音頻功放失真及常見改善方法

頻功放失真是指重放音頻信號波形畸變的現(xiàn)象，通常分為電失真和聲失真兩大類。電失真就是信號電流在放大過程中產(chǎn)生了失真，而聲失真是信號電流通過揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器未能如實(shí)地重現(xiàn)聲音。

無論是電失真還是聲失真，按失真的性質(zhì)來分，主要有頻率失真和非線性失真兩種。其中，引起信號各頻率分量間幅度和相位的關(guān)系變化，僅出現(xiàn)波形失真，不增加新的頻率成分，屬于線性失真。而諧波失真（THD）、互調(diào)失真（IMD）等可產(chǎn)生新的頻率成分，或各頻率分量的調(diào)制產(chǎn)物，這些多余產(chǎn)物與原信號極不和諧，引起聲音畸變，粗糙刺耳，這些失真屬于非線性失真。在這里，我們分別對諧波失真、互調(diào)失真、瞬態(tài)互調(diào)失真（TIM）、交流接口失真（IHM）等加以討論。

１．諧波失真

諧波失真是由功放中的非線性元器件引起的一種失真。這種失真使音頻信號產(chǎn)生許多新的諧波成分，疊加在原信號上，形成了波形失真的信號。將各諧波引起的失真疊加起來，就是總諧波失真度，其值常用輸出信號中的所有諧波均方根值與基波電壓有效值之比的百分?jǐn)?shù)來表示。在這里，基波信號就是輸入信號，所有諧波信號為由非線性失真引入的各次諧波信號。顯然，該百分?jǐn)?shù)越小，諧波失真越小，電路性能越好。目前，Ｈｉ－Ｆｉ功放的諧波失真一般控制在0.05%以下，許多優(yōu)質(zhì)功放的諧波失真已小于0.01%，而專業(yè)級音頻功放的諧波失真度一般控制在0.03%以下。事實(shí)上，當(dāng)總諧波失真度小于0.1%時，人耳就很難分辨了。另需說明的是，對于一臺指定的音頻功放而言，例如，某音頻功放的總諧波失真指標(biāo)表示為THD<0.009%(1W)。初看起來，似乎總諧波失真很小，但它只是在輸出功率為1W時的總諧波失真，這與在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的測量條件下所得的總諧波失真值是不同的。所以，在標(biāo)明音頻功放的總諧波失真指標(biāo)時，一般都會注明測量條件。

眾所周知，人的聽覺系統(tǒng)是極其復(fù)雜的，有時諧波失真小的功放不如諧波失真大的耐聽，這種現(xiàn)象的原因是多方面的。其中，與各次諧波成分對音質(zhì)的影響程度不同有直接關(guān)系。盡管石機(jī)與膽機(jī)的穩(wěn)態(tài)測試數(shù)據(jù)相同，但人們總覺得膽機(jī)的低音醇厚激蕩、中音明亮圓潤、高音纖細(xì)清澈，極為耐聽；石機(jī)則低頻強(qiáng)勁有力，中高頻通透明亮，但高頻發(fā)毛，聲音生硬，音色偏冷。經(jīng)頻譜分析發(fā)現(xiàn)，石機(jī)含有大量的奇次諧波，奇次諧波給人耳造成刺耳難聽的感覺；膽機(jī)則含有豐富的偶次諧波，而人耳對偶次諧波不敏感。此外，人耳對偶次諧波失真分辨力較低，對高次諧波卻非常敏感，這也是上述現(xiàn)象的重要原因之一。

降低諧波失真的辦法主要有：

1)施加適量的電壓負(fù)反饋或電流負(fù)反饋；2)選用ｆT高、NF小、線性好的放大元器件；3)盡可能地提高各單元電路中對管的一致性；4)采用甲類放大方式，選用優(yōu)秀的電路程式；5)提高電源的功率儲備，改善電源的濾波性能。

