奇异博士【《胆声奇异现象探源》商榷】

　　 　　读了去年11期孙亦玲先生的《胆声奇异现象探源》一文后，感到很困惑。因为文中的观点，和笔者多年来从事电子线路设计所形成的一些基本概念大相庭径，所以提出自己的看法和《胆声》一文作者商榷。
　　
　　 一、电子管的线性比晶体管好吗？
　　
　　既然作者谈的是非线性失真，我想简单的把这三种器件的情况介绍一下。由于电子管和晶体管的种类繁多，而且电子管一般是工作在高电压小电流状态，晶体管一般是工作在低电压大电流状态。失真又和使用曲线的范围有关，屏极供电为300V的电子管，输出5VP-P值时的失真，肯定比集电极供电为6V的晶体管输出同样幅度时的失真小。所以相互比较一定要在完全相同的外部环境下才有意义。另外失真也和器件的工作点有关，下面是在甲类状态下，分析增益随器件工作电流的变化情况。
　　
　　1、电子管的失真
　　电子管的确存在定律，它是在二极电子管中由泊松方程推出的屏流和屏压之间的关系，实际曲线基本上符合它；三极管当栅压作为参变量固定时，则屏流和屏压之间的关系也大致符合它。
　　三极管的输出电压Vo和输入电压Vi之间的比值为增益A：
　　A= －Ra×μ/Ri
　　其中μ为电子管的放大系数，Ra为屏极负载电阻，Ri为电子管的内阻，μ/Ri就是电子管的跨导S 。Ra为定值，所以S随屏流Ia的变化就决定了放大器的线性。S的线性是由控制栅产生的电场的均匀程度而定的,而阴极表面氧化层的平整度、控制栅栅丝的直径及绕法、栅丝和阴极之间的距离等因素都影响电场的均匀程度。
　　我们常用的都是栅压为负的左特性管。从栅压为零屏流最大，到较负使屏流接近截止的过程中，S一般是由大到小。五极管的增益计算以及跨导S的变化规律与三极管相似。
　　我们如果在管子的屏压Ua―屏流Ia曲线图上作负载线可以看出，输入正半周时进入大屏流、低屏压区；而输入负半周时进入小屏流高屏压区。而以栅压为参变量的曲线簇之间的距离随着屏流的提高，有逐渐增加的趋势。所以输入正半周时的S较大，负半周则相反，即正负半周的S值不同。我们在设计时，都是把工作点置于线性区的中点。这样在Vi较小时，S值变化不大，Vo 和Vi之间的关系基本是线性的。Vi较大时会出现Vo正负半周幅度不同、宽窄（肥瘦）不同的情况；Vi过大时，会使Vo的正负半周都出现削波而幅度不再增加。试想不同的电子管，其结构不同，曲线的线性好坏差别很大，失真情况怎么可能一样？RCA的6336A和WE-300B都是三极管，屏耗是30～40W，WE-300B推挽不加任何负反馈，输出25W时THD为1％，6336A行吗？还有五极管呢，FU50的屏耗亦是40W，它的失真情况也和300B一样吗？
　　
　　2、双极晶体管的失真
　　说双极晶体管的输出―输入是指数关系，这还是第一次听说。作者说的大概是双极晶体管的基极输入电流Ib，随基极输入电压Ub变化曲线在起始部位的关系吧？这关系倒有点接近指数关系。同上，Vo和Vi之间的比值为双极晶体管的增益A：
　　A=－βRc/（Rs＋hi）
　　其中β为晶体管的电流放大倍数，Rc为集电极负载电阻，Rs为信号源内阻，hi为基极输入阻抗。
　　当集电极电流IC从0开始增加时，β增加而hi随之变小，A随之增加。而IC增加到一定值时，β和hi的变化就会减小而进入线性区。在线性区内β和hi的变化都不大，A基本保持不变。当IC增加到一定值时，β开始下降（国产晶体管的最大集电极电流，一般是定义在β下降到最大值的绞钡闹担���i并不同步下降，所以A开始减少。因此A随集电极电流IC（而不是Vi） 的变化规律是：IC小 ――快速上升、IC中等――近似不变、IC大――下降。和电子管类似，在一定的信号范围内，Vo和Vi之间的关系基本是线性的；Vi 过大若进入β下降区时，对应其正半周A开始下降，即此时集电极输出的负半周幅度会减小；再大Vo就削波了。这怎么会是指数关系呢？
　　
　　3、 场效应管的失真
