浅析放大器失真及其解决方法

924177110 · 发表于 2016-6-24 08:24:35

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　　放大器的使命是提高原信号的幅度，同时保证原信号波形完整无缺，经过放大以后的波形应该是原信号的几何相似波形。所谓失真就是放大器的输出中产生了一些原信号中所没有的成分或丢失了原信号中的部分微妙信息。对于放大器的失真，历来都是从电子学上给予分析及说明，但是现代音响技术的某些现象却无法用电子学的观点来解析。因此笔者尝试用电子学结合物理学中的力学加以分析说明，希望与各位同行探讨。

　　放大器为什么会产生失真？首先，让我们来分析一个现实生活的例子。如果用一部额定负载为5千公斤的汽车，让它将5千公斤的物品送到目的地，那它工作起来不会有什么问题，将会以自己最快的速度将物品完好无损地送到目的地；如果让这部汽车将5千公斤以下的物品送到目的地，那它工作起来将非常轻松；如果让这部汽车将略大于5千公斤的物品送到目的地，虽然这部汽车可以勉强运行，当它途中通过高低不平、坡度略大等道路时，不但运行速度缓慢，工作起来力不从心，甚至可能会损坏这部汽车，有时需要卸载部分超重物品才能通行，卸载物品的过程就不可避免发生碰撞而使物品产生变形、损坏或丢失，这样它就不会以较快的速度将物品完好无损地送到目的地了。如果让多部这样力不从心的汽车接力将同一略超额定负载的物品送到目的地，那么送到目的地的物品就将面目全非了。所以，要将一物品送到目的地，必须使用额定负载为物品重量或更大负载的汽车，才能保证将物品快速、完好无损地送到目的地。根据上述原理，再来分析放大器，为了方便说明，先分析一级放大器的情形，放大器的输出在驱动负载的情况下，如果负载较重，驱动的一方（放大器）工作起来就力不从心，被驱动的一方（负载），其动作必定不能与驱动的一方（放大器）步调一致。这时，被驱动的负荷（信号）就好象力学上的弹性体，在受力的情况下便会发生变形，力学上的变形是无法完全消除的，而每一级放大器的电失真也同样是无法消除的，因此，放大器的级数越多，失真就越大，音质就越糟糕。所以，减少放大器级数就可以减少失真。除了减少放大级数，还可以减轻负载或加大驱动功率。要增大驱动功率，就要降低放大器本身的动态阻抗，也就是用大的驱动力来使轻负载工作，应变就会变小，从而提高音质。

　　造成放大器失真的另一个原因是负反馈，虽然负反馈能有效地降低失真，但是这又会引发新的失真，问题出在时间上，负反馈主要是利用经过一定“时延”了的输出信号来降低放大器的增益，从而破坏了输入信号与输出信号的几何相似，而且可能使原信号中微妙变化的信息部分荡然无存。因为输入信号在未抵达输出端之前，必然要经过一定时间的时延，如果此时延时信号再送回到输入端，在回输信号还未抵达输入端这一瞬间，放大器处于开环状态，增益很高，不但会由于无负反馈而出现非线性失真，而且更严重的是会使输人级因瞬间过载而出现饱和和削波，使信号波形的前沿产生变形（即出现瞬态互调失真，也称TIM失真），另一种情况，经过延迟的信号和原信号在输入端相减，造成了信息的失落，如果反馈的信号相位完全相反，则不存在上述的问题。

　　下面讨论放大器失真对音质的影响。

　　1谐波失真谐波失真是指音频信号源通过放大器时，由于非线性元件所引起的输出信号比输入信号多出的额外谐波成分。谐波失真是由于系统不是完全线性造成的。研究表明：人耳对谐波成分中的奇次波较敏感，专业人员感知度为2%，而对偶次谐波由于音乐上的谐合性的关系（即音乐上八度音程之间的频率关系都是偶次倍），以及易被原来频率成分所掩盖，所以偶次谐波对放大器音质的影响是较小的。另外人耳对谐波失真的感觉与节目信号也有较大的关系，对于频带较宽、平缓的音乐信号，谐波失真感知度在5%以上，而语言信号却为3%左右，当谐波失真超过3%，声音由原来的“圆润”变得有点“硬”，当谐波失真超过10%时，声音发“破”而且有“烦躁感”。

　　2互调失真互调失真是指音频信号源通过放大器时，由于非线性元件所引起信号互相调制产生和及差所引起的失真。研究表明：互调失真所产生的差拍频率成分与原频率成分没有音乐上的谐和关系，对音质显得更为有害。例如，入耳对100Hz和1000Hz互调失真的感知度约为2%，互调失真较严重时，听起来不仅有“尖”、“刺”、“不谐和”的感觉，同时也能使低音变得“模糊”、“混浊”，有声染色现象出现。

　　3瞬态互调失真若出现瞬态互调失真，放大器可能产生短时间的高失真，短时间内不一定会听出这种影响，但长时间的聆听可能发现声音并不完全清晰，而且有刺耳感。

　　4削波失真经大量实验测试表明，一般音乐信号的有效功率，只有其瞬时峰值功率的十分之一或更少。如果放大器的功率容量小，信号的瞬时幅值将超出放大器的线性放大范围，从而被削波，由此产生大量的谐波，造成严重失真。如果放大器最终输出中存在原信号所没有的大量超声波成分，则会使人引起头痛。

　　5微妙信息的失落前面分析可知，反馈放大器会造成微妙信息的失落，一旦失去了微妙变化的部分，就会破坏混响感和空气感，而使声音缺乏水分，听起来不够润，使用反馈的放大器的音色不润就是这个道理。

　　6系统瞬态响应失真系统瞬态响应和扬声器瞬态特性、阻抗特性和功率放大器的输出动态阻抗特性有关，扬声器阻抗与功率放大器内阻之比为系统“阻尼系数”。当系统的阻尼系数较大时，系统的瞬态响应失真较小，但是，如果阻尼系数过大，则会形成过阻尼状态，对放大器音质产生另一种形式的不良影响，重放声音会出现有的尾音给切除了，声音显得“硬”而“干涩”，失去柔软感，“秃”而不自然，失去了原声的特征，当阻尼系数小到欠阻尼状态，重放时，声音会出现很长的拖尾，音质混浊，清晰度下降。

　　由上分析可知，要使放大器输出失真小、音质好，解决方法是：精选线性好的元器件，提高放大器的工作电压，加大工作电流，提高放大器响应速度，在确保放大器增益的情况下减少放大级数，运用局部负反馈技术，不用大环路负反馈。

　　

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