放大器的技术规格之二

zvztxgb3f4 · 发表于 2006-7-13 19:37:00

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放大器的技术规格之二

讯号噪声比

讯号噪声比（SignalNoiseRatio）简称讯噪比或信噪比，是指有用讯号功率与无用的噪声功率之比。通常贝计量，因为功率是电流和电压的函数，所以讯噪比也可以用电压值来计算，即讯号电平与噪声电平之比值，只是计算公式稍有不同。以功北率计算讯噪比：S/N=10log以电压计算讯噪比：S/N=10log由于讯噪比和功率或者是电压成对数关系，要提高讯噪比的话便要大幅度地提高输出值和噪声值之比，举例来说，当讯噪比为100dB时，输出电压是噪声电压的一万倍，以电子线路来说，这并不是一件容易的事。

一台放大器如有高的讯噪比意味着背景宁静，由于噪声电平低，很多被噪声掩盖着的弱音细节会显现出来，使浮音增加，空气感加强，动态范围增大。衡量放大器的讯噪比是好或者是坏没有严格的判别数据，一般来说以大约85dB以上为佳，低于此值则有可能在某些大音量聆听情况下，在音乐间隙中听到明显的噪音。除了讯噪比外，衡量放大器噪音大小也可以用噪声电平这个概念，这实际上也是一个用电压来计算的讯噪比数值，只不过分母是一个固定的数：0.775V，而分子则是噪声电压，所以噪声电平和讯噪比的分别是：前者一个*值，后者则一个相对数。

在许多产品说明书中的规格表数据后面，常常会有一个A字，意思是A-weight,即A计权，计权的意思是指将某个数值按一定规则权衡轻重地修改过，由于人耳对中频特别敏感，所以如果一台放大器的中频段讯噪比足够大的话，那么即使讯噪声比在低频和高频段稍低，人耳也不易察觉。可见如果采用了计权方式测量讯噪比的话，其数值一定会比不采用计权方式为高。以A计权来说，其数值会较不计权高约会分贝。

互调失真

顾名思义，互调失真（Intermodulation Distortion）是指由於讯号互相调制所引起的失真，调制一词本来是指一种在通讯技术中，用以提高讯号传送效率的技术。由於含有声音、图像，文字等的原始讯号“加进”高频讯号里面，然后同志将这个合成讯号发送出去。这种将高低频相“加”的过程和方式称为调制技术，所合成的讯号称为调制讯号。调制讯号除保留高频讯号的主要特征外，还包含有低频讯号的所有信息。产生互调失真的过程实质上也是一种调制过程，由於一个电子线路或一台放大器不可能做到完全理想的线性度，当不同频率的讯号同时进入放大器被放大时，在非线性作用下，每个不同频率的讯号就会自动相加和相减，产生出两个在原讯号中没有的额外讯号，原讯号如有三个不同频率，额外讯号便会有6个，当原讯号为N个时，输出讯号便会有N（N-1）个。可以想像的是，当输入讯号是复杂的多频率讯号，例如管弦乐时，由互调失真所产生的额外讯号数量是多么的惊人！

由於互调失真讯号全部都是音乐频率的和兴差讯号，和自然声音完全同，所以人耳对此是相敏感的，不幸的是，在许多放大器中，互调失真往往大於谐波失真，部份原因是因为谐波失真一般比较容易对付。虽然互调失真和谐波失真同样是由放大器的非线性引起，两者在数学观点上看同样是在正浞导号中加入一些额外的频率成份，但它们实际上是不尽相同的，简单的说，谐波失真是对原讯号波形的扭曲，即使是单一频率讯号通过放大线路也会产生这种现象，而互调失真却是不同频率之间的互相干扰和影响，测量互调失真远比测量谐波失真复杂，而且至今尚未有统一的标准。

瞬态互调失真

瞬态互调失真（TransientIntermodulationDistortion），得称TIM失真。是什么时候被发现的笔者搞不清楚，但是TIM测量方法则迟至70年代才公开发表。由於瞬态互调失真与负回输密切相关，所以在讨论瞬态互调失真时就需要先从负回输说起。负回输（NegativeFeedback）是一种广泛应用於各类工程技术领域，简音而实用的控制技术，负回输本来是属於控制技术中的闭环控制（CloseLoopControl）系统的一个环节，但因为应用广泛，所以常常被用作闭环控制的代名词。负回输实际上是一种普遍存在於人们日常生活中的自然规律，举例来说，当我们驾驶汽车的时候，如果发现汽车偏离得驶路线，我们就会向相反方向扭动方向盘，使汽车驶回正确路线。在这里我们的眼睛就是充当负回输通道的作用，负责把输出值（汽车得驶方向）回馈给挖掘器（大脑），然后控制器将输出值和设定值（正确方向）互相比较（相减），然后根据比较后的误差，发出修正讯号（扭方向盘）去纠正由此可见，负回输的作用是将输出值倒相（变为负数），随后将之回馈至输入端，和设定值相减，得出误差讯号，然后控制器就会根据误差大小作出修正。

