重新审视音频负反馈技术
负反馈技术，顾名思义是将系统的输出信号馈送到输入端，从而调节输入信号以影响系统功能的一项技术。负反馈不仅长期应用于绝大部分音响功放中，也广泛应用于模拟控制或数字控制电路，可以说，负反馈几乎在各行各业都发挥着重要的作用。 但对于音响爱好者，音响功放使用负反馈的相关话题在最近几十年备受争议。直到今年，还有某知名人士在视频网站上就这个话题“拉偏架”。虽然负反馈是音响爱好者主要关心的技术点之一，但大多数讨论负反馈的音响爱好者是并不了解技术；又有一小部分讨论者是懂一些技术，但不太了解音响设计的人。同时研究如何做好音响器材和模拟电路的人非常少，我认为造成这种情况的原因主要有两个：首先是乐意用贵价音响器材听音乐的人看起来变少了；同时，大学开设的电子、通信课程似乎正在弱化模拟电路知识。所以我想凭借我的浅薄学识发表一些关于音频负反馈的理解，当然，我不会写太多基础知识，而是倾向于写解决迷思的联想与推论。 包括我在内，一些音响爱好者认为，负反馈总是用已经产生延迟的输出信号来“矫正”原输入信号，而经过矫正的输入信号经过放大仍会产生延迟，延迟和已有失真会调制为更复杂的失真，在实际听感上经常表现为泛音成分不明显、音场扁平、演绎性不好。 实际上，他们说的不无道理。音响工程师诺曼•克劳赫斯特（Norman Crowhurst）在AES（音响工程学会）于上世纪50年代就已经提出，负反馈会使得放大产生的非线性失真和源信号结合，从而进一步产生新的失真，尽管这种失真总量很小，但能观察到其主要为信号调制一种高频噪声成分，为声音回放增加一种“粗糙感”。更何况，现代元器件相关技术已经不同于半个世纪前，可以轻松造出高数据性能的产品，换句话说，这种“粗糙感”或者说失真复杂性对于降低音质的权重相比以前提高了。至于为什么为何不适合简单地用傅立叶变换以分析这种复杂性，请参考《论科学HIFI第二部——研究与感知的问题》。 当然，对于包络了多个电路串联，一般具有较大开环增益的大环路负反馈，这种听感问题或较为严重也是容易理解的。因为电路的复杂性提高，因此失真的复杂性也会提高。事实上，噪声或功率也是这些复杂电路需要考虑的问题，而且经常显得更严重。另外，如果将输出电路的跟随器也包络进电压负反馈中，负载阻抗不平稳直接导致负反馈回路引入反电动势，增加失真量和失真复杂性，从而降低音质。换句话说，开环的输出电路虽然会增加一些失真，但能够起到隔离负载和放大电路的作用，可以应对负载随时变化的电流需求，同时使得放大电路的输出阻抗恒定不受负载影响，可以说是一举多得，因而输出电路也经常被称为输出缓冲器。相反，对于阻抗恒定、信号单一的测试环境，通过环路负反馈降低失真量是容易的事。 另一方面，具有大开环增益的电路的相位裕度往往不高，相位补偿电容也取得更大。失真的复杂性不减反增，高频的有利优势则被降低，噪声难以被抑制，而有效被抑制的非线性失真似乎只是谐波失真和互调失真等非线性失真分量，而它们在一定量级中无须担心降低感知到的音质，反而能有增强泛音、增强和声、使音色饱满、增加环境信息等效果，相较之下，随机出现，不能被人耳理解为规律的噪声或难以被理解为音乐的规律性失真或许才是主要问题。不过欣慰的是，一些极端厂商似乎已经认识到这一点，虽然没有降低电路的复杂性，但至少将噪音总量的设计权重提高了。 基本上，如果基本单端放大电路完全没有负反馈，实际增益是开环增益，无论是噪声还是其它失真分量都难以让人接受，尤其是高频失真非常大。即使不存在因负反馈而调制的复杂失真，过大的噪声和其它失真分量所代表的失真复杂性或更难以忽视，尤其是高频的数据性能可能完全差到几乎不可用的水平。换句话说，负反馈技术使得音响功放能够较为充分地利用晶体管的增益，使得包括但不限于放大器本身的失真可以比较准确地馈送到输入端，从而很好地消除失真；高频特性也被很好地扩展并低失真化。