浅析声频功率放大器的非线性失真

陈萍

摘要：本文简述了声系统的非线性失真，并以声频功率放大器为例，对其总谐波失真和互调失真产生的原因进行了分析；同时列举了几个声频功率放大器在不同频率、功率下的总谐波失真。

关键词：声频功率放大器；幅度非线性；总谐波失真；互调失真

1概述

在声系统或声系统设备的输出端出现输入信号中不存在、但与输入信号特性有关的频率的现象，这就是幅度非线性（amplitude nonlinearity）。通俗地讲，就是在重放音频信号时，波形会发生变化的现象。非线性失真的本质，就是产生的新的频率分量，其原因和种类有很多，但都是由元器件的非线性影响造成的，一般常有的评价方法，包括总谐波失真（total harmonic distortion）、噪声谐波失真（noise harmonic distortion）、互调失真（inter modulation distortion）、噪声互调失真（noise inter modulation distortion）、调制失真（modulation distortion）、差频失真（differencefrequency distortion）和计权总谐波失真（weighted total harmonic distortion）等。声频功率放大器（audio power amplifier），下简称“功放”，是指在给定失真条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载（例如扬声器）的放大器。功放在整个声系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。从2011年开始，国家标准化管理委员会陆续推出了GB/T12060《声系统设备》系列标准，等同采用国际电工委员会IEC 20608标准，其中对功放的测量方法也进行了重新修订。本文重点对功放的总谐波失真和互调失真进行分析。

2总谐波失真（THD）

声系统在工作过程中，由于产生谐振现象而导致重放声音时出现失真，这就是谐波失真。专业地讲，谐波失真是指输入信号为正弦信号时，用输出信号中的谐波信号与总输出信号之比表示的幅度非线性。尽管声系统中只有基频信号才是声音的原始信号，但由于不可避免地会出现谐振现象，会在原始声波的基础上生成二次、三次甚至多次谐波，这样在声音信号中不再只有基频信号，而是还包括由谐波及其倍频成分，这些倍频信号将导致声系统在工作时产生谐波失真。

对于普通声系统允许一定谐波信号成分存在，但必须是以对声音基频信号输出不产生大的影响为前提条件。而总谐波失真是指总谐波失真是输出信号的失真成份的有效值与总输出信号的有效值之比表示的谐波失真，也就是说用信号源输入时，输出信号（谐波及其倍频成分）比输入信号多出的额外谐波成分，通常用百分数来表示。总谐波失真是功放的一个重要技术指标，总谐波失真在1%以下，一般耳朵分辨不出来，超过10%就可以明显听出失真的成分。从人耳的听觉机理分析，人耳只能区分的六次～七次谐波，对六次以上的谐波很难在感觉上将它们彼此分开，因为到六次以后的谐波，相邻的两个谐波落在人耳的基底膜上的两个对应区域已相互靠近，并覆盖在一个临界带以内，很难在感觉上将它们彼此分开。但高次谐波对音质的影响不可忽视，通过实验发现异常噪音大多来自高次谐波。

总谐波失真的数值越小，音色就越纯净，产品的品质越高。一般说来，由于1kHz频率处的总谐波失真最小，因此不少功放产品均以该频率处的总谐波失真作为它的指标。

但总谐波失真与频率有关，应该在20Hz～20kHz的全音频范围内测出。在电子工业部标准SJ/T 104061993《声频功率放大器通用技术条件》中，在不同频率下对总谐波失真有不同的要求，见表1。

在不同频率和输出电压时，会有不同的总谐波失真。表2列举了用SYS-2722音频分析仪测得的6台功放产品的总谐波失真，分别在额定条件、1/100额定输出功率条件下以及80Hz、1kHz、80kHz三种频率进行检测。这6台功放功率不一，质量也不尽相同，但共同点是在额定条件下、频率为1kHz时测得的总谐波失真最小，但是一台好的功放，在不同频率、功率下的谐波失真都较小，如5#、6#样品。

3互调失真（IMD）

由于测量总谐波失真的信号源是单一的正弦波，不能反映出功放的全貌。实际的音乐信号是各种速率不同的复合波，其中包括速率转换、瞬态响应等动态指标，故高质量的功放有时还应考虑互调失真、瞬态失真、瞬态互调失真等参数。如果瞬态失真过大，则清脆的乐音将变得含混不清；瞬态互调失真过大，则声音呆滞、生硬、无临场感；反之，则声音圆滑、细腻、自然。

互调失真也是非线性的一种，系指由放大器所引入的一种输入信号的和及差的失真，当输入基频为f1、f2……的正弦信号，用频率为p f1+q f2+……（其中p、q为正、负整数）的输出信号与总输出信号之比的幅度非线性。互调失真是来自于两个频率f1与f2，在f1+ f2与f1- f2（取绝对值）之间所产生的谐波，测量这些位置的谐波大小，就是互调失真。例如，在给放大器输入频率为1kHz和5kHz的混合信号后，便会产生6kHz（1kHz和5kHz之和）及4kHz（1kHz和5kHz之差）的互调失真成份。具体来说，当不同频率的信号同时被放大时，在非线性作用下，每个不同频率的信号就会自动相加和相减，产生出两个在原信号中没有的额外信号，如果原信号有3个不同频率，就会产生6个额外信号，依此类推，当输入信号是复杂的多频率信号，如管弦乐时，由互调失真所产生的额外信号数量就相当惊人了。

虽然互调失真和谐波失真同样是由放大器的非线性引起，但它们实际上是不尽相同的，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。测量互调失真比测量谐波失真更为复杂，要输入两个激励信号，一个正弦信号，一个方波信号，两者的峰峰电压比固定在1∶4，相当于有效值幅度比为1∶1.566，正弦波有效值和方波峰峰值之比为1∶11.3，通過互调失真仪，读取互调失真值。也可采用两个正弦波作为激励信号来进行互调失真的测量一个是低频率高幅度信号，另一个是高频率信号但幅度是低频率信号的四分之一。目前用音频分析能比较方便地测量这一指标。

互调失真也是功放的一个重要指标，目前国家标准备对互调失真有检测要求，但对其具体指标仅是“由产品标准规定”。过去由于测试仪器不够先进，加之标准不明确，很多功放产品的技术要求中都回避了这个指标。事实上，功放的互调失真和总谐波失真一样可以做得很小，两者数据也比较接近。

4结束语

功放的非线性失真是客观存在的，存在于声系统的各个环节中，无论采取何种技术措施，想要完全消除它是不可能的，可以通过自适应补偿等技术对非线性失真进行抑制，并根据实际应用场合选择合适的产品。所谓“世界上失真最低的放大器”、“彻底解决音箱互调失真”等宣传都是一种误导。如何解决声音系统的非线性失真，对整个行业来说任重而道远。

参考文献：

[1] GB/T 12060.22011声系统设备.第2部分：一般术语解释和计算方法.

[2] GB/T 12060.32011声系统设备.第3部分：声频放大器测量方法.

[3] SJ/T 104061993声频功率放大器通用技术条件.

[4] 总谐波失真.百度百科：http：∥baike.baidu.com/view/56039.htm 20130423.

[5] 功率放大器.百度百科：http：∥baike.baidu.com/view/70018.htm 201262.

[6] 互调失真.百度百科：http：∥baike.baidu.com/view/1308453.htm 2013417.