总谐波失真[总谐波失真]

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。