解决音频放大器中的谐波失真问题

接线图 2024年10月22日 18:27 86 admin

谐波失真可能从许多来源引入音频放大器。幸运的是，减少这种失真需要遵循经过验证的设计实践，如果对设计给予足够重视，总谐波失真甚至可以降低到低于人耳听觉阈值的水平。
　　在我之前关于音频系统中谐波和 THD 的文章中，我解释过，在音响发烧友的世界里，有主观主义者和理性主义者。主观主义者认为应该允许放大器塑造（即扭曲）声音，使其听起来最好。理性主义者认为音频系统应该忠实地再现原始录音，而不增加任何类型的失真。
　　我承认我无法解决主观主义者和理性主义者之间的争论，但作为一名工程师，我倾向于站在理性主义者一边。作为工程师，我们喜欢能够测试、测量和量化系统和信号的各个方面，但没有一种测量方法可以量化什么听起来最好。然而，我们可以量化音频系统中改变输入信号性质的方面，这些方面包括总谐波失真 (THD)、相位延迟、互调失真和噪声。
　　从理性主义者的角度来看，由于我们可以客观地测量这些事物，因此我们可以使用这些测量值来确定哪种音频系统对输入信号的改变最小。

　　在本文中，我将重点讨论总谐波失真，并找出经典三级音频放大器（见图 1）中 THD 的主要原因，同时我还将描述如何降低 THD。

解决音频放大器中的谐波失真问题第1张

　　图 1.三级音频功率放大器的高度简化模型
　　电源音频规格
　　在详细了解音频放大器的 THD 之前，让我们先考虑一下电力系统法规/标准与音频系统法规/标准之间的区别。首先，电力系统的标准可能更重要，因为电力系统和电力电子产生的 THD 会影响电网和连接到电网的每个人。音频系统产生的 THD 主要只会影响听众的耳膜。同时，电力系统法规也更容易定义，因为只有一个基频 - 需要测量 THD 的线路频率。我之前的另一篇关于电力系统 THD 的文章讨论了电力系统和电力电子的 THD 和功率因数的一些标准。
　　另一方面，音频系统的工作频率范围是音频范围，大约为 20 赫兹至 20 千赫兹。因此，要全面了解 THD，需要测试该范围内的多个频率，这意味着一个 THD 数字并不能说明全部情况。通常，使用一个 THD 数字，它代表某个特定频率的 THD，但这并不意味着其他频率的 THD 会相同。人类的感知使事情变得更加复杂。人类感知谐波的方式也意味着一个 THD 读数不能完全捕捉 THD 对聆听体验的影响，因为人类的听觉对某些频率比其他频率更敏感。尽管存在这些测量困难，但音频系统的标准确实存在，但像 FTC 放大器规则这样的标准只是描述了需要陈述哪些信息（没有提供如何进行测量的指导），而像THX 认证这样的标准完全是自愿的。
　　这些挑战并不意味着 THD 测量毫无用处，也不意味着在设备之间进行比较毫无意义。它确实意味着您应该对放大器的规格实际告诉您的信息保持警惕。例如，这三个 THD 规格都是针对音频放大器的，但无法对它们进行比较：
　　1kHz 时总谐波失真为 0.1%
　　8 欧姆扬声器的 THD 为 0.08%
　　额定功率下，1kHz 时的 THD+N 为 0.15%，8 欧姆扬声器，22kHz 带宽这些示例均未以有意义的格式提供信息以供比较，前两个示例根本没有提供足够的信息。测试时的功率输出是多少？测试的带宽是多少？第三个示例给出了 THD+N 测量值，无法与直接 THD 测量值进行比较。THD+N 是 THD 加上噪声；这是音频系统中的常见测量值，但如果一个系统使用 THD，另一个系统使用 THD+N，您如何比较这两个系统？
　　THD 间接成为放大器规格一部分的另一个例子是最大功率输出。最大功率输出是允许一定程度的失真时可实现的输出功率。如果允许更高的失真，则可以获得更高的最大输出功率，因此允许更高的失真是有利的。通常，此功率测量是在 THD 为 1% 时进行的，但也通常在 THD 为 10% 时进行测量。在放大器之间进行比较时，了解正在使用的 THD 级别非常重要。
　　现在我们已经考虑了比较不同放大器产生的 THD 的难度，让我们从不同的角度来解决这个问题，并研究如何设计一个具有最小 THD 的系统。
　　不良 THD 的来源
　　著名音频专家道格拉斯·塞尔夫 (Douglas Self) 确定了三级固态音频功率放大器的 8 个失真源 [1]：输入对差异、电压放大器级 (VAS) 的非线性、输出级失真、电压放大器级的负载、轨道去耦失真、感应失真、负反馈失真和电容器失真。本节简要介绍了每个失真源，并提供了有关如何减少每个失真源失真的一些提示。
　　输入对差异
　　经典三级放大器的输入级由差分晶体管对组成。当晶体管特性不匹配或直流偏置不匹配时，就会发生失真。即使匹配良好，由于电容在较高频率下看起来更像短路，因此较高频率下也会出现失真；这种阻抗降低会导致电流增加。
　　电压放大器级的非线性
　　电压放大器级是共射极配置。共射极配置的小信号分析采用线性模型，但晶体管实际上表现为非线性。这种非线性会导致谐波失真，但较大的开环增益以及负反馈环路的使用将基本消除这种失真源。
　　输出级失真
　　输出级通常为 B 类推挽式放大器。此级的主要失真贡献是交越失真，这种失真将在后面讨论。
　　VAS 负荷失真
　　输出级的输入阻抗是非线性的。由于该阻抗是电压放大器级的负载，因此 VAS 输出会失真。电压放大器和输出级之间的缓冲可减少这种失真。
　　轨道解耦失真
　　电源轨上的去耦电容器始终是必需的，但如果这些电容器的电流返回路径（即接地）与输入或反馈电路共享，则电源轨的谐波成分将被引入信号。这种失真很容易解决，只需将去耦电容器的电流返回路径保持分离即可。
　　这种失真是由直流电源与输入和反馈路径之间的电感效应引起的。可以通过减少电源和输入/反馈路径相互干扰的方式来最大程度地减少这种失真，即尽可能减小输入和反馈信号的环路面积，并尽可能在物理上将电源和输入/反馈电路分开。
　　负反馈失真
　　输出信号和相同信号反馈到负反馈路径的点理论上是相同的，但由于线路/轨道电阻是有限的，信号实际上可能并不相同。确保从电路中的正确点进行反馈将消除这种失真。
　　电容失真
　　当用于耦合或直流阻断时，电解电容器往往会在交流电压较高时扭曲信号。陶瓷电容器也可能存在问题，因为它们的电容随频率变化明显呈非线性变化。当音频信号的频率发生变化时，电容也会发生变化。陶瓷还可以拾取机械振动并将其转换为电噪声（这是一种压电效应）。在音频应用中，薄膜电容器是交流耦合和直流阻断电容器的最佳选择。电解电容器仍可用于直流滤波，但应避免使用陶瓷电容器。
　　输出（交叉）失真
　　除了输出失真之外，这些失真源很容易通过巧妙但简单易行的电路设计技术消除。考虑到这些失真源及其减少方法，道格拉斯·塞尔夫提出了无缺陷放大器的概念。无缺陷放大器并不完美，但所有易于解决的失真机制都已最小化。

