10 月
撰文/珊迪 修訂/書世豪
「這個推不動，你要用功率大一點的擴大機推。」 在談論音響時，常會聽見發燒友們談論類似以上的內容。 在音響系統中，這個被稱為「擴大機」（Amplifier）的部件， 究竟是什麼？又有什麼功用呢？就讓我們一步步地揭開「擴大機」的神秘面紗。
事實上，所有的揚聲器都需要擴大機的推動，《音響入門誌》第一期所附贈的「三吋全音域揚聲器」與本期的「無線擴大機」就像雙胞胎一樣，不能分離；另外，如電腦喇叭等的「主動式揚聲器」則已經內建「擴 大機」，因此不需要外接。
擴大機是主動式設備，一般用來放大訊號的功率，其能提供放大的程度叫做「增益」，增益是指輸入訊號與輸出訊號的比例。例如：擴大機將輸入電壓增大一倍，稱其電壓增益為 2；如果輸出電流是輸入電流的 10 倍，那麼電流增益是 10。擴大機是具有電壓增益、電流增益或功率增益（同時放大電壓與電流）的裝置。
搭起聲音美麗的橋樑
簡單來說，在音響系統中，擴大機猶如揚聲器與其他系統之間的橋樑，其主要功能是將從黑膠唱盤、CD 唱盤、收音機、手機、電腦等所接收到的微弱音源訊號加以放大，以獲得足夠的功率去推動揚聲器發聲。 所謂的「放大」，是經由放大元件模仿出和原本訊號長得很像，卻具有更大的電壓，或是更高的電流量的新訊號。
因此，一個擴大機的成功與否取決於「模仿訊號」的功力，如果功力好的稱為「線性表現佳」，反之則是「線性表現差」。
在選購擴大機前，究竟是要選擇真空管擴大機還是晶體擴大機？ A 類、AB 類還是 D 類？琳琅滿目的分類，又有何差別呢？選購擴大機前想必都曾經為此困擾過吧？以下將個別整理出不同分類的擴大機，有了基本架構的瞭解之後，屆時才能挑選出最適合自己的擴大機。
擴大機依使用放大元件的不同，分為真空管擴大機(以下簡稱為「管 機」)與晶體擴大機（以下簡稱為「晶體機」）；其中，再依功能不同 分為前級、後級或綜合擴大機，一個完整的系統通常同時具備前級與後級，並且可以分開購買、或者直接選購擁有前後級功能的綜合擴大機。
最後，根據工作原理不同，再細分為 A 類、B 類、AB 類、D 類，但前級如此分類並不常見，以下只針對後級做說明。
小小知識家：C 類放大器
常稱為「高功率射頻」（RF，Radio Frequency）放大器，與 A 類、 B 類、AB 類放大原理不同，使用非線性電路放大，並使用於電台廣播等系統，與音響系統的音頻應用有所不同，因此沒有被歸類於本期擴大機分類介紹。
工作特性
管機 V.S. 晶體機
現代使用於揚聲器的擴大機元件不是真空管就是電晶體，簡述兩者的差異，真空管的優勢在於極佳的線性（也就是原音重現的表現較好）；電晶體的優勢在於擁有很大的放大倍率、輸出功率高、壽命長，以及較低的雜訊（也就是耐操又可以很大聲）。以下再進一步分析兩者的工作特性。
真空管是一種電子元件，在電路中控制電子的流動，因為參與工作的電極被封在一個真空的容器之內，因此被稱為「真空管」。
在 20 世紀中期前，基本上所有的電子器材，舉凡電視、收音機、揚聲 器、無線電、雷達、早期的電腦、電子設備等，都是使用真空管製作而成 的。但因為真空管需要一段時間加熱，等待陰極放射出電子才能運作，所以使用真空管的電器必須預熱，才能正常工作。
一般的真空管通常使用 1,000 至 3,000 小時之後就需要更換。無論任何時間，只要開機後，計時器便開始計算。因為這個壽命極限，促使許多 玩家在不聽的時候就會關掉機器，藉以延長管子的壽命，但由於電子線 路無法馬上展現出最佳聲音，往往得等到開機半小時以上才能完全發揮 功率，因此真空管可說是一種需要帶著優雅態度賞玩的機器。
此外，因為一般高級的真空管多半是由手工完成，所以不論生產製程 上如何管控，二支編號一樣的真空管在儀器上測試的數值一定會有些許 不同，誤差值從 ±1% 到 ±10%，甚至更大的情況皆有可能發生，價 位也就有所不同。真空管在沒有配對的狀況下，容易發生音場偏向的問題，越靈敏的系統越會發生這種狀況。
歷史的開端：優雅的真空管（Vacuum Tube）
而更換真空管的價格帶也很大，從 10 美元到 100 美元（約台幣 300 元至 3,000 元）；甚至有些玩家會額外 付費購買配對的真空管，以求得同樣的增益（放大的 量），確保一個聲道的聲音，不會高於另一個聲道。
不過，這個充滿歷史性的元件，由於體積稍大、占空間、功能低且容易燒毀等缺點，也激發了後續擴大機研發者尋找真空管替代品原動力。自然界的物質依照其導電性可區分為三類:導體、半導體、絕緣體。電晶體屬於半導體的一種，是由矽或鍺 為主要原料所組成的物質。
跨世紀的發明：萬用的電晶體（Transistor）
電晶體被認為是 20 世紀最偉大發明之一，是所有現代電器裡面最重要的元件，它可以被大規模製造、生產，成本低廉、品質優良、熱度低、輸出效率高等優點，促使所有電子儀器都改用電晶體作為主要組成元 件。在音響設備的世界中，早期主要使用的真空管也在電晶體的出現後，逐漸被市場遺忘，不過近幾年管機有捲土重來的趨勢。
在擴大機的製造上，電晶體主要的功能為「放大」信號與「開關」電壓。以收音機為例子，將空中所接收到極微弱的類比訊號放大後，驅動揚聲器進行發聲，便是電晶體的「放大」 作用，它可以不用改變輸入訊號的波形，只會將電壓跟電流值放 大。而在電腦中，也有電晶體的存在，電腦所使用的數位訊號， 電晶體則發揮「開關」的作用，在 0（低電壓）與 1（高電壓）之間進行切換。