2．互調(diào)失真

兩種或多種不同頻率的信號通過放大器后或揚(yáng)聲器發(fā)聲時互相調(diào)制而產(chǎn)生了和頻與差頻以及各次諧波組合產(chǎn)生了和頻與差頻信號，這些新增加的頻率成分構(gòu)成的非線性失真稱為互調(diào)失真。通常，將兩個振幅按一定比例（多取4:1）的高低頻信號，混合進(jìn)入電路，新產(chǎn)生的非線性信號的均方根值與原較高頻率信號的振幅之比的百分?jǐn)?shù)來量度互調(diào)失真，即互調(diào)失真的大小，可用互調(diào)產(chǎn)物電平與額定信號電平的百分比來表示。此值越大，互調(diào)失真越大。顯然，互調(diào)失真度的大小與輸出功率有關(guān)。由于新產(chǎn)生的這些頻率成分與原信號沒有相似性，因而較小的互調(diào)失真也很容易被人耳覺察到，聽起來感到又尖、又刺耳，且伴有“聲染色”現(xiàn)象。也就是說，互調(diào)失真帶來的影響，會使整個重放系統(tǒng)的聲場缺乏層次感，清晰度下降。在Hi-Fi功放中，總希望互調(diào)失真度越小越好，要做到這一點(diǎn)是非常困難的，因而高保真功放要求該值小于0.1%即可。當(dāng)然，石機(jī)與膽機(jī)相比，前者的互調(diào)失真要大一些，這也是為什么石機(jī)的音色不及膽機(jī)甜美的一個原因。
減小互調(diào)失真的方法，常見的有：

1)采用電子分頻方式，限制放大電路或揚(yáng)聲器的工作帶寬；2)在音頻功放的輸入端增設(shè)高通濾波器，消除次低頻信號；3)選用線性好的管子或電路結(jié)構(gòu)。

3．瞬態(tài)失真

瞬態(tài)失真是現(xiàn)代聲學(xué)的一個重要指標(biāo)，它反映了功放電路對瞬態(tài)躍變信號的保持跟蹤能力，故又稱為瞬態(tài)反映。發(fā)生瞬態(tài)失真的高保真系統(tǒng)，輸出的音樂信號缺少層次感和透明度。一般地，發(fā)生瞬態(tài)失真的原因有：

1)電路內(nèi)電抗元器件的作用過大，頻率范圍不夠?qū)挘?)揚(yáng)聲器振動系統(tǒng)的動作跟不上瞬變電信號的變化。

瞬態(tài)失真的主要表現(xiàn)形式有兩種，即瞬態(tài)互調(diào)失真和轉(zhuǎn)換速率(SR)過低引起的失真。

A.瞬態(tài)互調(diào)失真

在輸入脈沖性瞬態(tài)信號時，因電路中電容（如滯后補(bǔ)償電容、管子極間電容等）的存在使輸出端不能立即得到應(yīng)有的輸出電壓（即相位滯后）而使輸入級不能及時獲得應(yīng)有的負(fù)反饋，放大器在這一瞬間處于開環(huán)狀態(tài)，使輸入級瞬間過載，此時的輸入電壓比正常時要高出好幾十倍，導(dǎo)致輸入級瞬間的嚴(yán)重削波，這一削波失真稱為瞬態(tài)互調(diào)失真。它實(shí)質(zhì)上是一種瞬態(tài)過載現(xiàn)象。

由于膽機(jī)抗過載能力強(qiáng)，放大倍數(shù)低，沒有深度級間負(fù)反饋，僅有一些局部負(fù)反饋，因而不易產(chǎn)生瞬態(tài)互調(diào)失真。而一般石機(jī)都采用了大環(huán)路深度負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)來滿足低失真、寬頻帶的要求?？梢?，瞬態(tài)互調(diào)失真主要發(fā)生在石機(jī)中。此外，音量大、頻率高、動態(tài)范圍大的節(jié)目源最容易產(chǎn)生瞬態(tài)互調(diào)失真。原因在于：音樂在零信號電平附近的時間變化率最大，會使聲音變得不完全清晰，特別是中低檔石機(jī)，往往出現(xiàn)在高頻部分，產(chǎn)生尖硬、刺耳的感覺，即所謂的“晶體管聲”和“金屬聲”。

瞬態(tài)互調(diào)失真是在20世紀(jì)70年代提出來的一項動態(tài)指標(biāo)，主要由音頻功放內(nèi)部的深度負(fù)反饋引起的。被公認(rèn)為是影響石機(jī)音質(zhì)，導(dǎo)致“晶體管聲”和“金屬聲”的罪魁禍?zhǔn)?，人們對此極為重視。改善ＴＩＭ可從其形成機(jī)理入手，常采用的方法有：

