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專題報導：HPX-1真空管唱頭放大器

CatKing (貓貓站長)
2023/07/31 22:38 #1

期待已久的唱放終於將在這次 2023 TAA 音響大展問世了!

她的名字是HPX-1，H是HitOn的意思，P是唱放，X代表著新世代!

剛剛收到作者寫的一部份唱放專文，想必大家也都引頸期盼好久了~站長現在就貼上來給大家看~^^
因為版面有文字上限的限制，超過上限會無法顯示，所以站長拿到後續文章之後會把它們分段分批貼上來，然後在最上方和最下方用快捷鍵連結~
好了! 廢話不多說，今天我們就先來看看HPX-1作者原文的PART-1吧!!!

作者：風清揚
HPX-1 RIAA等化放大器：

這臺終極唱放的研製，總算是接近尾聲了，歷時5年的時間，大改版了5次，小改版了10多次，為什麼花了那麼多時間改了這麼多次？也許是當初設定的條件就太過嚴苛，秉持著affordable high-end 的精神！要設計一個好的唱頭放大器真不是容易的事情！真如同淬練一把寶劍，耗時間耗精神耗體力⋯甚至最後還要＂血祭＂，來成就一把好劍！(組装機器多多少少都會受點傷！燙傷割傷⋯⋯）
市面上要找到好而且價格合理的MC/MM唱頭放大器實在非常少(是幾乎沒有)！通常好的都很貴(數十萬～甚至百萬)，而便宜的都太陽春(根本就是一個普通的雙合一OP就搞定了！)，而且事實上是…貴的也不見得好！千萬您別讓＂音響貴就是好＂的想法給蒙蔽了，一條幾拾萬的電源線，您可不能説它不好，那麼豈不是承認自己的耳朵有問題⋯⋯為了表示自已的耳朵是夠靈敏，當然要説＂好啊！⋯
不過，我承認品質好的電源線及插頭插座對於聲音一定有正面的幫助！
設計一台唱放(唱頭放大器)有什麼難的呢？網路上一大堆線路，參考一下不就好了嗎？然而網路上的線路上百種，哪一個才是好聽又準確？一個一個做來試聽及量測嗎？相信鑄劍師也不是第一次鑄劍就能造出青冥寶劍！必也是長時間的研究試驗，多年的累積經驗，而且往往不是只有技術本身而已，個人內心的修為往往更重要‼️ 海量的閲讀及線路模擬，大量的實驗，長時間的試聽，不斷地反覆地思考及精緻化線路，毫不誇張⋯⋯一個好的産品誕生，真的沒有那麼容易。
對理論有興趣的朋友，也可以上Amazon 買一本書，＂Sound of Silence：lowest-noise RIAA phono-Amp design＂，仔細研讀一下，講得很清楚，四百多頁而已！不過癮嗎？可以再買續集，另外四百頁！美國人真的很會冩書！

唱頭放大器的增益：
MC唱頭的輸出電壓可以低到只有0.2mV@1kHz，要放大到100mV的前級輸入水準，大約要放大500~1000倍(60dB)，但是因為RIAA曲線的關係，在100Hz以下的低頻要多放大20dB，也就是要放大5000～10000倍！試想如果線路只要感染了1uV的交流雜訊(低頻，尤其是AC整流後的120Hz)，放大10000倍就成了10mV，而相對於100mV的正常訊號輸出，此放大器在低頻時的S/N就只有20dB！很糟吧，PCB要感染1uV的雜訊是很容易的！
這是怎麼回事兒？很多市售的唱頭放大器不都號稱有65～70dB的訊號雜音比(S/N)嗎？這～通常是指在1kHz時的S/N。而且是在嚴格控制的實驗室中量測的數據！如果您不能解讀規格的深層含義，一味的憑規格來選擇機器將是很危險的事！
而MM唱頭的輸出就比較高，一般的是2mV～5mV，因此只要MC放大器倍率的十分之一即可，SNR 瞬間就多了20dB，線路好設計多多！
那麼倒底要不要支援MC唱頭？
左思右想，還是決定加入MC的部分，我知道成本比較高，線路比較複雜，比較難設計⋯，但當有一天，您決定升級MC唱頭時，不要另外再花錢買放大器，只要播個開關即可，HPX-1 就可以支援MC唱頭了！

