音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(lèi)。電失真就是信號(hào)電流在放大過(guò)程中產(chǎn)生了失真,而聲失真是信號(hào)電流通過(guò)揚(yáng)聲器,揚(yáng)聲器未能如實(shí)地重現(xiàn)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(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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(lái),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(lái)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(xiàn)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(zhuān)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(shuō)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(biāo)準(zhǔn)要求的測(cè)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(cè)量條件。
眾所周知,人的聽(tīng)覺(jué)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(tīng),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(cè)試數(shù)據(jù)相同,但人們總覺(jué)得膽機(jī)的低音醇厚激蕩、中音明亮圓潤(rùn)、高音纖細(xì)清澈,極為耐聽(tīng);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(tīng)的感覺(jué);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(xiàn)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(lèi)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.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(chēng)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(lè)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(guò)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(guò)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(kāi)環(huán)狀態(tài),使輸入級(jí)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(dǎo)致輸入級(jí)瞬間的嚴(yán)重削波,這一削波失真稱(chēng)為瞬態(tài)互調(diào)失真。它實(shí)質(zhì)上是一種瞬態(tài)過(guò)載現(xiàn)象。
由于膽機(jī)抗過(guò)載能力強(qiáng),放大倍數(shù)低,沒(méi)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(lái)滿(mǎn)足低失真、寬頻帶的要求。可見(jiàn),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(lè)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(jué),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(lái)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(kāi)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(kāi)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(chēng)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(guò)載。
B.轉(zhuǎn)換速率過(guò)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(guò)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(xiě)成數(shù)字表達(dá)式為SR=V/μs。SR對(duì)高保真功放來(lái)說(shuō),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(tīng)感佳,重放流行音樂(lè)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(guò)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(shuō)幾句,功放的SR可用示波器來(lái)估測(cè),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(shì)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(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?jī)?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(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(diào)失真。交叉失真又稱(chēng)為交越失真,它是對(duì)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(dǎo)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(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(tīng)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(xiàn)性工作范圍。