音频功放的失真的原因分析及测量

Posted 2021-11-24 “逛丢一只鞋”

文章目录

• 1　线性失真
• • 幅频响应
  • 相频响应
• 2　非线性失真
• • 交越失真
  • 削波失真
  • 瞬态响应失真
  • 界面互调失真
  • 噪声
• 3　失真的测量
• 4　小结

失真又称“畸变”，指信号在传输过程中与原有信号和标准相比所发生的偏差。在理想的放大器中，输出波形除按比例放大外，应与输入波形完全相同，但实际上，不能做到输出与输入的波形完全一样，这种现象叫失真。音频功放电路产生的的失真分为 线性失真和 非线性失真两类。

1　线性失真

线性失真分为**幅频响应（幅度—频率响应）出现错误和相频响应（相位—频率响应）**出现错误两种。产生线性失真的器件，尽管会令信号的波形形状发生改变，但不会在输出信号额外附加其它频率成分。

幅频响应

幅频响应出现错误，就是功放对于输入的同样幅度但不同频率的正弦波，会输出不同幅度的正弦波。

打个比方

输入幅度为1V RMS，频率为50Hz的正弦波，输出为10V RMS，50Hz的正弦波；

当输入幅度为1V RMS，频率为500Hz的正弦波，输出却为20V RMS，500Hz的正弦波。

对于不同频率，放大器的增益也不同，这是音频功放的通频带所决定的，音频功放的幅频响应特点可以用带通滤波器的模型来简化。

补充：

均方根值是什么意思？ RMS(root mean square)

答：均方根值也称作为效值，它的计算方法是先平方、再平均、然后开方。

比如幅度为100V而占空比为0.5的方波信号，如果按平均值计算，它的电压只有50V，而按均方根值计算则有70.71V。这是为什么呢？

举一个例子，有一组100伏的电池组，每次供电10分钟之后停10分钟，也就是说占空比为一半。
如果这组电池带动的是10Ω电阻，供电的10分钟产生10A的电流和1000W的功率，停电时电流和功率为零。
那么在20分钟的一个周期内其平均功率为500W，这相当于70.71V的直流电向10Ω电阻供电所产生的功率。
而50V直流电压向10Ω电阻供电只能产生的250W的功率。
对于电机与变压器而言，只要均方根电流不超过额定电流，既使在一定时间内过载，也不会烧坏。

只有在一定的频率范围之内的幅频响应是平直的，当输入信号频率频率低到一定程度时，开始出现滚降的拐点；当输入信号频率高到一定程度时，也开始出现滚降的拐点。

这个拐点称为**-3dB点**，因为拐点处的增益下降到-3dB，也就是说放大倍数下降到平直处的77.4%，拐点的频率称为截止频率。

对于音频功放来说，通频带不宽带来的影响就是削弱高频或低频的信号，所以音频功放必须保证在20Hz-20000Hz的频域内有平直的幅度响应。

相频响应

相频响应出现错误同样通常是由功放的通频带特性决定。在频率开始滚降的时候，相移同时出现。扬声器所用的分频器也是产生这种失真的好例子。

对于高保真功放，要求其相位失真在20-20000Hz范围内低于±5%。

2　非线性失真

非线性失真主要有晶体管的原生失真、交越失真、削波失真、瞬态响应失真以及瞬态互调失真、噪声引起的失真和界面互调失真。

晶体管产生原生失真是因为晶体管的输入输出特性本身不是一条理想的直线，所以基本的单级共射放大电路的输出信号会带有大量的偶次谐波失真。

交越失真

交越失真是由输出信号正半周和负半周不能完美对接造成的。

功放的工作方式主要有A类（我国称为甲类）、B类（我国称为乙类）、AB类（我国称为甲乙类）和D类（我国称为丁类）。可能在所有功放中有超过99%都工作于B类和D类方式。

A类功放是指在信号放大的整个过程中，作为输出器件的管子一直工作于线性区，信号的整个周期都能不间断地被放大，能够避免管子在进入截止区时产生的大量非线性失真。

B类功放是指在信号放大的过程中，正半周的信号和负半周的信号分别由两只放大管交替进行放大，放大后的信号一次送至输出。B类功放中管子的静态偏置设置为即将要导通的状态或者微导通状态，在没有信号输入时，管子截止，功耗非常小。在有信号输入时，每一只管子的导通时间刚好为50%。