　　目前常用的功率场效应管一般是VMOS增强型的。即对于N型管而言，其栅极需要加入2―4V正偏压才能工作。由于其输出特性曲线和五极电子管相同为饱和型的；而输入阻抗也是高阻的，是电压放大器件。所以其增益A为：
　　A=gm×RD
　　其中gm为VMOS管的跨导、RD 为VMOS管的漏极负载电阻。gm的变化规律为当漏极电流较小时，它快速随其上升；从漏极电流达到某值起直到其最大额定值，gm是基本不变的，所以其线性比双极晶体管要好。它的增益A随漏极电流（而不是Vi）的变化规律是：刚开始快速上升，以后就近似不变了。所以Vo 和Vi也不是平方关系。
　　由于从理论上进行器件之间的非线性对比较困难繁杂，也不直观，为了直截了当的了解器件的线性好坏，笔者设计并且实践了电子管和晶体管的对比测试：
　　电子管为常用且工作屏压较低的北京电子管厂6N11及俄罗斯SOVTEK 6922，两半管并连。晶体管为NEC 2SC2690A，其耐压BVceo 实测为200V左右。
　　信号源为ZQ1035 低失真信号发生器，失真仪为meguro MA－6571T，输入电压用TD9205三位半数字表监视。由于输出电压失真较大，所以用FLUKE 8840A真有效值五位半数字表监视。用Tektronix 465M 100MHZ双踪示波器监视有无高频寄生震荡。系统的剩余失真加噪声干扰≤0.01％
　　屏极及集电极供电电压均为151V（用WY1稳压）、屏极及集电极电阻均为10KΩ、增益均调到28dB左右、工作点均调到最大输出电压时失真最小、测试频率为1KHz。由于6922的线性明显比6N11好，所以只采用6922的数据。
　　由测试数据绘出的输出Vo和输入Vi （均为RMS值）的关系见图（1），由图（1）可见电子管6922的Vo和Vi关系的非线性是很明显的，即增益A不是常数。而晶体管2SC2690A的Vo和Vi的关系几乎是完全线性的，笔者在画图时，用直尺就把2SC2690A所有的数据点都连上了。THD（总谐波失真）和输出电压Vo的关系见图（2）。从图（2）可见，在同样输出电压时，晶体管2SC2690A的THD，不但比电子管6922小一个数量级（注意图中右侧纵坐标为晶体管），而且THD的上升速度也没有6922快。
　　我想，事实胜于雄辨！以上的实验数据，已经很明确的说明了电子管和晶体管的线性哪个好。那种认为晶体管放大器的失真之所以小，完全是靠深度大环路负反馈压出来的看法是没有根据的。众所周知，现代的优秀放大器为了减少TIM失真（瞬态互调失真），都采用了减少甚至取消大环路负反馈而加深本级负反馈的方案。这样末级功率晶体管自身的线性，对于整机的失真大小就有明显的影响。这些放大器的失真，不是照样比施加了10～20dB大环路负反馈的胆机低吗？
　　
　　二、电子管的噪声比晶体管低吗？
　　
　　孙文说：“怎样理解胆机的声底干净，音色纯正呢？声底干净可以认为是噪声低的缘故……晶体管（含场效应管）工作原理基于半导体内部的电子（空穴）迁移。电子（空穴）在固体的晶格之间实现迁移时，任何结构上的缺欠……都将导至电子（空穴）的无规则运动，从而形成噪声。这就是所谓的闪变噪声。……而胆管中，……真空中的电子运动基本上不受限制，除了受输入信号控制，基本上不发生无规则运动。当然不存在闪变噪声。……所以胆管的噪声一般较低，制作放大电路可获得较高的信号噪声比……通常，使用胆机，扬声器中的沙沙噪声是听不到的。而石机在扬声器中听不到沙沙噪声者却很少有。”
　　受篇幅所限，笔者在这里不想讨论晶体管和电子管的噪声微观形成机理，只想宏观讨论它们的现实表现。电子管是电压放大器件，它的噪声是用等效输入噪声电阻来表示。其物理意义是将输出的噪声电压等效为在一定温度下，其控制栅上的电阻因电荷起伏而形成的噪声电压被放大。等效输入噪声电阻用Ω表示，阻值愈高则噪声愈大。在300K（27℃）时，常用的6N8P其等效输入噪声电阻为1KΩ左右、三极接法的6J1为0.4KΩ左右。而晶体管的噪声一般用噪声系数来表示。其物理意义是放大器输出端总的噪声功率与被放大后的信号中原有的噪声功率之比，用dB表示。0dB表示无噪声，即输出端总的噪声功率就是被放大后的信号中原有的噪声功率，器件没有给输出增加新的噪声。应该指出，场效应管是多子器件，其噪声一般比少子工作的双极晶体管小一些。由于电子管和这两种固体器件的噪声参数表示不同，所以无法从数据上直接进行比较。