虽然之前提过傅立叶方法的局限性问题，但对于这样悬殊的数据性能量级差异（可能是10%对比0.1%），依然可以推测并主观验证音质的大幅度提高——毕竟这也是负反馈技术初期应用的最大亮点，将无论是数据测量还是主观感受都明显失真的声音改进到数据性能进步一到两个量级，达到主观感受基本不能直接验证当前数据性能差异的地步。 不过，市面上仍有一些号称无负反馈的音响功放，它们真的都是无反馈电路吗？它们有哪些特点？这是我在《序言——我所热爱的回放系统》提到的“愚昧的反智者和一样愚昧的反反智者争论着无聊的话题”的体现。因为过度利用负反馈导致的弊端经常被提出，而音响爱好者往往秉着“不妥协”的原则，一些人倾向于选购所谓的无负反馈放大器。因此，我对几种号称无负反馈电路架构进行了研究。我是晶体管的粉丝，因此暂时不会去写真空管技术，我感到抱歉。 具有局部反馈的放大器当然不是无负反馈电路，但在上世纪90年代经常直接宣传为无负反馈电路，是不负责任的描述。 山本式放大器、传统电流反馈运算放大器并不是无负反馈电路，约00年代它们有时被称为无反馈电路，虽然很少人解释理由，但比较容易理解：驱动负载的是电压源，输入信号也是电压源，而负反馈是取样电流信号，因此是文字游戏，并不是真正意义上的无负反馈。顺带一提，经常被称为“倒置达林顿”的西克对管实际上是一种较为特殊的电流反馈型放大电路，相较于一般达林顿连接，其实它更像电流反馈运算放大器。 CAST电路、SATRI电路是经常被认为无负反馈，从应用电路来看，似乎真的不具有负反馈。事实上，它们是反馈路经过地线的传统跨阻放大器的变体，从输出电流-电压转换电阻进行电流取样，通过地线进入负输入，所以实际上是具有障眼法的电流反馈放大器。另有一个佐证点是，如果SATRI IC留置引脚过长，据说会引发自激振荡。 对地放大电路是心乐（SoulNote）近年来广泛使用的电路架构，后来被改进为所谓的Type-R电路。虽然他们号称其无负反馈，看起来也没有，但大概是具有负反馈的设计理由是其官方宣传文案提到“最小化大电流回路”，虽然乍一看只是优化地线的通常说辞，但我意识到其反馈路可能也是从地线取样电流，并通过电阻比例性地在差分放大器的另一个输入端获得一个输入电平（如果是平衡输入，那就是交叉反馈），如果我的猜测正确，就意味着对地放大电路依然具有负反馈，而且可预见的是因为反馈路经过地线，因此和SATRI电路、CAST电路一样对地线的理想性要求很高。 互补放大电路极其少见，我目前只在Softone的产品上见过，总而言之是源信号输入到两组常数相同但采用互为异极对管的晶体管的单端放大电路，输出端之间用耦合电容连接。晶体管对失真特性相反，因此失真相互抵消。这确实是无反馈电路，数据性能看起来也达到了不差的水平，但它依然是矫正电路，且矫正精度不仅依赖于电阻、晶体管，还严重依赖于串联耦合电容，因此使用这个电路要考虑顾此失彼的问题。不过不知为何，Softone的商业化产品仅设置为两倍增益，或是为了稳定性考虑。 开环D类放大器也是无反馈电路。但如果是为了解决传统负反馈，尤其对于传统电压型运算放大器的失真调制的缺点，D类放大器在原理上有一些问题比前者更加极端，在一些方面是本末倒置的做法。这个话题我将在以后的文章中展开描述。 无论是否含有负反馈，它们常有各式各样的问题，很有可能在“最初被认为是负反馈造成的缺陷”上还不如设计合理的具有负反馈的制品，因此，与其追求两个极端，或许更好的方法是权衡各方面的利弊做出综合性的决策。这也是我一直推崇的设计哲学，这个话题我也将在以后的文章中展开描述。当然，“失真复杂性”是不正式的表达，但至今找不到成熟的相关总结分析方法，只好这么表述。这样看来，曾经被虚假宣传的局部负反馈反而是比较现实且合理的步法，不过具体的设计依然有待商榷，因为很大程度上，反馈量和开环增益可以被调节，而相较之下输入电压、输出功率的要求似乎没有想象中那么重要，尤其是对于家用环境。因此，即便只是调整一些典型音响功放的元件常数，得到出色的主观音质提升也是不令人惊讶的，如果对实践感兴趣，建议从这一步做起。
更新履历：25.12.31 写毕，第一回发布