我對唱放設計要求是：
低噪音，音質好，RIAA曲線精準，搭配MC唱頭時，阻抗可以調整. 要有真空管的音色，就醬！
為什麼這麼重視RIAA曲線的精準，因為這是重現黑膠音樂靈魂最重要的一部分，其好壞左右整個重播音樂的感覺，失之毫釐，差之千里！您可以忍受前後級擴大機的頻率響應不是平坦的直線嗎？那為什麼能忍受歪七扭八的RIAA重播曲線呢？
很多名機的RIAA曲線都不準！為什麼？因為很麻煩+很貴+真的很不好做！
接下來大致說明整個線路結構，分成7個主要部分：

1：MC/MM唱頭前置放大部：由並聯的JFET+串疊電晶體組成的超低噪音A類放大器，JFET採用非常低噪音型的製品而且4只並聯（成本很高的）以進一步降低噪音，我非常喜歡JFET的聲音，和真空管一樣，其電流對電壓為平方的轉換函數，這樣的轉換函數，具有偶次諧波比奇次諧波多的特性，是比較＂音樂性＂好的元件。（參考FIG 1）

FIG 1

而且由於是電壓控制的放大元件，因此幾乎沒有電流會流過唱頭，不用擔心會損害您寶貴的唱頭！
這一級是電阻負戴的A類放大（其實本機全部的放大器都是A類），因此電源的處理就要特別講究，最後決定採用adaptor來供電＇以解決60Hz/120Hz電源哼聲的困擾，從adaptor 進來的電壓經過穩壓後再經過一級的超級濾波器電路，以濾除電源端的雜訊，因為電源有任何一點點的雜訊，都會被放大數百倍。
這整個電源的路徑所有的零件都是特別挑選的，包括超低雜訊的電晶體。
至於FET有兩種選擇：第一是採用2SK170，這個超級元件可惜已經絕版了，我手上有一些庫存，但也不多就是了！
第二是採用Philips 製的BF862 這個是比2SK170(0.95nV/√Hz)還要低雜音，只有0.8nV/√Hz,是個鮮為人知的好東東！很不幸的是，也停產了！我在停產之前搶了一些＇所以也沒有很多！
每次想到要到處去搜尋這些好聲的元件就覺得很無奈．．

2：MM及MC的增益以一個特殊定製的三段開關來切換，分別是：
1，60dB for MC(高增益)
2，57dB for MC(低增益)
3，40dB for MM
6段的DIP SWITCH 用來切換不同MC唱頭所需的阻抗匹配。這樣應該可以涵蓋絶大多數的MC唱頭負載阻抗的需求。而其中第一段10-ohm的超低負載設計，可以應付某個特殊的超低阻抗的MC唱頭！（参考FIG 2）

FIG 2

如果採用MM唱頭，就把所有的DIP SW全部切到OFF，那麼阻抗就是標準MM唱頭的47k歐姆了，
6段的DIP SW以高品質鍍金指撥的鋼琴開關，放在訊號路徑最短的輸入端，路徑短聲音好，干擾少。其組合如下：(以下指的是單一開關Turn On 的情形，當然也可以Turn On 多個，那麼阻抗將會呈現並聯的情形，因此理論上將會有64種不同阻抗的組合，足以應付絶大多數的唱頭)。

設定如下：
SW1/on: 負載阻抗為10 Ohm
SW2/on: 負載阻抗為33 Ohm
SW3/on: 負載阻抗為100 Ohm
SW4/on: 負載阻抗為220 Ohm
SW5/on: 負載阻抗為470 Ohm
SW6/on: 負載阻抗為1k Ohm