　　对于同一输出电压而言，撇开放大器的增益单独去比较信噪比是没有意义的。这道理也很简单：假设第一级的等效输入噪声电压为1μV、要求输出电压为1V。 对于0.1V的输入信号，单级20dB的增益就够了。由于噪声电压被放大为10μV，所以输出信噪比为100dB（不计权，下同）；但是如果输入信号小到1mV，后面就需要再接有一或两级放大，总增益为60dB。同样输出1V时由于输出噪声电压被放大为1mV，所以信噪比就降到60dB了。一部用于MM唱头放大的胆前级，输入信号为毫伏级，信噪比很难高于85dB；更不用说输入信号为微伏级的MC唱头放大器了，所以MC唱头一般都要加升压变压器来提高信噪比。
　　那么电子管和晶体管哪一种更适合微小信号放大呢？笔者在十年前曾经为国内某音响公司研发过胆前级。当时借助先进的音频综合测试仪（那时就要人民币10万元），把输出噪声降到了0.1―0.15mV（RMS）左右，再也降不下去了。因为这时剩下的完全是电子管的白噪声，要再降低就只能换管子。但这又牵扯到增益和音色的问题。据我所知，在当时国内生产的胆前级中，我这款输出噪声算低的了。但如果相对其20V的最大输出电压，信噪比也不过100多dB；如果按后级所需要的2V计算，那就只有80多dB了。
　　晶体管又怎么样呢？半导体技术日新月异，使用的材料从锗到硅到砷化镓再到今天的碳化硅（想想电脑CPU的更新速度吧！）。就连广播电台上百KW大功率发射机的末级也都固体器件化了！笔者没有用最近生产的固体器件研究过小信号放大器，所以没有发言权。去年年底恰好外地一友人来访，他在一家著名的大型电声企业工作，而电容话筒又是其拳头产品。由于电容话筒头的输出阻抗极高，所以需要用场效应管或电子管来进行阻抗变换、放大。这两种产品该企业都生产。据他说，就输出噪声电压的绝对值而言，电子管一般要比场效应管高6dB、最好的电子管也要高2dB！我想他的回答，比较权威的解决了我们的问题。
　　
　　 三、电子管的空间电荷有益吗？
　　
　　 “……因此胆管不可避免地存在电子在固体中迁移所具有的噪声……实际胆管阳极噪声测量也说明，胆管的确与晶体管（合格品）噪声水平相当。那么为什么胆机中就是听不到沙沙的噪声呢？……其实，这是因为胆管中的空间电荷效应的结果……由于电子云处于阴极表面（电场）拉力与能级外冲的平衡状态之中，发生噪动与不规则运动的可能性基本不存在，所以不产生噪声。……虽然胆管阳极噪声可能不低于晶体管，但是由于虚阴极的存在胆管工作时的噪声却远远小于晶体管，也低于场效应管……空间电荷效应是胆机奇异现象的主要原因也是胆最可贵而又独特的性质……目前其他固体器件尚无法具备。……”
　　1、首先，电子管是一个整体。怎么可能把电子流过屏（阳）极的噪声，从总噪声中分离并单独测量出来？这简直是匪夷所思！测得的噪声只能是各种噪声机制的综合结果，即电子管工作于电路中的最终噪声水平。何来电子管工作噪声远小于晶体管一说？
　　2、空间电荷真的能象电容滤平纹波那样，基本平息阴极发射电子的噪动与不规则运动，从而使电子管的噪声大大低于晶体管吗？我认为其作用是有限的。所以正象我前面所说，工程实践表明电子管的噪声一般要大于固体器件。而被孙先生认为是好声关键的空间电荷，更多的却是影响了电子管的正常工作。
　　空间电荷现象其实早在电子管发明不久就被发现了。由于它产生的减速电场屏蔽了屏极的加速正电场，使电子管的屏极电压不得不提高；而且降低了栅极的控制能力，即减少了跨导S。而电子管的噪声是和跨导成反比的，对于三极管而言其等效噪声电阻为R=2.5/S（单位为Ω）。因此，空间电荷现象非但对降低噪声无益，反而使噪声特性恶化。
