淺析聲頻功率放大器的非線性失真

陳萍

摘要：本文簡(jiǎn)述了聲系統(tǒng)的非線性失真，并以聲頻功率放大器為例，對(duì)其總諧波失真和互調(diào)失真產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析；同時(shí)列舉了幾個(gè)聲頻功率放大器在不同頻率、功率下的總諧波失真。

關(guān)鍵詞：聲頻功率放大器；幅度非線性；總諧波失真；互調(diào)失真

1概述

在聲系統(tǒng)或聲系統(tǒng)設(shè)備的輸出端出現(xiàn)輸入信號(hào)中不存在、但與輸入信號(hào)特性有關(guān)的頻率的現(xiàn)象，這就是幅度非線性（amplitude nonlinearity）。通俗地講，就是在重放音頻信號(hào)時(shí)，波形會(huì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。非線性失真的本質(zhì)，就是產(chǎn)生的新的頻率分量，其原因和種類有很多，但都是由元器件的非線性影響造成的，一般常有的評(píng)價(jià)方法，包括總諧波失真（total harmonic distortion）、噪聲諧波失真（noise harmonic distortion）、互調(diào)失真（inter modulation distortion）、噪聲互調(diào)失真（noise inter modulation distortion）、調(diào)制失真（modulation distortion）、差頻失真（differencefrequency distortion）和計(jì)權(quán)總諧波失真（weighted total harmonic distortion）等。聲頻功率放大器（audio power amplifier），下簡(jiǎn)稱“功放”，是指在給定失真條件下，能產(chǎn)生最大功率輸出以驅(qū)動(dòng)某一負(fù)載（例如揚(yáng)聲器）的放大器。功放在整個(gè)聲系統(tǒng)中起到了“組織、協(xié)調(diào)”的樞紐作用，在某種程度上主宰著整個(gè)系統(tǒng)能否提供良好的音質(zhì)輸出。從2011年開始，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)陸續(xù)推出了GB/T12060《聲系統(tǒng)設(shè)備》系列標(biāo)準(zhǔn)，等同采用國(guó)際電工委員會(huì)IEC 20608標(biāo)準(zhǔn)，其中對(duì)功放的測(cè)量方法也進(jìn)行了重新修訂。本文重點(diǎn)對(duì)功放的總諧波失真和互調(diào)失真進(jìn)行分析。

2總諧波失真（THD）

聲系統(tǒng)在工作過(guò)程中，由于產(chǎn)生諧振現(xiàn)象而導(dǎo)致重放聲音時(shí)出現(xiàn)失真，這就是諧波失真。專業(yè)地講，諧波失真是指輸入信號(hào)為正弦信號(hào)時(shí)，用輸出信號(hào)中的諧波信號(hào)與總輸出信號(hào)之比表示的幅度非線性。盡管聲系統(tǒng)中只有基頻信號(hào)才是聲音的原始信號(hào)，但由于不可避免地會(huì)出現(xiàn)諧振現(xiàn)象，會(huì)在原始聲波的基礎(chǔ)上生成二次、三次甚至多次諧波，這樣在聲音信號(hào)中不再只有基頻信號(hào)，而是還包括由諧波及其倍頻成分，這些倍頻信號(hào)將導(dǎo)致聲系統(tǒng)在工作時(shí)產(chǎn)生諧波失真。

對(duì)于普通聲系統(tǒng)允許一定諧波信號(hào)成分存在，但必須是以對(duì)聲音基頻信號(hào)輸出不產(chǎn)生大的影響為前提條件。而總諧波失真是指總諧波失真是輸出信號(hào)的失真成份的有效值與總輸出信號(hào)的有效值之比表示的諧波失真，也就是說(shuō)用信號(hào)源輸入時(shí)，輸出信號(hào)（諧波及其倍頻成分）比輸入信號(hào)多出的額外諧波成分，通常用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。總諧波失真是功放的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，總諧波失真在1%以下，一般耳朵分辨不出來(lái)，超過(guò)10%就可以明顯聽(tīng)出失真的成分。從人耳的聽(tīng)覺(jué)機(jī)理分析，人耳只能區(qū)分的六次～七次諧波，對(duì)六次以上的諧波很難在感覺(jué)上將它們彼此分開，因?yàn)榈搅我院蟮闹C波，相鄰的兩個(gè)諧波落在人耳的基底膜上的兩個(gè)對(duì)應(yīng)區(qū)域已相互靠近，并覆蓋在一個(gè)臨界帶以內(nèi)，很難在感覺(jué)上將它們彼此分開。但高次諧波對(duì)音質(zhì)的影響不可忽視，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)異常噪音大多來(lái)自高次諧波。

總諧波失真的數(shù)值越小，音色就越純凈，產(chǎn)品的品質(zhì)越高。一般說(shuō)來(lái)，由于1kHz頻率處的總諧波失真最小，因此不少功放產(chǎn)品均以該頻率處的總諧波失真作為它的指標(biāo)。

但總諧波失真與頻率有關(guān)，應(yīng)該在20Hz～20kHz的全音頻范圍內(nèi)測(cè)出。在電子工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)SJ/T 104061993《聲頻功率放大器通用技術(shù)條件》中，在不同頻率下對(duì)總諧波失真有不同的要求，見(jiàn)表1。