其實MC唱頭能夠容許的負載範圍很寛，以Benz-Micro Ruby 2 的唱頭為例，其負載阻抗從500～47k皆可。

3：緊接著是整個線路的核心：由低雜音電晶體及真空管組成的兩段式放大+RC衰減型RIAA等化放大網路，和一般的帶MC功能的唱放不同的是，第一級的FET不論是切換MC/MM時都會介入放大及阻抗變換的功能。
這樣讓緊接著放大級不用提供那麼高的放大率，有助於改善整體的失真及RIAA的曲線準確度。
RIAA等化網路是經過精密的計算模擬及長時間的試聽，因為電子電路並不是擁有無限的放大率及頻寛，所以RIAA的等化網路的RC數值就不能那麼理想的手算一算即可。。

本機的RIAA，在模擬下可以控制在0.05dB的誤差，（實際實現希望能控制在0.1dB）算是超級精確了，我是一個對頻率響應有強迫症的人，凡是我設計的東西，就是要最平坦的頻率響應。
我喜歡真空管的聲音，但是真空管的雜訊太高了，並不能符合唱放的需求，因此我將RC型的二級放大器的第一級採用了低雜音電晶體組成的放大電路，而這個電路，正是來自音技當年名噪一時的PRO-212N(也是我做的)，我花了一些時間找到當年絕版（又是絕版了）的低雜音高增益電晶體MPSA18才讓這個電路得以實現！這是一個非常特殊的電晶體，能在極低的電流下提供非常高的增益及很低的雜訊！
（參考FIG 3）

FIG 3

RIAA網路之後是真空管的共陰放大級＇大約可以提供30倍的增益，採用品質好的6DJ8/ECC88
我則偏好採用古典管6N23P，特性等同6DJ8，但卻是軍規等級，聲音非常好！此共陰放大級之後再接一級真空管陰極隨偶器＇用以降低輸出阻抗並且徹底隔離外界負載和核心放大器！

4：超/次音頻(ultra/sub-sonic filter)濾波器：由於採用了二級放大，所以可以把次音频（低於10Hz）及超音頻（超過50kHz）濾波器加入其中，這兩個濾波器是非常重要的，因為⋯
第一，唱片通常都是不平的，所以這人耳聽不到但是會影響正常聲音的次音頻濾掉就非常重要，
第二，由於唱放的增益很高，不小心處理，可能會變成了AM收音機！因此，衰減超高頻也是很重要的.但是這個部分並不容易處理，必須不能影響到高頻訊號的相位才行，我把-3dB的頻率拉高到200kHz以上，以取得至少至20kHz的平坦響應及最小的相位移！如果附近有class-D的擴大機，通常其調制頻率約500kHz左右，也是可以被濾波器抑制下來的！

5，電源：本機電源之複雜幾乎佔據了1/2 PCB的面積！使用adaptor的好處是減低電源變壓器造成的磁場干擾，然而adaptor的高頻雜訊比較高，必須加以處理
在電源並聯大量的品質好的鋁聚合物電容，可以有效的降低電源端的高頻雜訊，再加上LC濾波器的介入以及超高hfe 電晶體組成的超級濾波器線路，整個雜訊的濾除效果非常優秀,使得這台唱放幾乎聽不到哼聲Hum！
只是成本很高，所以，天下沒有白吃的午餐，好聲音是有代價的。除了電源上的鋁聚合物電容外，訊號路徑一律採用薄膜電容，RIAA網路更是挑選1％～2％的電容及0.1％的電阻，這些高精密度的電阻電容都非常的貴，為的是希望得到最正確的聲音，很多高價的名機，其RIAA曲線都是歪七扭八的，您花了大把銀子，買到的卻不是正確的RIAA曲線，心裏不會不舒服嗎？

