況下，都是「如油貫耳」，根本聽不出聲音的失真，而若是有比較基準做交叉測試，大多能聽出失真的情況；但若是比較的樣本有很多個，那麼就更有基準去判斷那個聲音才是個人最喜歡的最耐聽的。

前情提要：

科學角度看音響1：先了解聲音，再認識音樂，最後挑音響

科學角度看音響2 ：頻譜到傅立葉轉換，再看失真4大主因

科學角度看音響3：真空管與電晶體之爭，談音響主動元件特性

科學角度看音響4：元件與失真關係式，泛談4類放大器原理

科學角度看音響5：真空管、電晶體實作差異性，電壓、電流、電阻關係式

科學角度看音響6：各類線路變體設計及原理，魔鬼藏在細節裡

科學角度看音響7：諧波變噪音、差動放大器模型詳解

展場美聲回家成悲劇

水電工之前提過很多的展場策略，是讓聲音在人耳比較敏感的頻段中加大能量或超前相位角，在展場中很突出，聽個10分鐘也還好覺得很提神醒腦，但是一回到家聽半小時就後悔了，這就是最麻煩的如油貫耳，而對於小訊號處理的回授控制也有一樣的情況。

上期中我們談到了回授控制，一般而言，負回授控制會把輸出訊號再縮小後導回至輸入端，所以整體表現會成為時間函數，也就是它的失真表現會與訊號跑完整個回授線路所需的反應時間成反比，訊號可以愈快輸出的表現就愈好，而愈慢的表現就愈差。

許多廠商就捉著這點猛打，說只要看到負回授就代表聲音會是糊的，失真一定比較高，但是上儀器量測試，就能發現並非這麼一回事。為了替自己辯護，大多會大喊測量不公。測量不公的情況的確可能有，因為量測人員懂不懂音響，能不能量到重點的確是有差別，好比如果老是在測量單一頻率1KHz在-60db的SNR就真的不用測了，做得再爛的機器都有-120db。

負回授的元件依然能好聽

事實上負回授造成的問題真的不大，會有問題的其實還都是在元件線性問題上，而在老式元件上則要多考慮一個latency（時間延遲）的問題，在這兩者都沒有問題的情況下，使用負回授的元件仍然可以做出非常好的聲音。不但高音清晰細緻，而且音場寬廣。還記得水電工以前的文章嗎？真的空間訊號都是藏在中高頻段。

人耳對於大小聲不太敏感，但是對於相位差和頻率加總後的差異卻是異常敏感，就水電工的經驗來說，聲音溫暖清晰，空間感寬敞而有包圍感都是元件測量結果良好的必要特性。

負回授的2大優點

在前幾期討論中，水電工拿出了非常多的圖讓大家看到，其實大多數的電子元件表現並非很線性，而我們在評估線性程度時，主要使用的有2種技巧。第一種就是量測THD或SNR，第二種就是直接做出轉換曲線，2種方式都極具參考價值。

在所有教科書上都會說負回授有二大優點，第一，就是增加線性減少失真。第二，就是增加頻率響應。

頻率響應也就是指訊號通過元件後可以看到的放大倍率，會和訊號的頻率相關，絕大部分放大元件都會有頻率愈高，放大倍率愈低的結果。從物理特性來說，頻率變化也是要消耗能量的。當我們把電壓一下子拉高又拉低，在物理學上看來就是代表有作功，所以拉的速度愈快，就會有愈多的能量消耗在拉升的動作上，這就好比我們在轉動轉輪時，要讓它轉得快快我們就得愈出力。

因此在元件無法承受無限的功率需求的情況下，頻率愈高的訊號通過同樣的元件就會得到愈差的放大倍率，直到某個頻率之後訊號就根本無法被複製到輸出端去了。元件的放大倍率和訊號頻率有個固定的乘積值，這也代表了這個元件最大能從電源系統中抽出的功率值，負回授能夠增加這個頻率響應嗎？答案其實是不行的。

▲負回授會抑制放大倍率，只會使用元件放大倍率較低的部分，此部分的頻寬原本就比較大，看起來就好像讓元件有較佳的頻率響應。

負回授無法改善元件特性

講到這裡水電工大概得罪了全國教學技巧不好的電子學老師，事實上負回授的確是無法改善任何元件特性，如果宣稱可以的人，請自己辭去教師職位吧！上期中水電工的圖每張都把訊號振幅做過調整，讓各位適於閱讀比較。我們實際上來看負回授，就會發現負回授是會把系統放大倍率縮小的技術，回授愈深放大倍率就縮得愈小。

在「頻率*放大倍數=固定值」的情況下`,把放大倍率縮小之後，不就等於頻率響應變大了嗎？也就是說，如果系統需放大倍率和頻寬都要很大的情況下，使用的元件品質又不好，想靠負回授得到「頻率響應極好放大率又很棒」的系統是不可能的。不過負回授仍然有它的好處，因為如果頻率響應足夠的話，我們仍然可以使用多次的放大來達到我們要求的放大倍率。如果頻寬不足，那麼增加再多階放大也是沒有用的，因為高頻訊號在第一階就被刪除掉了。

擷取趨近直線的片段

至於線性水電工就不必再多提了，元件的轉換曲線一但測量出來，線性的情況大致上也就很明確了，完美的線性元件它的轉換曲線必然是直線。讀者們大概也知道世界上根本沒有這種東西，大多數的轉換曲線都是類似於二次函數的曲線。甚至還有些轉換曲線相當歪七扭八的，這些不完美的轉換曲線也註定了不同元件的聲線就是完全不一樣，就算使用了負回授也無法改善。

是的，負回授無法改善元件的線性，但是正確使用負回授，卻有改善輸出線性的效果，為什麼呢？答案很簡單，負回授既然是會大幅減小放大倍率，那麼就算遇到歪七扭八的轉換曲線，我們若是只用到某小段，在這個極小的區間內，我們看到的「曲線」一定會比較接近直線。且若正確使用了負回授架構，還可以讓元件工作在某一小段特別平直的轉換曲線範圍中。

有許多的OPAMP（操作放大器）以及用在高頻訊號處理的小型放大器就是利用這個原理，可以達成連真空管都無法達到的超高SNR和超低THD。但是它們的問題就是只能做小訊號處理，若是電壓需求量超過幾伏特或電流需求量超過幾十或幾百mA就完全不行了。也就是訊號小的時候線性就好，訊號大就完蛋。