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发表于 2010-6-21
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互调失真
顾名思义,互调失真(Intermodulation Distortion)是指由於讯号互相调制所引起的失真,调制一词本来是指一种在通讯技术中,用以提高讯号传送效率的技术。由於含有声音、图像,文字等的原始讯号“加进”高频讯号里面,然后同志将这个合成讯号发送出去。这种将高低频相“加”的过程和方式称为调制技术,所合成的讯号称为调制讯号。调制讯号除保留高频讯号的主要特征外,还包含有低频讯号的所有信息。产生互调失真的过程实质上也是一种调制过程,由於一个电子线路或一台放大器不可能做到完全理想的线性度,当不同频率的讯号同时进入放大器被放大时,在非线性作用下,每个不同频率的讯号就会自动相加和相减,产生出两个在原讯号中没有的额外讯号,原讯号如有三个不同频率,额外讯号便会有6个,当原讯号为N个时,输出讯号便会有N(N-1)个。可以想像的是,当输入讯号是复杂的多频率讯号,例如管弦乐时,由互调失真所产生的额外讯号数量是多么的惊人!
由於互调失真讯号全部都是音乐频率的和兴差讯号,和自然声音完全同,所以人耳对此是相敏感的,不幸的是,在许多放大器中,互调失真往往大於谐波失真,部份原因是因为谐波失真一般比较容易对付。
虽然互调失真和谐波失真同样是由放大器的非线性引起,两者在数学观点上看同样是在正浞导号中加入一些额外的频率成份,但它们实际上是不尽相同的,简单的说,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,测量互调失真远比测量谐波失真复杂,而且至今尚未有统一的标准。
瞬态互调失真 瞬态互调失真(Transient Intermodulation Distortion),得称TIM失真。是什么时候被发现的笔者搞不清楚,但是TIM测量方法则迟至70年代才公开发表。由於瞬态互调失真与负回输密切相关,所以在讨论瞬态互调失真时就需要先从负回输说起。负回输(Negative Feedback)是一种广泛应用於各类工程技术领域,简音而实用的控制技术,负回输本来是属於控制技术中的闭环控制(Close Loop Control)系统的一个环节,但因为应用广泛,所以常常被用作闭环控制的代名词。负回输实际上是一种普遍存在於人们日常生活中的自然规律,举例来说,当我们驾驶汽车的时候,如果发现汽车偏离得驶路线,我们就会向相反方向扭动方向盘,使汽车驶回正确路线。在这里我们的眼睛就是充当负回输通道的作用,负责把输出值(汽车得驶方向)回馈给挖掘器(大脑) ,然后控制器将输出值和设定值(正确方向)互相比较(相减),然后根据比较后的误差,发出修正讯号(扭方向盘)去纠正由此可见,负回输的作用是将输出值倒相(变为负数),随后将之回馈至输入端,和设定值相减,得出误差讯号,然后控制器就会根据误差大小作出修正。
在电子放大线路中,由於零件的对称,温度的变化,噪音的干扰以及其他种种原因,使读号的被放大的同时,无可避免地被加入各种各样的失真,而负回输则能有效地降低这些失真。举一个简单的例子来说,如放大器在放大一个正弦波讯号时,加入了一个失真的方波讯号,这个正弦加方波的讯号会被负回输线路反相,然后加馈至输入端,和原来的正弦波相减,使原来的讯号幅度变小之除还含有一个相反的方波,这个新的讯号在经过放大器时同样会被再次加入一个失真的方波讯号,由於讯号里面已有一个相反的方波,这样正反方波便会互相抵消,使输出讯号只含有正弦波,这就明显地降低了失真。不过负回输的缺点也是很明显的,因为负回输令输入讯号和回馈的输出讯号相减,降低了讯号电平,如果要使输出讯号相沽,降低了讯号电平,如果要使输出讯号被放大到足够的强度,放大器的放大率(增益)便要加大,所幸的是这并非难事,尢其是晶体管机。如果我们将负回输量加大,使输出讯号降低到和输入讯号电平相同的程度,即完全没有放大,这种放大器线路有一个特殊的名称,叫缓冲放大器(Buffer Amplifier)。虽然讯号没有被放大,但因为放大器一般都是输入阻抗高,输出阻抗低。所以缓冲放大器常被用作阻抗匹配之用。