在不同頻率和輸出電壓時(shí)，會(huì)有不同的總諧波失真。表2列舉了用SYS-2722音頻分析儀測(cè)得的6臺(tái)功放產(chǎn)品的總諧波失真，分別在額定條件、1/100額定輸出功率條件下以及80Hz、1kHz、80kHz三種頻率進(jìn)行檢測(cè)。這6臺(tái)功放功率不一，質(zhì)量也不盡相同，但共同點(diǎn)是在額定條件下、頻率為1kHz時(shí)測(cè)得的總諧波失真最小，但是一臺(tái)好的功放，在不同頻率、功率下的諧波失真都較小，如5#、6#樣品。

3互調(diào)失真（IMD）

由于測(cè)量總諧波失真的信號(hào)源是單一的正弦波，不能反映出功放的全貌。實(shí)際的音樂(lè)信號(hào)是各種速率不同的復(fù)合波，其中包括速率轉(zhuǎn)換、瞬態(tài)響應(yīng)等動(dòng)態(tài)指標(biāo)，故高質(zhì)量的功放有時(shí)還應(yīng)考慮互調(diào)失真、瞬態(tài)失真、瞬態(tài)互調(diào)失真等參數(shù)。如果瞬態(tài)失真過(guò)大，則清脆的樂(lè)音將變得含混不清；瞬態(tài)互調(diào)失真過(guò)大，則聲音呆滯、生硬、無(wú)臨場(chǎng)感；反之，則聲音圓滑、細(xì)膩、自然。

互調(diào)失真也是非線性的一種，系指由放大器所引入的一種輸入信號(hào)的和及差的失真，當(dāng)輸入基頻為f1、f2……的正弦信號(hào)，用頻率為p f1+q f2+……（其中p、q為正、負(fù)整數(shù)）的輸出信號(hào)與總輸出信號(hào)之比的幅度非線性?；フ{(diào)失真是來(lái)自于兩個(gè)頻率f1與f2，在f1+ f2與f1- f2（取絕對(duì)值）之間所產(chǎn)生的諧波，測(cè)量這些位置的諧波大小，就是互調(diào)失真。例如，在給放大器輸入頻率為1kHz和5kHz的混合信號(hào)后，便會(huì)產(chǎn)生6kHz（1kHz和5kHz之和）及4kHz（1kHz和5kHz之差）的互調(diào)失真成份。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)不同頻率的信號(hào)同時(shí)被放大時(shí)，在非線性作用下，每個(gè)不同頻率的信號(hào)就會(huì)自動(dòng)相加和相減，產(chǎn)生出兩個(gè)在原信號(hào)中沒(méi)有的額外信號(hào)，如果原信號(hào)有3個(gè)不同頻率，就會(huì)產(chǎn)生6個(gè)額外信號(hào)，依此類推，當(dāng)輸入信號(hào)是復(fù)雜的多頻率信號(hào)，如管弦樂(lè)時(shí)，由互調(diào)失真所產(chǎn)生的額外信號(hào)數(shù)量就相當(dāng)驚人了。

雖然互調(diào)失真和諧波失真同樣是由放大器的非線性引起，但它們實(shí)際上是不盡相同的，諧波失真是對(duì)原訊號(hào)波形的扭曲，即使是單一頻率訊號(hào)通過(guò)放大線路也會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象，而互調(diào)失真卻是不同頻率之間的互相干擾和影響。測(cè)量互調(diào)失真比測(cè)量諧波失真更為復(fù)雜，要輸入兩個(gè)激勵(lì)信號(hào)，一個(gè)正弦信號(hào)，一個(gè)方波信號(hào)，兩者的峰峰電壓比固定在1∶4，相當(dāng)于有效值幅度比為1∶1.566，正弦波有效值和方波峰峰值之比為1∶11.3，通過(guò)互調(diào)失真儀，讀取互調(diào)失真值。也可采用兩個(gè)正弦波作為激勵(lì)信號(hào)來(lái)進(jìn)行互調(diào)失真的測(cè)量一個(gè)是低頻率高幅度信號(hào)，另一個(gè)是高頻率信號(hào)但幅度是低頻率信號(hào)的四分之一。目前用音頻分析能比較方便地測(cè)量這一指標(biāo)。

互調(diào)失真也是功放的一個(gè)重要指標(biāo)，目前國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)備對(duì)互調(diào)失真有檢測(cè)要求，但對(duì)其具體指標(biāo)僅是“由產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定”。過(guò)去由于測(cè)試儀器不夠先進(jìn)，加之標(biāo)準(zhǔn)不明確，很多功放產(chǎn)品的技術(shù)要求中都回避了這個(gè)指標(biāo)。事實(shí)上，功放的互調(diào)失真和總諧波失真一樣可以做得很小，兩者數(shù)據(jù)也比較接近。

4結(jié)束語(yǔ)

功放的非線性失真是客觀存在的，存在于聲系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，無(wú)論采取何種技術(shù)措施，想要完全消除它是不可能的，可以通過(guò)自適應(yīng)補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)對(duì)非線性失真進(jìn)行抑制，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合選擇合適的產(chǎn)品。所謂“世界上失真最低的放大器”、“徹底解決音箱互調(diào)失真”等宣傳都是一種誤導(dǎo)。如何解決聲音系統(tǒng)的非線性失真，對(duì)整個(gè)行業(yè)來(lái)說(shuō)任重而道遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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[3] SJ/T 104061993聲頻功率放大器通用技術(shù)條件.

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[6] 互調(diào)失真.百度百科：http：∥baike.baidu.com/view/1308453.htm 2013417.