6，開機緩啓動及關機保護電路：
這是爲了避免在前後級擴大機皆開機的狀態下突然開或關此唱頭放大器！如果不加以保護，這個開關機是脈衝訊號可能會毀了您的喇叭，算是非常重要確是常常被乎略的電路！
這一功能分成兩塊電路：一是開機延遲三秒鐘左右的輸出延遲接通，而關機卻能瞬間斷開輸出端的電路。二是以一顆超大電流的PMOS所設計的電源緩啓動及延時斷電線路，兩個線路的協同動作以解決開關機的脈衝聲！
講起來很簡單，但是要做好這功能卻是要花費一番功夫的！
7，真空管的燈絲及高壓電源：
真空管特有的迷人音色，是半導體無法取代的。但是真空管需要的電源是比較麻煩的，燈絲直接經過LDO(Low Drop Out regulator)穩壓，是LDO哦！不是便宜的78XX穩壓IC，來點燈絲，高壓的部分則是以250kHz超高頻DC/DC轉換器産生170 V的高壓來提供真空管屏極所需的高電壓。這部分的線路是和Enigmacoustics Labs 合作的高品質極超低雜訊高壓產生器！這部分非常不好做, 花了很多時間！成本也很高！
緊接著真空管共陰極放大之後是真空管陰極隨耦器，用來降低整體的輸出阻抗並且隔離外部的負載, 其輸出阻抗大約在500歐姆，串連一個100歐姆的電阻及100PF的對地電容可以穩定極高頻的響應也可以避免高頻＂寄生振盪＂！(超高頻寄生振盪是在一般測試中不容易被查覺的），甚至是訊號線的高頻反射。這些是設計上的＂眉角＂⋯，整體唱放輸出阻抗大約在600歐姆左右。
採用真空管的代價是很高的，除了線路變複雜，PCB要要加大，電源容量要加大(因為真空管很耗電，約佔本機耗電的85％)，機箱也要加大⋯好聲音就是要付出代價！

這個放大器的精髓如下：
JFET+低噪音電晶體+ RC衰減型RIAA +真空管放大及緩衝輸出，全部A類工作！熱！

附上一張第一次試做時的照片(如上圖)，可以看到一大堆密密麻麻的SMD電晶體(依我的計算在理論上是可以達到0.5nV/√Hz)，光耦合，SMD的薄膜補品電容等元件，不要看板子不大，全機超過50個超低雜音的電晶體加上一堆IC！而且第一版把MC/MM的輸入接頭分開，並且還做了耳放，因此有耳機的輸出，所以板子上可以看到音量控制及耳機插孔，結果是：不好聽，聲音很死板！(什麼叫死板，就是聲音冷冷的，硬硬的，沒有活力)非常的失望。所以並不是拿最好的材料就可以鑄造出寶劍！回頭再想一下我希望的唱放是什麼樣子？RIAA要準，聲音要活，雜訊要低，如此而已！

去蕪存菁：
RIAA就是RIAA，把曲線做到最精準，其他的都是多餘的，其他的功能只會增加成本，增加故障率，增加雜訊⋯⋯近年來許多唱放都加上了ADC，號稱可以將黑膠唱片轉成數位儲存！真的是沒有必要而且也不好用。(我後面會解釋為什麼不好用)