既然负回输能有效地降低失真,但为会么又会引起瞬态互调失真呢?原来问题出在时间上,其中又以晶体管机最为严重。和真空管相比,晶体管有坚因耐用,体积小,重量轻放大率高等优点,其缺点是工作特性不稳定,易受温度等因素影响而产生失真甚至失控。解决办法之一是采用高达50至60dB左右的深度负回输。反正晶体管的放大率很高,牺牲一些无所谓,由於采用了大深度的负回输,大幅度减少了失真,所以晶体管机很容易获得高超的技术规格。不过麻烦也就因此而起,为了减少由深度负回佃所引起的高频寄生振荡,晶体管放大器一般要在前置推动级晶体管的基极和集电极之间加入一个小电容,使高频段的相位稍为滞后,称为滞后价或称分补价,可是无论电容如何细小,总需要一定时间来充电,当输入讯号含有速度很高的瞬态脉冲时,小电容来不及充电,也就是说在这一刹那线路是处於没有负回输状态。由於输入讯号没有和负回输讯号相减,造成讯号过强,这些过强讯号会讼放大线路瞬时过载(Overload)。因为晶体管机负回输量大,讯号过强程度更高,常常达到数十倍甚至数百倍,结果使输出讯号削波(ClipPINg)。这就是瞬态互调失真,因为在晶体管线路最多出现,所以也被称为“原子粒”声。
顺带一提的是,这种负回输时间延迟问题在工业控制系统中也常常遇到,称为纯延迟(Dead Time)问题,其起因绝大部份是因为感应器(Sensor)安装位置太远。例如在一个恒温热水器中,瘟度探测被安装在远离发热顺的位置,结果是当探测器感应到水温足够时,在发热器附近的水温早就已经过热了。这样的控制结果必然是水温在过热和过冷之间大幅摆动,称为控制超调(Overshoot)或系统振荡。纯延迟至今仍然是困扰自动控制技术的一大难题,有关解决方法的论文由五十年代至今少说也有上千篇,但始终找不到一个简单而行之有效的办法。
虽然负回输出现时间延迟不好对付,但要解决也不是没有办法,我们可以干脆让它出现,或即使其出现也不至於造成太大的破坏,方法有多种,例如只用小量大环路负回输,这样即命名出现负回输时间延迟,输入讯号也不至於过强。所减少的负回输量则由只跨越1个放大级的局部负回输代替,,局部负回输路径短,时间快,不易诱发瞬态互调失真。真空管工作稳定,不一定要用大深度负回输抑制失真,况且其失真多数是人耳爱听的偶次谐波失真所以胆机没有一般所谓的“原子粒”声。至於其他用於线路设计上防范瞬态互调失真的方法,因涉及较多枯燥的理论,这里就不一一介绍了。
除了在线路设计上防范瞬态互调失真外,发烧友还可以采取另一项措施去减少瞬态互调失真,那就是尽量利用各种屏蔽和滤波措施去减少各种高频干扰讯号进入放大器,虽然这些讯号有许多是属於人耳听不见的射频干扰,但因为其频率很高,极易诱发瞬态互调失真,令输入级过载,使音乐讯号得不到正常的放大。
转换速率
瞬态互调失真除了由放大器大环路负回输的时间延迟引发外,放大器速度不够快也是一个重要的原因,如果放大器的速度够快的话即使在同样负回输条件下,瞬态互调失真度也可以降低。放大器的速度是一个通俗的形容,正确的说法应该是指放大器的瞬态响应能力(Transient Response)。在控制理论中,瞬态响应和频率响应是衡量系统性能的两大方法。它们的优点是不需经详细了解整个系统的详细数学模型,只需要根据系统对特定输入讯号的响应曲线介可估算出系统对特定输入讯号的响应曲线便可估算出系统的特性,从而作出补偿或改善。但相反来说,如果我们知道某个系统的数学模型,也可以不经测试就估算出该系统的响应模式。