AB类功放是A类与B类的结合。如果把一台B类放大器的偏置电压增大ΔU，它将以AB类方式工作，输入信号Ui低于ΔU时，两只输出管同时工作，此时为A类工作方式。当输入信号Ui大于ΔU时，在ΔU-Ui<0的时间段内，一只管子导通，另一只截止，并且在管子关断的一瞬间失真率会随着增益的突然变化而跳升。在一个周期的信号内，每个输出管会在大半时间内导通，导通时间在50%-100%之间，这取决于初始偏置和输入电平相对大小。B类功放的偏置设置不合理会造成信号在接近零点时提前截止，或严重畸变，导致两只管子在交替工作时“交接”不好，即交越失真。此外，两只推挽对管的特性不对称会使输入信号的正、负半周不对称。

削波失真

削波失真是指输出进入了功放的非线性区，造成输入电平增大（减小）到某一值后，输出电平达到最大（最小），输出电流不再受输入电流控制，而失去放大能力。

对于正弦波信号来说就会看到正半周被削顶或负半周被削底，或同时出现削顶削底。对于静态工作点设置得比较合理的功放电路，储备功率将成为决定功放放性能非常重要的因素。

现在以推动耳机的功放为例，简要分析功率储备对功放驱动能力的制约。通常听音乐时平均的声音大小为95dB，摇滚演唱会现场的音响声音会达到120dB以上，交响乐团在演奏时声音会达到130dB以上。

以阻抗为32欧姆的耳机为例，假设它的灵敏度为125dB/V,也就是当耳机两端的峰值电压达到1.44V时，能在人耳产生125dB的声压级。普通的MP3、手机等播放设备的储备功率不到10mW，驱动这样的耳机时，可以轻松达到流行音乐95dB的响度，影响音质的主要因素不是储备功率不足引起的削波失真，而是播放设备电路本身线性不良引起的各种失真。

但如果听摇滚或交响这样的大动态音乐时，功率储备就要求达到到65mW，峰值电流为45mA，峰值电压为±1.44V。这样的输出电压摆幅对于普通数码设备就非常苛刻了。试想，如果是驱动那些高阻抗的监听用耳机，要想不出现削波失真，需要功放储备峰值电压可达数伏。

瞬态响应失真

瞬态响应失真以及瞬态互调失真（Ransient Tntermodulation Distortion）是指功放对瞬态信号的跟随能力有限而产生的失真。由于功放电路中的补偿电容、寄生电容、杂散电容以及连接电感的影响，当输入信号为阶跃信号时，输出电平从零到稳定的过程需要一定时间，称为建立时间。

在小信号情况下，输出电平从稳定值的10%上升到90%所用的时间称为上升时间，它和增益带宽乘积GBP成反比，是一个常数。 当输入的阶跃信号的幅值增大时，为使输出在上升时间内完成从10%到90%的过度，输出的响应速率也会相应增大。但实际情况是输出电压上升曲线的斜率会在某一常数处饱和，这个常数称为转换速率（Slew Rate）。

上升时间和转换速率分别是在小信号和大信号条件下，显示输出变化的快慢程度，本质上是说的同一性能指标。**转换速率不足则会带来瞬态响应失真，主要表现为总谐波失真值增大。**高保真音频功放的转换速率要大于20V/s。功放通常会使用大环路的深度负反馈。

在输入高频信号时，受转换速率的限制，输出电平还处在上升沿，差分输入端得不到正确的反馈信号使放大电路处于瞬时开环状态，这会导致输入严重过载，使输出过冲，甚至进入饱和区，在瞬时开环期间输出很多输入信号中没有的互调信号成分，这就是产生瞬态互调失真的原因。

瞬态互调失真是听众们所说的“金属声”、“数码声”的主要来源。

建立时间是指，大输入阶跃响应从原点出发，一直到开始稳定在一定误差范围内所需的时间。大的转换速率并不能保证得到一个小的建立时间，因为功放在稳定的过程中可能存在由高阶复极点造成的长时间的振铃现象，建立时间决定着功放的瞬态响应性能，瞬态响应好的功放应当是信号一来就立即响应，信号一停就戛然而止，绝不拖泥带水。

打击乐器、弹拨乐器的声音中都有大量猝发信号。过长的建立时间会使猝发信号包络畸变，这种畸变就是瞬态失真。

界面互调失真

界面互调失真（Interface Intermodulation Distortion）是由扬声器工作时的阻抗非线性和音圈的反电动势造成的。

一方面，功放在输出时不能简单的等效为理想电压源，即使是引入深度负反馈，也还是会存在输出阻抗，而且输出阻抗会随着音频频率的升高而增加，因为随频率的升高，负反馈量将减小。并且扬声器并不是纯电阻，它的阻抗也会在音频频率范围内产生变化。功放在输出信号时，扬声器与功放内阻分压比（即阻尼系数）将不断变化，非线性失真由此产生。