談一下RIAA網路的選擇：
黑膠唱片的録製，是經過RIAA標準去等化過的，因此重播時也必須以同樣的標準予以還原。
電子線路實現此RlAA曲線，大致有回授型，RC衰減型，及前二種方式的混合型三種作法，回授型有缐路簡單的優點，被動衰減型則是可以做到非常精確的RIAA，而混合型則是各項性能妥協下的做法。
經過長久的試聽，模擬及思考，我還是選擇了RC衰減型。
為什麼RC衰減型的聲音會比較好，這是有一些理論上的基礎，但是說起來一大篇！在這裡就先省了！
被動RC型，是由2級放大器組成，(很多近年來出的唱盤內附MM唱頭放大器，都是一個OP採用回授型就做掉了)!
分成二級的好處是第二級將外部負載與RIAA網路隔開，以免在真實世界使用時外接的導線電感或電容效應影響了放大器的性能進而影響了RIAA網路的準確性，當然，壞處是比較複雜。
我不斷地提醒您真實世界的使用對於放大器影響的重要性，和實驗室裏一切的環境都是受到控制的情況有天大的不同！簡單的例子如：放大器的輸出負載如果不是單純的電阻，而是有複雜阻抗(含有電容性，電感性及電阻性)的導線，那麼在實驗室測得的數據可能完全不成立！很多放大器接上電容性負載就會振盪，接上電感性負載就會過激，而你的線路如果沒有處理這些情況＇那麼實際使用時就會影響聲音！

極精密的等化網路：
如果您認真的看一下這個RIAA網路，可以發現其實相當複雜，其實會影響RIAA準確度的元件高達十個！(一般的唱放其RlAA網路都是4～5個RC元件就搞定了)，這個RIAA絶對在網路上找不到同樣的！很抱歉我並未公布這些數值，因為實在是花了太多時間去測試/調整/試聽⋯才找出這一組數值(雖然理論上有無限多組解，但並非每一組解都有好的音質！)。要知道真實的線路並不是理想上的具有無窮大的輸入阻抗，無盡的頻寛及趨近於零的輸出阻抗，因此RIAA的準確度勢必受到影響，這個複雜的網路讓本機的RIAA非常的精確，電阻是採用了0.1%的超級精密電阻，這類的電阻，往往是一般電阻數十倍的價錢，非常的貴，電容器也是Kemet，Vishay以及WIMA的金屬薄膜PP質超精密1%並且用電容表挑選過，以達到需要的極精確度！金屬膜PP電容(Polypropylene Film Capacitor)已經很貴，1%的真是貴貴貴。再加上多個並聯，讓誤差及漂移量降至1/√3。為什麼要這樣精密的電阻電容？我將線路經過大量的蒙地卡羅分析(Monte Carlo analysis)，以一般常用的電阻電容(1%和5%)，實在無法達到我對於RIAA精度的要求。

蒙地卡羅分析(Monte Carlo analysis)在真實世界非常的重要，用來評估電路的敏感度對於零件誤差造成的影響！當然是愈不敏感愈好，這組RIAA網路數值是我找出對零件變動敏感度較低的數據。何謂不敏感，就是電阻電容的偏差或溫度漂移不致於對RIAA曲線造成相對劇烈的影響！很多精密電阻，其溫度系數為25～50ppm/C, 如果聆聽環境的溫度差達到20度C(冬天vs夏天)，那麼因為溫度造成的偏差將高達0.1%，不可忽視！
很多工程人員懶得做蒙地卡羅分析，因為非常耗時，但是不做卻往往導致產品良率不高或是和模擬的結果誤差很大。
如FIG.4 所示:

FIG.4

代表的是本機電腦模擬時的RIAA誤差，在音頻範圍內的誤差非常的低，幾乎達到不可思議的0.05dB以內，而500kHz以上的超高頻必需予以衰減(後來決定從200kHz開始衰減)，以避免AM頻道的干擾，你總不希望唱放變成AM收音機了！另外10Hz以下的極低頻部分也以-18dB/oct的三階斜率濾波器予以濾除(3rd order subsonic filter)，以免唱盤的轆聲或是極低頻的回授造成功率擴大機或是低音喇叭的損傷。

實測：(有圖有真相)

Audio Research SP14

上一張是經典銘器Audio Research SP14的RIAA誤差曲線(上圖黑色曲線)⋯怎麼樣！不怎麼樣吧，在20Hz時衰減0.8dB，但是在20kHz卻加強了+0.4dB，高低頻差了1.2dB而且左右聲道也不一致。您可以自行在網路上找找其他的名機的RIAA誤差曲線，其實都不怎麼樣！真的不要再迷信＂名牌＂了。想想看您花了大把銀子，每天聽著扭曲的聲音！心裏舒服嗎？

接下頁...

