功放参数指标(下)

2011-10-07 17:08:18来源: 互联网
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。

  阻尼系数(Damping Factor)

  阻尼系数的扬声器阻抗和放大器输出阻讥之间的比例。顾名思义,阻系数是表示对某一个过程中进行变化的物理量加以抑制的程度。以扬声器来说,要抑制的是扬声器振膜在没有电讯号输入的情况下所作的惯性振动,简单地说这是一个制动动作。扬声器的振膜是不能用机械阻尼方式来制动的,所能使用的只是电磁方式的阻尼。而这种方式要求系统必须尽量处於发电机状态。

  前面的讨论曾提及扬声器会很容易进入发电机状态,当输入电读号消失后的一瞬间,扬声器振膜在惯性作用不还在振动。这种振动会在音圈中产生出一个感应电压,这时如果放大器输出阻讥低的话,就相当於在扬声器端子上并接一个很小的电阻,音圈上的感应电压就会驱使一个较大数值的电流流经放大器的内阻邮局就是说扬声器此刻变成电源,而放大器的功率输出级线路却变成负载。根据电磁感应定律,这个电流是音圈在永久磁铁的磁场中振动所产生的,所以这个音圈电流就必定会产生一个和振动方向相反的力去抵消振动。放大器的内阻越小,电流就越大,抵消惯性振动的作用也就越强。由於这个电流的能量是会在电阻上变成热量消耗掉,所以这种制动方式在电机控制技术中称为“能耗制动”(Dynamic Bracking)。扬声器在重播低频时的振幅最大,所造成的惯性振动也最严重,不加以抑制的话会使低频控制力变差,缺乏力度、弹性和层次感,但过份抑制则会使声音变乾。

  胆机因为有输出火车的线圈电阻存在,阻尼系数大极有限,相反地,晶体管机采用多管并联系等方法可轻易将阻尼系数提升至一百几十,甚至达到数百。不过可异一个阻巴系数的要求,这也就造成了不同的扬声器和放大器之间会有各种不同音色的配搭。

  对采用了大一半路负回输的放大器来说,阻尼系数并不是唯一会对扬声器进行刹车的工具,因为扬声器的惯性振动电流流经放大器的输出内阻时,将会产生某个数值的电压,负回输线路即时将之反馈至输入端,令放大线路以为出现了一个不该出现的失真电压,马上产生一个反相的讯号加以抵制。这可是一种最强力的马达电制动方式,称为“反接制动”(Plugging)。不过也是一种最少使用的方式,因为令一台马达突然反转会产生巨大的机械冲击力而损坏机器,但扬声器本来就是设计成不断前后运动的装置,所以这种方法理论上完全没有问题,然而实际上却常常出问题,麻烦又是来自负回输。

  扬声器不是麦克风,由振膜振动产生的电压,不会像麦克风寻样准确,所以放大器生的抵消电压也不可能做到完全和振动大小相等,方向相反。结果是使抑制过程出现不稳定,低频不是圆滑而迅速地减少,这个过程其实和界面互调失真的过程非常相似。某些原子粒放大器的低频控制力还不如胆机,原因也就在於此。

  衡量放大器性能还有一些其他的规格,这篇文章所提及的只是些较多发烧友关注,加上经常出现争议的规格。笔者决不是什么专家,只是因为工作时往往需要同时兼顾电机和电子甚至机械方面的技术原理,头痛之馀发觉在发烧领域中有许多的技术或问题,现象等等,其实都是一些在其他工程技术领域早已被人了解和认识的东西,其本身并不深奥和神秘,只是不同行业解释 方法不同而令人摸不着头脑,这篇文章当试用一些具体的比喻解释和区别一些常令人混肴的规格。希望一些非工程人仕的发烧友能有更清晰的概念。

  放大器技术发展到今天相信已很难在线路设计和材料运用方面作出特别技术突破。高质素的器材只能是靠仔细认真的态度,对过往常被人忽视的,大量的琐碎技术规格一点一滴地去改善,每前进一上都很不容易,成本和成果越来越不成比例。所谓平,靓,正只是相对而言,技术是用钱砌出来的,有许多所谓高科技军事技术,运用的只是那些各国大专院校和研究机构的学者,为了提高自己的学术地位,在公开渠道上发表的理论研究成果,根本无密可保,难只是难在预研,设计,试验,生产和保证质方面的工艺技术,像Hi-Dnd器材一样,所投入的成本往往是天文数字,得回来的有可能只是一项单靠改造老机器便能使用的工艺.

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编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/1007/article_12129.html
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