　　因此，无可指责的放大器会产生输出失真（主要是交越失真），这是最难消除的失真源。交越失真可能是音频系统中讨论最多的 THD 源，原因就是它不容易消除。交越失真的发生是因为在 B 类放大器中，两个输出晶体管都短暂地偏置关闭。在此期间没有输出信号。下面的示波器捕获显示了 B 类放大器在时域和频域中的交越失真示例。很明显，输出信号与输入信号相比存在失真，并且该信号中存在明显的谐波。

解决音频放大器中的谐波失真问题第2张

　　图 2.时域和频域中的交叉失真。
　　有关此类信号中 THD 数量的更多信息，本文介绍了计算交叉失真信号中 THD 的过程。

　　适当的偏置技术可以显著减少（但不能消除）交叉失真量。要消除交叉失真，需要将放大器推入 AB 类模式。使用二极管偏置输出晶体管的基极的简单系统修改是减少交叉失真的简单方法。图 3 显示了一个基本的 B 类放大器，其基极之间有二极管，用于将输出晶体管偏置到更接近其导通点。这种偏置方法假设两个二极管的正向偏置电压略低于两个晶体管的基极-发射极导通电压。如果二极管的正向偏置电压高于基极-发射极导通电压，则该放大器将不再是 B 类，而是 AB 类。这种方法不是唯一可以使用的偏置方法。其他常用方法是使用二极管连接的 BJT和橡胶二极管。

解决音频放大器中的谐波失真问题第3张