CatKing (貓貓站長)
2023/07/31 20:14 #2

承上頁...

這一張紅色缐是本機實測的RIAA誤差(用Audio Precision sys2722測的)，非常非常準！這要放大到一格0.2dB才能看出一些衰減的特性，高頻一直到100kHz才衰減0.2dB，低頻30Hz稍微上升0.2dB，10Hz衰減了0.4dB (這是subsonic filter，我堅持要加入的，不是沒有能力做到直線，在1976年的IEC-RIAA playback standard 也加入了20Hz以下的衰減曲線。)，扣除30Hz的些微上昇，整個頻段的誤差低於正負0.05dB！！超級準！⋯您會覺得奇怪怎麼只有一條線，那是因為左右聲道幾乎全部重疊在一起，只有在最高頻端(50kHz)可以隱約看到有分叉兩條線⋯夠準吧！您知道嗎？左右聲道要做到如此重疊，比RIAA的準確還要麻煩困難，因為不只是RIAA網路元件本身必須要挑選配對，幾乎是整個網路中所有的電阻電容都要挑選配對才能做得到。
再秀一張AP實測FFT的圖(紫紅色線，請注意這是高増益的MC部分)，1kHz的noise floor 和訊號相差近90dB(強！)，10kHz甚至到100dB，而唯一的一根二次諧波失真(這是真空管的天性！），也和主訊號相差了60dB。真的非常優秀！要知道我們的真空管輸出是沒有拉在回授網路裏面的！因此二次諧波失真較高一些些也是可以預期的。
Neumann curve ：
這是有些爭議的⋯主要是 :＂傳說＂當年的黑膠母片的刻片針頭的生産公司Neumann，為了避免高頻信號(50kHz以上)燒毀針頭，因此在信號輸入時做了個50kHz的 Low pass filter，是個單顆晶體做的低通濾波器線路⋯所以有人主張在唱放的RIAA應該是要補償回來，⋯
我實際試聽的心得是：加了Neumann curve compensation 以後，高頻真的太強了，音樂也不太對，因此我並没有加上這一部份的電路，後來美國Stereophile 雜誌的大評論家：John Atkinson 也説不認同加上這個補償！
其實當年曾經出現過一種CD4的黑膠，採用FM-PM-SSBFM (frequency modulation-phase modulation-single sideband frequency modulation) 的技術，其carrier frequency 也高達45kHz，這表示當時的刻片刀頭必須要能刻錄45kHz的信號才行⋯⋯因此所謂的Neumann curve可能是誤會！
有關黑膠的最大頻寛，有一些文獻記載大約在120kHz左右！(怎麼樣，比任何高取樣的數位錄音都還要強吧！）

John Atkinson 是誰？OMG！他可能是全球最具份量的High End 音響評論家(任職於美國Stereophile雜誌)，我有一次在CES和John Atkinson聊天時他告訴我，他每隔3個月都會去醫院檢查自己左右耳的聽力，以示對評論及讀者負責⋯他是一個非常嚴謹的評論家，工作態度謹慎，對自我的要求也很高。
不過從這裡也可以了解，黑膠唱片的錄音，往往有高達50kHz的高頻泛音信號錄於黑膠唱片之中，超高頻一定會影響聽感的，把音樂成分中以為是人耳聽不到的超高頻砍掉⋯樂器的聲音就不完整了，不是嗎？⋯CD就有這樣的問題，一過20kHz就全部砍掉，完全沒有超高頻的部分。

待續.....

快速連結：專題報導：HPX-1真空管唱頭放大器Part-2
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