在电子放大线路中，由於零件的对称，温度的变化，噪音的干扰以及其他种种原因，使读号的被放大的同时，无可避免地被加入各种各样的失真，而负回输则能有效地降低这些失真。举一个简单的例子来说，如放大器在放大一个正弦波讯号时，加入了一个失真的方波讯号，这个正弦加方波的讯号会被负回输线路反相，然后加馈至输入端，和原来的正弦波相减，使原来的讯号幅度变小之除还含有一个相反的方波，这个新的讯号在经过放大器时同样会被再次加入一个失真的方波讯号，由於讯号里面已有一个相反的方波，这样正反方波便会互相抵消，使输出讯号只含有正弦波，这就明显地降低了失真。不过负回输的缺点也是很明显的，因为负回输令输入讯号和回馈的输出讯号相减，降低了讯号电平，如果要使输出讯号相沽，降低了讯号电平，如果要使输出讯号被放大到足够的强度，放大器的放大率（增益）便要加大，所幸的是这并非难事，尢其是晶体管机。如果我们将负回输量加大，使输出讯号降低到和输入讯号电平相同的程度，即完全没有放大，这种放大器线路有一个特殊的名称，叫缓冲放大器（BufferAmplifier）。虽然讯号没有被放大，但因为放大器一般都是输入阻抗高，输出阻抗低。所以缓冲放大器常被用作阻抗匹配之用。

既然负回输能有效地降低失真，但为会么又会引起瞬态互调失真呢？原来问题出在时间上，其中又以晶体管机*为严重。和真空管相比，晶体管有坚因耐用，体积小，重量轻放大率高等优点，其缺点是工作特性不稳定，易受温度等因素影响而产生失真甚至失控。解决办法之一是采用高达50至60dB左右的深度负回输。反正晶体管的放大率很高，牺牲一些无所谓，由於采用了大深度的负回输，大幅度减少了失真，所以晶体管机很容易获得高超的技术规格。不过麻烦也就因此而起，为了减少由深度负回佃所引起的高频寄生振荡，晶体管放大器一般要在前置推动级晶体管的基极和集电极之间加入一个小电容，使高频段的相位稍为滞后，称为滞后价或称分补价，可是无论电容如何细小，总需要一定时间来充电，当输入讯号含有速度很高的瞬态脉冲时，小电容来不及充电，也就是说在这一刹那线路是处於没有负回输状态。由於输入讯号没有和负回输讯号相减，造成讯号过强，这些过强讯号会讼放大线路瞬时过载（Overload）。因为晶体管机负回输量大，讯号过强程度更高，常常达到数十倍甚至数百倍，结果使输出讯号削波（Clipping）。这就是瞬态互调失真，因为在晶体管线路*多出现，所以也被称为“原子粒”声。

顺带一提的是，这种负回输时间延迟问题在工业控制系统中也常常遇到，称为纯延迟（DeadTime）问题，其起因绝大部份是因为感应器（Sensor）安装位置太远。例如在一个恒温热水器中，瘟度探测被安装在远离发热顺的位置，结果是当探测器感应到水温足够时，在发热器附近的水温早就已经过热了。这样的控制结果必然是水温在过热和过冷之间大幅摆动，称为控制超调（Overshoot）或系统振荡。纯延迟至今仍然是困扰自动控制技术的一大难题，有关解决方法的论文由五十年代至今少说也有上千篇，但始终找不到一个简单而行之有效的办法。

虽然负回输出现时间延迟不好对付，但要解决也不是没有办法，我们可以干脆让它出现，或即使其出现也不至於造成太大的破坏，方法有多种，例如只用小量大环路负回输，这样即命名出现负回输时间延迟，输入讯号也不至於过强。所减少的负回输量则由只跨越1个放大级的局部负回输代替，，局部负回输路径短，时间快，不易诱发瞬态互调失真。真空管工作稳定，不一定要用大深度负回输抑制失真，况且其失真多数是人耳爱听的偶次谐波失真所以胆机没有一般所谓的“原子粒”声。至於其他用於线路设计上防范瞬态互调失真的方法，因涉及较多枯燥的理论，这里就不一一介绍了。

除了在线路设计上防范瞬态互调失真外，发烧友还可以采取另一项措施去减少瞬态互调失真，那就是尽量利用各种屏蔽和滤波措施去减少各种高频干扰讯号进入放大器，虽然这些讯号有许多是属於人耳听不见的射频干扰，但因为其频率很高，极易诱发瞬态互调失真，令输入级过载，使音乐讯号得不到正常的放大。

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