1)將放大器的開環(huán)增益和負(fù)反饋量分別控制在50dB和20dB左右；

2)選用高ｆT的管子，前級采用ｆT大于100MHz的管子，末級功率管的ｆT應(yīng)大于20MHz，盡量拓寬電路的開環(huán)頻響，并加大各級自身的電流負(fù)反饋，取消大環(huán)路負(fù)反饋。目前有部分功放（如鐘聲JA-100）的末級擴(kuò)流電路不介入環(huán)路負(fù)反饋，其目的之一便在于此；

3)采用全互補(bǔ)對稱電路，提高功率輸出級的工作電流，并在輸出級前增設(shè)緩沖放大級，改善電路的瞬態(tài)響應(yīng)；

4)取消相位滯后電容，改滯后補(bǔ)償為超前補(bǔ)償，即不用滯后補(bǔ)償電容，而在大環(huán)路反饋電阻上并聯(lián)一只適當(dāng)容量的小電容；

5)適當(dāng)加大輸入級的靜態(tài)電流，增大其動態(tài)范圍，并在其輸入電路中設(shè)置低通濾波器，消除80kHz以上的高頻雜波信號，防止高頻干擾信號導(dǎo)致輸入級瞬間過載。

B.轉(zhuǎn)換速率過低引起的失真

轉(zhuǎn)換速率指音頻設(shè)備對猝發(fā)聲信號或脈沖信號的跟蹤或反應(yīng)能力，是反映功放電路瞬態(tài)應(yīng)變能力的重要參數(shù)。轉(zhuǎn)換速率過低引起的瞬態(tài)失真是由于放大器輸出信號的變化跟不上輸入信號的迅速變化而引起的。如果給放大器輸入一個足夠大的脈沖信號時，其電壓的最大變化速率應(yīng)是電壓上升值與所需時間之比，單位是每秒上升多少伏，寫成數(shù)字表達(dá)式為SR=V/μｓ。SR對高保真功放來說，它直接影響放大器的瞬態(tài)響應(yīng)和反應(yīng)速度，SR值高的功放，解析力、層次感及定位感都好，聽感佳，重放流行音樂更是如此。SR數(shù)值的大小與功放的輸出電壓和輸出高頻截止頻率等有關(guān)，輸出功率大的，SR值就大；高頻截止頻率高的，SR值也大，優(yōu)質(zhì)功放的SR值可達(dá)100V/μｓ。為了提高功放的SR值，通常采用超高速、低噪聲的管子，但SR值過高，易使電路自激，穩(wěn)定性變差。此外，前級電路的SR值不應(yīng)高于后級電路，否則易引起瞬態(tài)互調(diào)失真。順便多說幾句，功放的SR可用示波器來估測，方法是先給音頻功放饋送一方波信號，作為輸入信號，其輸出信號波形前沿上升至額定值所需時間，所得的結(jié)果用V/μｓ表示便是轉(zhuǎn)換速率的大小。顯然，如果音頻功放能夠很好地處理方波信號，那就表明它具有很好的轉(zhuǎn)換速率和較寬的頻率特性。

4．交流接口失真

交流接口失真是由揚(yáng)聲器的反電動勢通過線路反饋到電路而引起的。改善這種失真的方法有：1)減少電路級數(shù)，適當(dāng)加大電路的靜態(tài)工作電流；2)選擇適合的揚(yáng)聲器，使阻尼系數(shù)更趨合理；3)采用大容量優(yōu)質(zhì)電源變壓器，并適當(dāng)提高濾波電容的容量，在濾波電容上并聯(lián)小容量ＣＢＢ電容。

此外，由于電路直流工作點(diǎn)選擇不當(dāng)或元器件質(zhì)量不高，還會出現(xiàn)另一些非線性失真，諸如交叉失真和削波失真，它們均可以引起諧波失真和互調(diào)失真。交叉失真又稱為交越失真，它是對推挽功放而言的，主要由乙類推挽功放中的功率管起始導(dǎo)通非線性而引起的，特別是在小電流的情況下，其輸出電流在交界處產(chǎn)生非線性失真，且信號幅度越小，失真越嚴(yán)重。削波失真是功放管動態(tài)范圍不夠，由飽和導(dǎo)通引起大信號被限幅削波而造成的，削波失真產(chǎn)生了大量超聲波，使聲音變得模糊而抖動，聽久了使人頭痛。減小交叉失真常用的方法，是適當(dāng)提高推挽輸出管的直流工作點(diǎn)；而改善削波失真的措施，一般是適當(dāng)加大電路的線性工作范圍。