　　一部电子管的发展史，其实就是S提高的历史。小功率的收信管，控制栅电压每变化一伏，屏流从变化几百微安发展到如今的几十毫安（笔者手中有一对SOVTEK的6C45P其S=45mA/V），使电子管的放大能力有了极大的提高。早在1913年就有人提出：为了消除空间电荷的影响从而提高跨导，在阴极和控制栅极之间，加入一个带正电位的辅助栅极。用它的正电场，去抵消阴极附近的空间电荷产生的减速电场，从而增加阴极电流、加大跨导。这个辅助栅极被称为阴栅或空间电荷栅。
　　 二战前，荷兰PHILIPS公司就生产了带空间电荷栅的电子管A141，工作时屏极电压只需要6V。由于此管比较难找，解放初我国的科技人员就利用RCA公司的五极管1LN5的第一栅极当作空间电荷栅，第三栅极作为控制栅加入信号，做再生式收音机。12V的屏压即可正常工作，代替了一般要用45V屏压的设计。20世纪50年代的某些杂志上，也刊登过用北京电子管厂生产的1A2五栅变频管，第一栅当空间电荷栅来装低压收音机的文章。如果空间电荷对消除噪声真的那么有效，这些消除空间电荷的措施岂不会使噪声大增，收音机还能够正常工作吗？要知道，收音机的输入信号比合并式功放的输入信号可低多了！
　　为了消除空间电荷的影响，从而提高跨导，近代的电子管也加入了空间电荷栅。我国生产的６Ｊ２０锐截止五极管的第一栅就是空间电荷栅，固定加６Ｖ电压，注明用途是宽带高频电压放大（见无线电通信用电真空器件手册，1984年版249页）。这种为了增加跨导而消除空间电荷的措施，如果按《胆声》一文作者的观点，会使得噪声大大增加。那岂不是得不偿失，为什么还会生产、使用它？
　　
　　四、为什么胆机开机时间长会好声
　　
　　“……这个现象可以理解为：随着工作时间延长，胆管噪声显著降低……在高温下电极材料也会析出气体。所以胆管内均装有吸气剂……吸气剂是温度越高，化学性质越活泼，吸气作用越佳。所以随着胆机开机时间的延长，胆管内温度上升而趋于稳定，使吸气剂能充分发挥作用。从而使管内气体分子数充分减少，真空度提升。使胆内电子与气体分子的碰撞的噪声消除……而空间电荷的形成与温度密切相关。只有达到相当温度并稳定时，空间电荷才能稳定。而稳定的空间电荷存在则是低噪的原因。……”
　　
　　随着开机时间的延长，胆机的声音究竟发生了哪些变化？是否胆机刚开机时的沙沙声比热透后的沙沙声大？我的感觉是随着时间的延长，声音更加通透、松弛、自然，而不是白噪声的变化。我认为首先这和旁热式电子管（即使放大器末级使用直热管，前面的管子一般也是用旁热的，否则交流声难处理）的特性有关。旁热式电子管由于热丝和阴极之间的绝缘层使热阻较大，需要较长的时间二者的温度才能够一致。只有温度一致后，阴极电子的发射才能稳定、阴极氧化层的电阻才能最小，这样电子管才能进入最佳状态。
　　其次，胆机电路中大量使用电容器。由于电解电容的绝缘介质是铝电极上的氧化层，随着加电时间的延长，该氧化层更加完善，使漏电电流及损耗均减少。这就是电解电容存在的加电后赋能的现象。该氧化层介质属于半导体性质（记得笔者小学时，曾用铝片浸在硼砂溶液中做整流器来充蓄电池），本身具有明显的非线性。所以其性能的改善对声音的影响较大。现在一些发烧友DIY胆前级，电源滤波使用扼流圈。由于滤波电容可取值较小，故干脆用薄膜电容来取代电解电容，取得了较好的效果。胆机级间耦合用的薄膜电容，其绝缘介质的性能也会受外电场极化的影响发生一些变化，由于地位重要，所以一般也会使声音产生某些改变。
　　不仅胆机，晶体管（包括功率场效应管）功放、非胆输出的CD机都有开机要煲一段时间声音才会好的情况。特别是甲类晶体管功放，煲的时间特别长。一直要到散热片发烫了才好声，我的印象中比胆机需要的稳定时间还长。而它们用的都是固体器件，没有什么空间电荷吧！
　　
　　五、电子管内究竟有多少气体分子？
　　
　　“……虽然，绝对的真空，技术上还是达不到的，电子在运动中还有可能与管内的残余气体分子碰撞而产生噪声，不过这种碰撞的几率很小。打个比方说，残余气体分子的密度只相当于一个房间中几只飞行的蚊子。有心与蚊子相碰，怕都很难……”