前級 V.S. 後級 V.S. 綜擴
了解「管機」與「晶體機」的差別之後，讓我們繼續進行下一層的分類說明。
前級
前級（Pre-Amp，或稱前置處理器），就像是整套音響設備的控制中心，是負責處理從 CD 唱盤、DVD 播放機、LP 唱盤等訊源所接收到的聲音訊號，然後送至後級擴大機進行「功率放大」。因為不同的訊號各有不同的電壓大小，必須先做處理，然後再輸出給後級擴大機。再者，前級擴大機本身輸出訊號的電流是很微弱的，並不足以推動揚聲器，聲音會非常小聲。
前級的基本結構分為四個部分:
- 音量控制（Volume control）：目的在改變聲音訊號振幅的大小， 進而調整音量的大小。
- 平衡控制（Balance control）：目的是用來校正立體左右聲道音量 的偏差，當左右聲道的輸出音量大小不一致時，就可以藉此調整。
- 平坦放大訊號（Flat amplifier）：功用是將音頻訊號加以放大，通 常放大的倍數為 10 倍(20dB)，所以又稱為十倍放大器。
- 音調控制（Tone control）：目的在改變聲音訊號的頻率特性， 依照功用有高頻控制(Treble control)、中頻控制(Mid control)、 低頻控制(Bass control)，甚至還包含有高/低頻濾波器(High/Low filter)、響度控制(Loudness control)、以及音響效果放大器(Sound effect amplifier，簡稱 SEA)。
小小知識家：功率
看到功率的「率」，就知道功率八成跟時間脫不了關係。功率代表的意義是能量消耗或轉換的速率，單位是瓦特（W），1W 代表每秒鐘消耗或轉換的能量為 1 焦耳（J）。1J 的能量是多少呢？一粒米所含的熱量大約是 200J，可知 1J 的能量其實蠻小的。若一擴大機的輸出功率為 100W，則代表該擴大機每秒鐘可提供 100J 的能量，約相當於 0.5 粒米所含的熱量。
後級
後級（Power-Amp，或稱功率放大器），主要功能是將前級處理後的音頻訊號做功率放大（同時放大電壓與電流，以電流放大為主），使後級的輸出訊號有足夠的功率去推動揚聲器，進而發出聲音。
一般而言，完整系統的擴大機必須擁有前級、後級，但若是不想要東拼西湊又想節省空間，則可以選擇—綜合擴大機（Integrated amp.）， 將前級與後級結合在一起使用，雖然方便許多，但多少會受限於機器的 體型、功率與元件上的限制，可以調整的空間變小;相較於前、後級擴 大機各自獨立使用，則是換機時較方便，可根據自己的需求進行更換， 並享受其中搭配的樂趣。
在音響界，管機經常被評為推出來的聲音較甜美、溫暖且高音自然; 晶體機則被認為表現出的聲音清澈結實、通透、且具有高解析力。
「管機」與「晶體機」兩者之間聽感的不同，主要來自於元件本身所造成諧波失真的差異。若將兩者的諧波失真相比較，會發現管機遠遠大 於晶體機，且兩者皆會同時產生奇次與偶次諧波失真，只不過比例有所 不同，因為管機產生大量的偶次諧波失真，所以聲音聽起來會格外有厚度、音色溫潤。不過隨著科技日新月異，各家廠牌大多能自行控制失真、 甚至活用失真的特性，並創造出自家廠牌獨一無二的聲音美學。
以上關於「管機」與「晶體機」的分析，僅是大多數使用者的感受，而兩者各有擁護族群，畢竟聽覺的感受還是個人喜好，無論是喜好管機 的甜美聲線，或愛上晶體機的諸多細節表現，都應該建議避免極端的出 現。糖蜜般甜美的管機因為低解析，會帶有疏離的味道；而細節分明的 晶體機，過度解析後會帶來疲倦感，若讓揚聲器系統上每樣組件都盡量地透明、中性，才能擁有更棒的音樂饗宴。
小小知識家：諧波失真、偶次諧波、奇次諧波
諧波失真（Harmonic Distortion）是一種有害的訊號干擾。擴大機在放大訊號的過程中，由於放大元件不夠理想，會產生原有頻率的各種倍數頻率。放大 1kHz 的頻率訊號時會產生 2kHz 的偶次諧波、3kHz 的奇次諧波以及許多更高次的諧波，理論上此數值越小，代表失真度越低。輸出的訊號除了包含已被放大的輸入成份之外，還增加了一些原訊號的 2 倍、3 倍、4 倍 … 甚至更高倍的頻率，導致輸出波形走樣，這種因為諧波引起的失真稱為諧波失真。
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 Class A 類、Class B 類、Class AB 類及 Class D 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
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B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
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。
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。
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。
該如何挑選擴大機？
看完上述的說明後，對擴大機有了基本的認識，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。