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(hào)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(hào)電流在放大過程中產(chǎn)生了失真，而聲失真是信號(hào)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(hào)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(hào)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(duì)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(hào)產(chǎn)生許多新的諧波成分，疊加在原信號(hào)上，形成了波形失真的信號(hào)。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(hào)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(hào)就是輸入信號(hào)，所有諧波信號(hào)為由非線性失真引入的各次諧波信號(hào)。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(jí)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(shí)，人耳就很難分辨了。另需說明的是，對(duì)于一臺(tái)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(shí)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(shí)，一般都會(huì)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(shí)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(duì)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(duì)偶次諧波不敏感。此外，人耳對(duì)偶次諧波失真分辨力較低，對(duì)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(duì)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(chǔ)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(hào)通過放大器后或揚(yáng)聲器發(fā)聲時(shí)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(hào)，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(gè)振幅按一定比例（多取4:1）的高低頻信號(hào)，混合進(jìn)入電路，新產(chǎn)生的非線性信號(hào)的均方根值與原較高頻率信號(hào)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(hào)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(hào)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(huì)使整個(gè)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(gè)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(hào)；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(gè)重要指標(biāo)，它反映了功放電路對(duì)瞬態(tài)躍變信號(hào)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(hào)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(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作跟不上瞬變電信號(hào)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(hào)時(shí)，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(jí)不能及時(shí)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(jí)瞬間過載，此時(shí)的輸入電壓比正常時(shí)要高出好幾十倍，導(dǎo)致輸入級(jí)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(jí)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(dòng)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(hào)電平附近的時(shí)間變化率最大，會(huì)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(xiàng)動(dòng)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)祝藗儗?duì)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(jí)采用ｆT大于100MHz的管子，末級(jí)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(jí)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(jí)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(duì)稱電路，提高功率輸出級(jí)的工作電流，并在輸出級(jí)前增設(shè)緩沖放大級(jí)，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(jí)的靜態(tài)電流，增大其動(dòng)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(hào)，防止高頻干擾信號(hào)導(dǎo)致輸入級(jí)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(duì)猝發(fā)聲信號(hào)或脈沖信號(hào)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(hào)的變化跟不上輸入信號(hào)的迅速變化而引起的。如果給放大器輸入一個(gè)足夠大的脈沖信號(hào)時(shí)，其電壓的最大變化速率應(yīng)是電壓上升值與所需時(shí)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(duì)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(jí)電路的SR值不應(yīng)高于后級(jí)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(hào)，作為輸入信號(hào)，其輸出信號(hào)波形前沿上升至額定值所需時(shí)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(hào)，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(dòng)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(jí)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(huì)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(duì)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(hào)幅度越小，失真越嚴(yán)重。削波失真是功放管動(dòng)態(tài)范圍不夠，由飽和導(dǎo)通引起大信號(hào)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(dòng)，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。