我的電子情人夢(19) – 21世紀真空管

武林傳說，高傳真Hi-Fi(high fidelity)譯為”音響”，是出自於往昔《音樂與音響》與《音響技術》發行人張繼高先生。

此公最令人知曉的名言是，『音響是手段，音樂才是目的』。讀好的書、交好的朋友、聽好的音樂，不是人生樂事嗎。

而論及音響，離不開晶體擴大機或是真空管擴大機(簡稱為管機)。

真空管(Vacuum Tube)，這玩意出現於1904年已經有百年以上的悠久歷史，當今管子幾乎多是來自中國、俄羅斯與東歐；然而，零件生產設備以及量產效率都會隨著時間久遠老化而讓元件品質低下。而這個老元件有機會絕地大反攻而重新登上舞台嗎？還是真空管思維可以有新生命？

回想我念大學時(1975 ~ 1979)，所讀的是”微電子學”，並沒有學到真空管。而今日所面對的已是”奈米電子學”，而未來即將步入”次奈米”時代。 真空管會消失嗎？答案應該是”很難”， 真空管的音樂表現力以及黑膠LP的特有魅力，再先進的數位技術也難以取代。

2015年，日商Korg發表了”Nutube”，新世紀時代的真空管。在半導體力拼奈米化的時代，這個訊息的威力當然沒有蘋果或是谷歌發表新產品的威力。不過，站在『電子技術』以及『電子學』的立場來看，格外有趣。

CD之後的音樂光碟，比如SACD、DVD Audio、藍光CD並沒有取代掉CD。反而，網路串流音樂竄起，成為聽音樂的新媒介。

那就先來看看”真空管的豆豆知識”吧。

真空管，誠如其名，意謂了玻璃瓶內部抽真空，有利於游離電子的流動。一般可以看見二極管、三極管、五極管之別；而管子根本的重心就在這個”極”上。

二級管並沒有放大的作用，就略之不談。一般來說，真空管具有三個最基本的電極：

第一個極是「陰極(Cathode)」，有時候往往以K來代表：陰極是釋放出電子流的地方，可以是一塊金屬板或是燈絲本身。當燈絲加熱金屬板時，電子就會游離而出，散佈在真空玻璃瓶內。

第二個極是「屏極(Plate)」，也就是陽極(Anode)，吸引從陰極散發出來的電子。真空管最外層深灰色或黑色的金屬板，通常就是屏極。

第三個極乃是「柵極(Gird)」，構造如同柵欄一般，固定在陰極與屏極之間，電子流必須通過柵極來到屏極。若是在柵極之間通了電壓，就可以控制電子的流量。

又，真空管從最內層到最外層分別為：燈絲，陰極，柵極，屏極(陽極)。而此種架構的真空管具有『信號的放大作用』，始有爾後的龐大產品應用。但是，這個”放大原理”究竟怎麼來的呢？

從三極管切入來解釋”放大作用”最為清楚簡易。

首先，真空管三極管係電壓控制著電流；具體來說，乃指輸出端電流的變化值與輸入端電壓值之間的比值。而放大的根本原理就是：

“ 柵極‧陰極之間的微小電壓改變 Æ 在屏極電阻上造成大電壓的改變 “ !

真空管的運作，往往必需要使用高電壓；它與電晶體的差異，簡而言之，無妨作如此觀想：真空管是高電壓低電流的運作方式，電晶體則是低電壓高電流的運作方式。

以上算是真空管最為基本的認知。

冷戰時期1976年俄羅斯超級戰機米格25叛逃，美日發現竟然是真空管機。此件事在歷史上非常有名。

Korg係日本老牌電子樂器廠商，其合成器在市場上相當富有名氣。Korg與Noritake 伊勢電子攜力合作開發了Nutube的新世代真空管。這個產品相當有趣，Nutube係運用了”螢光顯示管”的構造，低消費電力又低發熱，可以利用電池來驅動。其造型非常小巧玲瓏，可以直接在線路板上來承載。

”螢光顯示管(vacuum fluorescent display)”過去在消費性電子以及汽車產品上使用率很高；算是” 真空螢光顯示”。有在玩日本音響的朋友，或多或少該有深刻的印象。