对于精确度要求不高的系统,我们可以选择性地采取瞬态响应法或频率响应法去评估系统性能,而对于要求高的系统,两者都必须加以考虑。作瞬态应测试时常用的讯号是单位阶跃函数(Step Signal)和单位脉冲函数(Impulse)。为方便起见,放大器测试多用前者的特殊形式:方波/。一个较为理想的方波含有一个速度极高的电压上升沿和降沿,用来测试放大器的瞬态响是非常合适的。
衡量放大器的响应速度一般是用电压转换速率(Slew Rate,台湾称“回转率”)。其定义是在1微秒时间里电压升高幅度,如果以方波测量的话则是电压由波谷升至波峰所需时间,单位是V/u s,数值愈大表示瞬态响应度越了,高性能放大器的转换速率一般都可以做到25V/u s以上。
提高瞬态响应度最简单接的办法是选用高频特性好的零件。也可以用适当的环路负回输来改善,这似乎是一个自相矛盾的做法,但事实不然,瞬态互调失真只是当讯号速度超过放大器的瞬态响应能力范围之外才会发生。
除了瞬态互调失真外,过快的讯号也会产生另一种失真现象,叫做铃振(Ringing),两者的本质相同。当输入讯号速度快而幅度小时,首先出现的是铃振现象,只有当这个讯号的速度快至某个程度时才会出现瞬态互调失真,然而当讯号速度快兼幅度大时,铃振没有发生便已进入瞬态互调失真状态。最容易引发铃振现象的讯号就是各种各样的速度快但幅度小的高频干扰噪音,这就是为什么音响设备要有完善的抗干扰措施的原因之一。
界面互调失真(Interface Intermodulation Distortion)
界面互调失真算是一个较新和较少人提及的放大器规格。和下面将要提及的阻尼系数一样,除了和放大器线路有关外,和扬声器也有很大关系。所以在介绍这两项规格前,先简单地说一说扬声器有关这方面的特性。
目前的音响扬器绝大部分都是采用电动式原理的动圈式喇叭,其结构包括一个用作产生磁场的永久磁铁及一人音圈。从构造上来说动圈式扬声器属於一种特殊形式的直流马达,因为音圈只需要来回运动而不是旋转,所以不需使用直流马达上常见的炭刷和换向器(俗称“铜头”)
无论是交流马达或是直流马达,都是具有可逆性的,即在某种条件下可当作发电机来使用。直流马达在结构上和直流发电机没有差别,尤其是永久磁钱式直流马达,只要能够使它的转轴转动,就可在其接线端上产生出一定的电压。对动圈式扬声器来说,只要我们用手按压振膜,就一定会在接线端上产生电压,大小则视乎按压的速度和幅度而定。
由于损耗和非线性化的影响,扬声器不可能对由放大器输出的全部电能加以利用而会有剩余电能产生,另外由于振膜的机械惯性原因,在音圈中也会产生多余电能。由前者所产生的问题稳为界面互调失真,而后者则会使扬声器的低频控制力变差。
界面互调失真和扬声器内阻及负回输线路有关。当放大器输出的电能无法全部转变为机械能量时,多余的电能就必定会在扬声器线圈中产生出额外的反电势(Back emf),这个反电势会由喇叭线回馈至放大器的输出端,然后依放大器内阻的大小形成一个电压,这个电压会被负回输线路反馈至输入端,和输入讯号打成一片。使中低频声音混浊,分析力和层次感大减。
要降低界面互调失真,关键之处是要降低负回输量和放大器内阻(即提高阻尼系数)。有许多Hi-End晶体管放大器正是采用这种原则进行设计的。除此以外,双线接驳也是另类改善途径,因为分开的高低音线路使低频端的反电势不会对高频讯号产生影响,从而改善音质。 |
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