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技術(shù)分享:音頻功放失真及常見(jiàn)改善方法

  • 發(fā)布時(shí)間:2024-06-26
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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(lèi)。電失真就是信號電流在放大過(guò)程中產(chǎn)生了失真,而聲失真是信號電流通過(guò)揚聲器,揚聲器未能如實(shí)地重現聲音。

無(wú)論是電失真還是聲失真,按失真的性質(zhì)來(lái)分,主要有頻率失真和非線(xiàn)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,僅出現波形失真,不增加新的頻率成分,屬于線(xiàn)性失真。而諧波失真(THD)、互調失真(IMD)等可產(chǎn)生新的頻率成分,或各頻率分量的調制產(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(xiàn)性失真。在這里,我們分別對諧波失真、互調失真、瞬態(tài)互調失真(TIM)、交流接口失真(IHM)等加以討論。

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1.諧波失真

諧波失真是由功放中的非線(xiàn)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(lái),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(lái)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(xiàn)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(yōu)質(zhì)功放的諧波失真已小于0.01%,而專(zhuān)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,當總諧波失真度小于0.1%時(shí),人耳就很難分辨了。另需說(shuō)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T(mén)HD<0.009%(1W)。初看起來(lái),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(shí),一般都會(huì )注明測量條件。

眾所周知,人的聽(tīng)覺(jué)系統是極其復雜的,有時(shí)諧波失真小的功放不如諧波失真大的耐聽(tīng),這種現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。盡管石機與膽機的穩態(tài)測試數據相同,但人們總覺(jué)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(tīng);石機則低頻強勁有力,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,石機含有大量的奇次諧波,奇次諧波給人耳造成刺耳難聽(tīng)的感覺(jué);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(xiàn)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(lèi)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.互調失真

兩種或多種不同頻率的信號通過(guò)放大器后或揚聲器發(fā)聲時(shí)互相調制而產(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成的非線(xiàn)性失真稱(chēng)為互調失真。通常,將兩個(gè)振幅按一定比例(多取4:1)的高低頻信號,混合進(jìn)入電路,新產(chǎn)生的非線(xiàn)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(lái)量度互調失真,即互調失真的大小,可用互調產(chǎn)物電平與額定信號電平的百分比來(lái)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(guān)。由于新產(chǎn)生的這些頻率成分與原信號沒(méi)有相似性,因而較小的互調失真也很容易被人耳覺(jué)察到,聽(tīng)起來(lái)感到又尖、又刺耳,且伴有“聲染色”現象。也就是說(shuō),互調失真帶來(lái)的影響,會(huì )使整個(gè)重放系統的聲場(chǎng)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(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(gè)原因。

減小互調失真的方法,常見(jiàn)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(xiàn)性好的管子或電路結構。

3.瞬態(tài)失真

瞬態(tài)失真是現代聲學(xué)的一個(gè)重要指標,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(chēng)為瞬態(tài)反映。發(fā)生瞬態(tài)失真的高保真系統,輸出的音樂(lè )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)電路內電抗元器件的作用過(guò)大,頻率范圍不夠寬;2)揚聲器振動(dòng)系統的動(dòng)作跟不上瞬變電信號的變化。

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

A.瞬態(tài)互調失真

在輸入脈沖性瞬態(tài)信號時(shí),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(shí)獲得應有的負反饋,放大器在這一瞬間處于開(kāi)環(huán)狀態(tài),使輸入級瞬間過(guò)載,此時(shí)的輸入電壓比正常時(shí)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(chēng)為瞬態(tài)互調失真。它實(shí)質(zhì)上是一種瞬態(tài)過(guò)載現象。

由于膽機抗過(guò)載能力強,放大倍數低,沒(méi)有深度級間負反饋,僅有一些局部負反饋,因而不易產(chǎn)生瞬態(tài)互調失真。而一般石機都采用了大環(huán)路深度負反饋網(wǎng)絡(luò )來(lái)滿(mǎn)足低失真、寬頻帶的要求??梢?jiàn),瞬態(tài)互調失真主要發(fā)生在石機中。此外,音量大、頻率高、動(dòng)態(tài)范圍大的節目源最容易產(chǎn)生瞬態(tài)互調失真。原因在于:音樂(lè )在零信號電平附近的時(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,往往出現在高頻部分,產(chǎn)生尖硬、刺耳的感覺(jué),即所謂的“晶體管聲”和“金屬聲”。

瞬態(tài)互調失真是在20世紀70年代提出來(lái)的一項動(dòng)態(tài)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(zhì),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(kāi)環(huán)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(kāi)環(huán)頻響,并加大各級自身的電流負反饋,取消大環(huán)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(huán)路負反饋,其目的之一便在于此;3)采用全互補對稱(chēng)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(tài)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(huán)路反饋電阻上并聯(lián)一只適當容量的小電容;5)適當加大輸入級的靜態(tài)電流,增大其動(dòng)態(tài)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(guò)載。

B.轉換速率過(guò)低引起的失真

轉換速率指音頻設備對猝發(fā)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(tài)應變能力的重要參數。轉換速率過(guò)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(gè)足夠大的脈沖信號時(shí),其電壓的最大變化速率應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(xiě)成數字表達式為SR=V/μs。SR對高保真功放來(lái)說(shuō),它直接影響放大器的瞬態(tài)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(tīng)感佳,重放流行音樂(lè )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(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(guò)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(tài)互調失真。順便多說(shuō)幾句,功放的SR可用示波器來(lái)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(shí)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。

4.交流接口失真

交流接口失真是由揚聲器的反電動(dòng)勢通過(guò)線(xiàn)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(tài)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?jì)?yōu)質(zhì)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(lián)小容量CBB電容。

此外,由于電路直流工作點(diǎn)選擇不當或元器件質(zhì)量不高,還會(huì )出現另一些非線(xiàn)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(chēng)為交越失真,它是對推挽功放而言的,主要由乙類(lèi)推挽功放中的功率管起始導通非線(xiàn)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(xiàn)性失真,且信號幅度越小,失真越嚴重。削波失真是功放管動(dòng)態(tài)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(chǎn)生了大量超聲波,使聲音變得模糊而抖動(dòng),聽(tīng)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(diǎn);而改善削波失真的措施,一般是適當加大電路的線(xiàn)性工作范圍。

由于放大器件本身具有極間電容,以及放大電路中有時(shí)存在電抗性元件,所以,當輸入不同頻率信號時(shí),電路的放大倍數將成為頻率的函數,這個(gè)特性就是頻率特性或者頻率響應。分為幅頻特性和相頻特性。 改變頻響曲線(xiàn)就是改變其幅度和相位響應,可以通過(guò)外加RC,LC網(wǎng)絡(luò )來(lái)改變其幅頻特性和相頻特性。