螢光顯示管，係日商伊勢電子工業(今之Noritake 伊勢電子)於1966年所開發的電子元件，其動作原理其實就是活用了３極真空管，利用低速電子線來讓螢光體發光。低驅動電壓、低消耗電力卻具有高亮度，十分美觀。

它一樣具有燈絲(filament)、柵極(grid)以及陽極(anode)。只要供給燈絲所規定的電壓，讓陰極的溫度達到攝氏600℃左右，就會釋放射出熱電子。柵極係由不鏽鋼等的薄板以蝕刻方法所製成的金屬網格。在柵極加入正電壓後，可以加速並擴散燈絲所放射出來的電子，將其導向陽極端；相反地，如果加入負電壓，則能阻擋游向陽極的電子。而陽極是在形成圖案的黑鉛等導體上，以顯示圖案的形狀印刷的螢光體，當加入正電壓後，因柵極的作用而加速，擴散的電子將會互相衝擊而激發螢光體，使之發光。這就是螢光顯示管的原理。

因此，不難體會螢光顯示管其實就是完全運用了3極真空管的原理來造出來的元件。如今，工程人員又回過頭來思考，腦力激盪思考利用螢光顯示管是不是可以作出真空管呢？於是乎，Korg與Noritake 伊勢電子，完成了這個令人驚訝的新元件。讓喜歡真空管元件的朋友，有了新的選項，在組裝時不知省下了多少布線的麻煩。

直接來說，Nutube係直熱型的双三極管(twin triode)；比較明顯的差異該是正電壓的偏壓。在小型的玻璃管、其内部具有直熱構造；若與傳統的真空管來比較，消費電力少了非常多，也可以抑制熱量的產生，而且產品壽命也非常久。

由於有漂亮的電氣參數，Nutube結合了”薄膜技術”、 ”厚薄技術”以及”真空技術”來實現傳統真空管難以實現的簡易方便性；線路結構與布局也簡化了不少。低電壓驅動(5V就能夠驅動)，低消耗電力(每通道12mW)，耗熱量僅有傳統真空管的約略2%，體積至少減少三成以上。

若是來看當地日本人的實際製作心得。當然，最為基本的應用就是”耳機擴大機”這個產品；簡稱為耳擴。即使沒有使用專用的電路板，利用市售的萬用板之配線還是依然十分清爽。當然，線路設計的簡潔是一大功勞。

真空管思維，也在美國發生。

回想1940/1950年代的運算，是以真空管為主。世界上第一台通用電腦ENIAC就至少用了17468個真空管。後來半導體MOSFET躍上檯面成為新霸主，半個世紀以來，除了音響之外，很少回頭。

美國太空總署NASA的研究中心，於2014年發表了『真空晶體管(vacuum transistor)』。無妨觀想為”奈米級真空管”就錯不了。

NASA 這幾年致力於”真空溝道晶體管(vacuum-channel transistors)”的研究，發現該元件表現非凡。真空溝道晶體管的工作速度可以是普通矽晶體的10倍，並且最終能夠在太赫頻帶(terahertz)下動作。而NASA工程師認為結合傳統真空管技術和現代半導體製造技術，也是取代MOSFET的候選。

其實可以用底下這句話來傳神表達真空通道晶體管。那就是：

“ 真空管 的 晶體化 呈現” !!!

太赫(Tera Hertz)頻帶，對於危險物質的感測或是高速資料通信，是絕佳的選項；對於軍事國防用途，也相當看好。日本對於這方面的研究也頗有成果，比如說，NEC的太赫頻帶攝影機。

美國國防部屬下的一個行政機構DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)，基極開發真空電子科學與技術，也開發出太赫真空放大器元件。誠如DARPA的人所說：

『真空管將視野帶回到傳統電子元件，但這不是你祖父母時代的”電視機”』。

時代在變，昔日老觀念也跟著改變。也許，無論半導體的奈米電子學再如何進步，”真空管電子學”還是有存在的空間。說不定有朝一日，會是工程人必修的科目呢。