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总谐波失真[总谐波失真]

2021-02-18  JieZHoun
非线性失真
我们所常使用的各类晶体管等效模型,称为小信号模型。因为当信号幅度非常小的时候,忽略了非线性因素的影响,将其进行线性等效。以上所讨论的线性失真,皆为在这种等效前提下的讨论。但事实上,无论的PN结(BJT晶体管)的E指数特性,还是场效应管(FET)的平方率特性,都是非线性的。如果考虑这种非线性对放大器的影响,则就有了非线性失真这个概念。非线性失真的种类繁多,但其本质都是由器件非线性影响所至。一般常有的度量标准,有总谐波失真,交叉调制失真,互相调制失真,瞬态互调失真等等。非线性失真的本质,就是产生的新的频率分量。
总谐波失真(THD):这也是在放大器中提的最多的一种失真。其定义方式为输入单一频率的余弦信号,输出的各次谐波总有效值和基波功率有效值之比的平方根。THD的大小是功率放大器非常重要的指标,所谓高保真功率放大器,谐波失真在一般都在1%以内。一般而言,输出功率越大,THD要做得好就越不容易。所以耳机放大器的谐波失真,看起来都是相当低的,其输出功率小也是一定的原因。降低总谐波失真的方法,一般都是使用负反馈。反馈深度为1+AF,则加入负反馈之后失真就降为开环条件下的1/1+AF。负反馈是降低非线性失真行之有效的方法,也是模拟电子线路的精华之一,但是负反馈也并不是万精油,会带来牺牲系统增益,降低系统稳定性等总总弊端,也会引起其它的非线性失真(例如顺态互调失真就被认为与深度负反馈息息相关)。
交叉调制失真、互相调制失真:首先,要理解调制这个概念。这个概念来自于高频电子线路(又言射频电路,通信电路)。当需要发射一信号时,由于低频电磁波不利于传输,则要将需要发射的信号(称为调制信号)加载到一高频信号(称为载波信号)上进行发射,这一过程称为调制过程。普通的AM调制(幅度调制)就是用低频信号控制高频信号包络的变化,在信号接收端利用包络检波器或者同步检波器还原原低频信号。AM调制有包括DSB,SSB,VSB等,与此主题无关,不在此详述(有兴趣可参考《高频电子线路》,《非线性电子线路》等相关书籍)。那么,这种调制的概念,和我们的放大器有什么关系呢?在高频中,AM调制的实现,是由器件的非线性特性来实现的,实现了输入信号的相乘,由三角公式取出其和频或者差频。低频电子线路,器件依然存在着非线性特性。如果讲某一静态工作点下的非线性传输特性由泰勒展开进行逼近,则其包含了一次方项,二次方项,以至于无穷的各次方项。次数越高则其值越小,高次方项可以忽略,但低次方项的影响却不能忽略。一个音频信号,由傅立叶分析,可以分解为各次谐波之加权。当这样一个信号加入到一个非线形器件上,由该静态点转移特性曲线的泰勒展开式中大于2次方项就可以得到谐波的和频和差频。这种情况就和高频中的调制的概念相吻合。所以低频放大器中,也存在着调制失真。而交叉调制失真,互相调制失真的概念,要解释清楚需要非常详尽的数学运算,在此不在详述,如果有良好的数学功底和电路功底,可以阅读一下高频电子线路教材。无论如何,我们知道了互调失真和交调失真都是由放大器的非线性产生,而且产生这种失真的条件是有至少两个频率分量加载到了输入端。所以,总谐波失真的测试方法,无法得到放大器的交调失真和互调失真。我们知道,一般运放开环增益非常大,当加入负反馈之后,由于反馈深度1+AF非常大,所以THD就非常小。但现实的音乐信号,不是这样单频率信号,而是由各种频率叠加的信号。运放本身的线性特性并不非常良好,所以加入音乐信号后,容易产生交调失真现象。在使用运放设计放大器的时候,就需要扬长避短。但由于IC的先天优势,在指标上,分立元件还是很难和它想媲美的,光管子的配对问题就是首要难的问题了。要减少交调失真,就必须从放大器本身的线性特性入手,例如选取合理的静态工作点等。一个放大器本身的线性好了,就不存在这些问题了(这句话是我当初和我的班主任(一位资深工程师)讨论放大器交调失真时他告诉我的)。
瞬态互调失真:我看到过对这种失真的解释,一般如下。当放大器本身存在积分效应,输出延迟于输入,那么大环负反馈信号到达输入端时,并不能于输入信号完全同步。在大动态的情况下输入端晶体管就出现瞬间的过载,差分对进入非线形区域,输出不能反应输入变化。从而形成了削波失真。众所周知,不加局部负反馈的差分对其线性区域只有52MV的差模输入范围。当大动态信号来临时,由于放大器回路的延迟,反馈信号不能即使到达输入端,这时差分对就产生瞬时过载,这种失真会影响音质。运放的输入端一般都是动态差模输入范围很小的差分对,如果运放的转换速率不够高,则容易出现瞬态互调失真。同时,瞬态互调失真不单出现在输入级,不单存在于差分对管中,只是差分输入对是产生这种失真的典型。我一直在想它为什么要取名叫瞬态互调失真,瞬态很容易解释,但互调是指什么,这种失真和互相调制之间有什么关系。目前我的理解,根据模拟乘法器电路的特性,当其一输入信号动态范围非常大时,这种线形时变状态可以实现信号调制。那么差分对和它也有一定相似之处,是否意指某一个大信号控制着输入端差分对进入或退出非线形区域,这样就是典型的线性时变参量电路,这样就类似与对其它小信号频率分量进行调制。无论互调指的是什么,既然我们知道了这种失真产生的原因,那么避免它发生的方法,可以是扩展每一级的输入动态范围,如在差分对中加入局部负反馈,设计大动态特性线路。也可以避免回路中的积分效应,提高放大器的转换速度。这样都有利于减小顺态互调失真的发生。

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