| 放大器失真基本理论失真分为两类：1，线性失真。2，非线性失真。 一，线性失真。 先讨论线性失真：从信号与系统的角度来考虑，所谓无失真传输，通过数学推导（有兴趣可以参考〈信号与系统〉教材）可以得到两个条件： 系统对幅度谱的作用仅为加权作用。 2，系统对相位谱的延迟与频率成正比，既满足常数群时延特性。这两个结论是基于傅立叶分析的基本理论而得到的。如果它晦涩难懂，那么说简单一点，大家看到的拨特图（拨特图包括幅度谱和相位谱两部分），如果在其通频带范围内，幅度谱和相位谱都是一直线，那这个系统（放大器就是一个电系统）就满足无失真传输。现实中，无失真传输仅仅限于两类系统， 1，电阻网络。 匹配的高频传输线。 而所有的放大器，在理论上都不可能成为无失真传输系统。放大器，如果忽略低频截止频率的影响（因为高频截止频率往往远远低频截止频率）为一低通滤波器。如果不忽略低频截止频率影响（因为低频对音频来说很重要），则为一带通滤波器。由于晶体管为一电阻电容的混合参数所构成的器件（如各种形式参数模型所反应），由于电容的容抗中含有频率参数，不同的频率对应于不同的容抗，所以放大器不可能做到对其通频带内的所有信号放大倍数为常数。 这样，也就不满足本段开始所述的条件 1。而且电容的电压和电流并非同相位，所以不同的频率就对应着不同的相移，就不能满足条件 2。不满足条件1的失真，我们称做幅度失真（幅频失真），不满足条件2的失真，我们称为相位失真（相频失真）。 根据傅立叶分析的基本理论，任何一周期信号都可以分解为其直流分量，基波分量和个次谐波分量的加权。所谓谐波，就是频率为基波整数倍的余弦信号。若为基波的N倍，即称为N次谐波。可见，如果一个系统对不同频率分量的放大倍数不同，那么对不同的谐波分量将有不同的放大倍数。当一个信号通过系统之后，各谐波分量的幅度发生了改变，加权后将不能真实反应原信号。这样产生的失真，既为幅度失真。再者，从相位的角度来考虑，如果原信号的各次谐波通过这个系统，产生了不同的相移（表现在时域既为不同的延迟），则系统输出的各次谐波加权之后，也不能真实反应原信号，这样产生的失真，既为相位失真。这两种失真，仅仅是各次谐波的幅度、相位产生了变化，但系统并没有产生新的谐波频率，所以称为线性失真。降低线性失真的方法，可以展宽放大器的通频带，使其在工作频率内（如音频为20HZ-20KHZ）近似满足无失真传输条件。但是，受晶体管特性影响（如截止频率Ft）无限制展宽通频带是不可能的，而且在展宽通频带的同时，会带来其它弊端，尤其是会引入噪声。如热噪等，其都和频带宽度相关。前人实验表明，人耳对相频失真表现得不敏感，但人眼对相频特性及其敏感，所以不同的放大器，频带宽度视要求而定。 二，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节（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，顺态互调失真等等。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跟。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别认为于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，是由非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）。 顺态互调失真：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，则容易出现顺态互调失真。同时，瞬态互调失真不单出现在输入级，不但存在于差分对管中，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顺态互调失真，顺态很容易解释，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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