另一方面，扬声器的音圈会产生反电动势（Back EMF），这个反电动势加到功放内阻上时会通过反馈路径与输入信号叠加引起失真，此时中低频的分析力和层次感减弱。减小功放的负反馈量和内阻、增大阻尼系数能够改善这种失真，这也是HI-FI级的监听耳机都有较高阻抗的原因。

噪声

噪声按来源不同可以分为干扰噪声和固有噪声。

干扰噪声是由电路和外界之间，或者电路本身的不同部分之间的电干扰、磁干扰或电磁干扰产生。电路布线或接地的不合理不仅会造成电源将市电交流的频率成分耦合到音频信号中，造成“哼哼”的交流声出现，还可能使相对较大输出信号电流通过感应进入输入线、地线和负反馈线而引起失真。

固有噪声是器件本身的热噪声，也称为高斯白噪声，它是完全随机的，在整个频域上分布均匀，听起来就是收音机收不到台时的“嘶嘶”声。对于高保真功放，信号噪声比（Signal-to-Noise，简称SNR）不得低于90dB。

3　失真的测量

对于失真的测量最常见的技术指标有总谐波失真加噪声（Total Harmonic Distortion＋Noise，简称THD＋N）和互调失真（Intermodulation Distortion，简称IMD）。

谐波失真指的是当输入信号为一个单一频率正弦波时，在经功放放大的过程中，由于电路本身的非线性，输出的信号带有基波以外的多次谐波成分，那些多次谐波就是失真。

人们听音实践证明，偶次谐波在人的主观听感上产生的不良影响比奇次谐波小得多。

这是因为偶次谐波中的主要部分是2次和4次谐波，正好和基频形成8度音程关系，而奇次谐波与基频形成的是不协和的音程关系。按照这种主观听感的规律，给各个谐波赋予不同的权重，然后进行累加，就得到这样一个总谐波失真的数据。也就是利用权重做补偿，使所测数据可以反映出失真的主观听感。

在电子管放大器时代，对于THD＋N最经典的做法是，以1kHz作为测量频率，滤除1kHz基频信号，然后测量剩余信号幅度。对于电子管放大器这种方法是可行的，因为电子管放大器不像晶体管放大器这样使用大环路负反馈来降低失真。

晶体管放大器在施加大环路深度负反馈后，易导致放大器产生振荡。为此晶体管功放必须要做成随频率升高而滚降的幅频响应。而深度负反馈能使幅频响应恢复平直，同时减小非线性失真。可是施加反馈前的幅频响应是随频率的上升而下降，所以反馈深度也是随频率升高而减小。这样大环路负反馈的THD必然是随着频率的升高而增加。因此对晶体管放大器应作扫频式测量。

互调失真是指，由于电路的非线性，导致两个以上的输入信号在放大器的输出端产生了频率或幅度的调制引起原始信号波形的畸变。向功放输入两个正弦信号，预计只看到这两个正弦信号出现在输出端。可是电路的非线性使得两个正弦波相互调制，从而产生了相加的频率成分和相减的频率成分。对于音频信号这种测量方法比较复杂。

4　小结

对于不同种类的音频功放，由于本路本身的特性差异，造成音色有所差别。

晶体管功放受到奇次谐波失真和瞬态互调失真的影响，声音会偏冷，直白，有毛刺或有金属声。

电子管功放的声音温暖，厚实，舒展。电子管也叫胆管，它的声音俨然是高品质声音的代名词。

到目前为止，电子管仍是线性最佳、原生失真最小的有源放大器件，晶体管无法比肩。

但事实上，电子管功放的总谐波失真会比晶体管功放大几个数量级，这是因为在电子管功放中都难以加入足量负反馈来改善线性。而这些非线性失真绝大多数都是能讨喜耳朵的偶次谐波，反而会让人觉得声音动听。

而晶体管功放使用大环路深度负反馈使线性得到明显改善，由于稳定性要求又引入了作为主极点的补偿电容，这个补偿电容可能会带来了瞬态响应不好的问题。

随着技术的进步，集成芯片的音频功放的音质越来越接近，甚至超越以上两种功放，而且其在体积、成本、和适用范围方面也具有明显优势。

总之，音频功放对声音的回放能力主要取决于以下几项性能指标：

1、功率储备，充足的功率储备能够减小甚至消除削波失真；

2、线性度，功放的线性回放能力决定产生奇次谐波的数量；

3、动态响应的能力，瞬态响应越好的功放对于细节的解析力越强；

4、本底噪声，功放抵抗电源噪声和外界辐射噪声的能力决定功放的信噪比。