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音頻功放失真及改善方法
發布日期:2020-6-4   點擊次數:

  音頻功放失真是指重放音頻信號波形畸變的現象,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生了失真,而聲失真是信號電流通過揚聲器,揚聲器未能如實地重現聲音。

  無論是電失真還是聲失真,按失真的性質來分,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系變化,僅出現波形失真,不增加新的頻率成分,屬于線性失真。而諧波失真(THD)、互調失真(IMD)等可產生新的頻率成分,或各頻率分量的調制產物,這些多余產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、互調失真、瞬態互調失真(TIM)、交流接口失真(IHM)等加以討論。


  

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  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數來表示。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,該百分數越小,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,許多優質功放的諧波失真已小于0.01%,而專業級音頻功放的諧波失真度一般控制在0.03%以下。事實上,當總諧波失真度小于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,這與在有關標準要求的測量條件下所得的總諧波失真值是不同的。所以,在標明音頻功放的總諧波失真指標時,一般都會注明測量條件。

  眾所周知,人的聽覺系統是極其復雜的,有時諧波失真小的功放不如諧波失真大的耐聽,這種現象的原因是多方面的。其中,與各次諧波成分對音質的影響程度不同有直接關系。盡管石機與膽機的穩態測試數據相同,但人們總覺得膽機的低音醇厚激蕩、中音明亮圓潤、高音纖細清澈,極為耐聽;石機則低頻強勁有力,中高頻通透明亮,但高頻發毛,聲音生硬,音色偏冷。經頻譜分析發現,石機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)施加適量的電壓負反饋或電流負反饋;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。

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  互調失真

  兩種或多種不同頻率的信號通過放大器后或揚聲器發聲時互相調制而產生了和頻與差頻以及各次諧波組合產生了和頻與差頻信號,這些新增加的頻率成分構成的非線性失真稱為互調失真。通常,將兩個振幅按一定比例(多取4:1)的高低頻信號,混合進入電路,新產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數來量度互調失真,即互調失真的大小,可用互調產物電平與額定信號電平的百分比來表示。此值越大,互調失真越大。顯然,互調失真度的大小與輸出功率有關。由于新產生的這些頻率成分與原信號沒有相似性,因而較小的互調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”現象。也就是說,互調失真帶來的影響,會使整個重放系統的聲場缺乏層次感,清晰度下降。在Hi-Fi功放中,總希望互調失真度越小越好,要做到這一點是非常困難的,因而高保真功放要求該值小于0.1%即可。當然,石機與膽機相比,前者的互調失真要大一些,這也是為什么石機的音色不及膽機甜美的一個原因。

  減小互調失真的方法,常見的有:

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


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  瞬態失真

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

  1)電路內電抗元器件的作用過大,頻率范圍不夠寬;2)揚聲器振動系統的動作跟不上瞬變電信號的變化。

  瞬態失真的主要表現形式有兩種,即瞬態互調失真和轉換速率(SR)過低引起的失真。

  A.瞬態互調失真

  在輸入脈沖性瞬態信號時,因電路中電容(如滯后補償電容、管子極間電容等)的存在使輸出端不能立即得到應有的輸出電壓(即相位滯后)而使輸入級不能及時獲得應有的負反饋,放大器在這一瞬間處于開環狀態,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,導致輸入級瞬間的嚴重削波,這一削波失真稱為瞬態互調失真。它實質上是一種瞬態過載現象。

  由于膽機抗過載能力強,放大倍數低,沒有深度級間負反饋,僅有一些局部負反饋,因而不易產生瞬態互調失真。而一般石機都采用了大環路深度負反饋網絡來滿足低失真、寬頻帶的要求?梢,瞬態互調失真主要發生在石機中。此外,音量大、頻率高、動態范圍大的節目源最容易產生瞬態互調失真。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,往往出現在高頻部分,產生尖硬、刺耳的感覺,即所謂的“晶體管聲”和“金屬聲”。

  瞬態互調失真是在20世紀70年代提出來的一項動態指標,主要由音頻功放內部的深度負反饋引起的。被公認為是影響石機音質,導致“晶體管聲”和“金屬聲”的罪魁禍首,人們對此極為重視。改善TIM可從其形成機理入手,常采用的方法有:

  1)將放大器的開環增益和負反饋量分別控制在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應大于20MHz,盡量拓寬電路的開環頻響,并加大各級自身的電流負反饋,取消大環路負反饋。目前有部分功放(如鐘聲JA-100)的末級擴流電路不介入環路負反饋,其目的之一便在于此;

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

  4)取消相位滯后電容,改滯后補償為超前補償,即不用滯后補償電容,而在大環路反饋電阻上并聯一只適當容量的小電容;

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

  B.轉換速率過低引起的失真

  轉換速率指音頻設備對猝發聲信號或脈沖信號的跟蹤或反應能力,是反映功放電路瞬態應變能力的重要參數。轉換速率過低引起的瞬態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,寫成數字表達式為SR=V/μs。SR對高保真功放來說,它直接影響放大器的瞬態響應和反應速度,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數值的大小與功放的輸出電壓和輸出高頻截止頻率等有關,輸出功率大的,SR值就大;高頻截止頻率高的,SR值也大,優質功放的SR值可達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,穩定性變差。此外,前級電路的SR值不應高于后級電路,否則易引起瞬態互調失真。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,所得的結果用V/μs表示便是轉換速率的大小。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換速率和較寬的頻率特性。

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  交流接口失真

  交流接口失真是由揚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,適當加大電路的靜態工作電流;2)選擇適合的揚聲器,使阻尼系數更趨合理;3)采用大容量優質電源變壓器,并適當提高濾波電容的容量,在濾波電容上并聯小容量CBB電容。

  此外,由于電路直流工作點選擇不當或元器件質量不高,還會出現另一些非線性失真,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生非線性失真,且信號幅度越小,失真越嚴重。削波失真是功放管動態范圍不夠,由飽和導通引起大信號被限幅削波而造成的,削波失真產生了大量超聲波,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,是適當提高推挽輸出管的直流工作點;而改善削波失真的措施,一般是適當加大電路的線性工作范圍。

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