　　从高中化学我们知道，含有6×1023个分子的任何物质（包括气体）被称为1摩尔（mol），1摩尔的气体在标准大气压及0℃时的体积为22.4升。若电子管内真空度为10－7～10－6毫米汞柱（这是电真空业用的油扩散泵一般所能达到的真空度），则一升体积内的气体分子数量大致为3.5×（1012～1013）。其密度为1cm3有35亿个到350亿个气体分子（以上温度均为0℃）。这个密度可不是“房间中几只飞行的蚊子，有心与蚊子相碰，怕都很难”了！这种环境，实际可以看作是由气体分子所形成的“雾”，电子就是在这气体雾中穿行。如果屏流为10mA，则电子管内一秒钟有6.3×1016个电子飞向屏极。而气体分子也在做温度越高，运动速度就越快的热运动，所以就会有大量残余气体分子和高速飞行中的电子碰撞而产生电离。胆机开机后，某些电子管在黑暗中可以看到被屏极所包围的空间内有蓝光出现，有的还随音量大小闪动。而这蓝光正是残余气体分子电离时发出的，我们从发光的颜色、深浅可粗略判断真空度。
　　电子管内的蓝光，充分证明了电子管内大量残余气体的存在。某杂志的广告中，有个国外品牌的KT88以真空度比通常的要高一百万倍作为卖点。不知道该品牌真空度是否真的能高这么多，但这也说明了目前一般电子管内的真空度不尽人意。某些国产品牌的功率电子管，管壁上吸气剂消失的速度惊人，就是明证。
　　读完《胆声》一文后，我感觉作者的一些观点很费解。比如“……由于人耳的特性，对于远低于信号的噪声根本是感受不到的。这就是人耳的掩蔽效应……”作者想说明什么呢？是不是石机工作时这个“掩蔽效应”就不存在了？又如“实际胆管阳极噪声测量也说明，胆管的确与晶体管（合格品）噪声水平相当。那么为什么胆机中就是听不到沙沙的噪声呢？”仪器能够测量出而人耳听不到，难道电子管产生的白噪声会有什么特别吗？再如“……这造就了胆管放大器具有较高的真实度，虽然失真度指标也许还高于晶体管机。胆声让我们感到耐听，其实是源于电子管自身的高传真特性。……”笔者感到奇怪：高保（传）真特性就意味着失真度小，这是业界公认的准则。怎么承认胆机的失真度大，还说电子管自身有高保真特性，这不矛盾吗？胆机的失真度高于晶体管（包括功率场效应管）机，这也是业界公认的。胆机耐听和高保真是两码事：单端放大的300B、845被认为是胆机中的极品，它比KT88的推挽机耐听吧，但它的THD比后者大！没人说上万元的胆机比几千元的石机THD低，但前者比后者耐听；就象有人说Spendor的箱子比Dynaudio的箱子耐听、音乐味好，但没人说前者比后者保真度高是一样的道理。事实上Dynaudio的失真、染色更小些，更接近真实的声音。
　　这篇文章如果拿到二十年前，或许符合胆―石对比的实情，但现在就不行了。笔者第一次接触半导体产品是1957年，那年在×××广播电台服务部见到了一台日本生产的半导体收音机。当时它给我的印象是和电子管收音机相比，沙沙的噪音特别大、声音也明显嘶哑。70年代，笔者在某整机厂的技术开发部门工作。当时是个小技术员，在班上事情不多。而手边测试仪器齐备，市场上有的是处理元器件。所以什么电子管黑白电视机、胆机、晶体管OTL放大器等等，装了个不亦乐乎。那时用国产大功率硅管装的准互补OTL，音质确实是比笔者的6N5P OTL胆机明显差了一截。80年代初，某晶体管厂开发出50W的PNP硅管送我试用，全互补的效果就好一些。时过境迁，去年我听了Mark 383合并机推Dynaudio的Contour 3.0。可能是因为听得不够多吧，这套组合是我听过的所有组合中（自然也包括我设计的胆机）比较真实自然、接近现场的。笔者认为，音响和现场的差别主要就在于是否“自然”这一点上；音响的档次高低也就体现在这一点上。所以这台合并机王，卖出国内同功率晶体管机十几倍的价钱也就不奇怪了。而目前某些晶体管机，声音比较死板、硬朗一点，没有同价位的胆机好声。其原因不是固体器件本身有什么错，而是设计人员的问题。
　　说到这儿就打住吧，有一些问题笔者限于篇幅没有展开谈（就这样文章已经够长的了！），以后有时间再撰文介绍。笔者希望和《胆声》一文的作者，就以上文中个人的观点展开深入的讨论，从而加深对放大器中有源器件的认识。欢迎广大发烧友参加！