諧波失真可能從許多來源引入音頻放大器。幸運(yùn)的是，減少這種失真需要遵循經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)計(jì)實(shí)踐，如果對(duì)設(shè)計(jì)給予足夠重視，總諧波失真甚至可以降低到低于人耳聽覺閾值的水平。
　　在我之前關(guān)于音頻 系統(tǒng)中諧波和 THD 的文章中，我解釋過，在音響發(fā)燒友的世界里，有主觀主義者和理性主義者。主觀主義者認(rèn)為應(yīng)該允許放大器塑造（即扭曲）聲音，使其聽起來最好。理性主義者認(rèn)為音頻系統(tǒng)應(yīng)該忠實(shí)地再現(xiàn)原始錄音，而不增加任何類型的失真。
　　我承認(rèn)我無法解決主觀主義者和理性主義者之間的爭(zhēng)論，但作為一名工程師，我傾向于站在理性主義者一邊。作為工程師，我們喜歡能夠測(cè)試、測(cè)量和量化系統(tǒng)和信號(hào)的各個(gè)方面，但沒有一種測(cè)量方法可以量化什么聽起來最好。然而，我們可以量化音頻系統(tǒng)中改變輸入信號(hào)性質(zhì)的方面，這些方面包括總諧波失真 (THD)、相位延遲、互調(diào)失真和噪聲。
　　從理性主義者的角度來看，由于我們可以客觀地測(cè)量這些事物，因此我們可以使用這些測(cè)量值來確定哪種音頻系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的改變最小?！　≡诒疚闹校覍⒅攸c(diǎn)討論總諧波失真，并找出經(jīng)典三級(jí)音頻放大器（見圖 1）中 THD 的主要原因，同時(shí)我還將描述如何降低 THD。

　　圖 1.三級(jí)音頻功率放大器的高度簡(jiǎn)化模型
　　電源音頻規(guī)格
　　在詳細(xì)了解音頻放大器的 THD 之前，讓我們先考慮一下電力系統(tǒng)法規(guī)/標(biāo)準(zhǔn)與音頻系統(tǒng)法規(guī)/標(biāo)準(zhǔn)之間的區(qū)別。首先，電力系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)可能更重要，因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)和電力電子產(chǎn)生的 THD 會(huì)影響電網(wǎng)和連接到電網(wǎng)的每個(gè)人。音頻系統(tǒng)產(chǎn)生的 THD 主要只會(huì)影響聽眾的耳膜。同時(shí)，電力系統(tǒng)法規(guī)也更容易定義，因?yàn)橹挥幸粋€(gè)基頻 - 需要測(cè)量 THD 的線路頻率。我之前的另一篇關(guān)于電力系統(tǒng) THD 的文章討論了電力系統(tǒng)和電力電子的 THD 和功率因數(shù)的一些標(biāo)準(zhǔn)。
　　另一方面，音頻系統(tǒng)的工作頻率范圍是音頻范圍，大約為 20 赫茲至 20 千赫茲。因此，要全面了解 THD，需要測(cè)試該范圍內(nèi)的多個(gè)頻率，這意味著一個(gè) THD 數(shù)字并不能說明全部情況。通常，使用一個(gè) THD 數(shù)字，它代表某個(gè)特定頻率的 THD，但這并不意味著其他頻率的 THD 會(huì)相同。人類的感知使事情變得更加復(fù)雜。人類感知諧波的方式也意味著一個(gè) THD 讀數(shù)不能完全捕捉 THD 對(duì)聆聽體驗(yàn)的影響，因?yàn)槿祟惖穆犛X對(duì)某些頻率比其他頻率更敏感。盡管存在這些測(cè)量困難，但音頻系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)確實(shí)存在，但像 FTC 放大器規(guī)則這樣的標(biāo)準(zhǔn)只是 描述了需要陳述哪些信息（沒有提供如何進(jìn)行測(cè)量的指導(dǎo)），而像THX 認(rèn)證這樣的標(biāo)準(zhǔn)完全是自愿的。
　　這些挑戰(zhàn)并不意味著 THD 測(cè)量毫無用處，也不意味著在設(shè)備之間進(jìn)行比較毫無意義。它確實(shí)意味著您應(yīng)該對(duì)放大器的規(guī)格實(shí)際告訴您的信息保持警惕。例如，這三個(gè) THD 規(guī)格都是針對(duì)音頻放大器的，但無法對(duì)它們進(jìn)行比較：
　　1kHz 時(shí)總諧波失真為 0.1%
　　8 歐姆揚(yáng)聲器的 THD 為 0.08%
　　額定功率下，1kHz 時(shí)的 THD+N 為 0.15%，8 歐姆揚(yáng)聲器，22kHz 帶寬這些示例均未以有意義的格式提供信息以供比較，前兩個(gè)示例根本沒有提供足夠的信息。測(cè)試時(shí)的功率輸出是多少？測(cè)試的帶寬是多少？第三個(gè)示例給出了 THD+N 測(cè)量值，無法與直接 THD 測(cè)量值進(jìn)行比較。THD+N 是 THD 加上噪聲；這是音頻系統(tǒng)中的常見測(cè)量值，但如果一個(gè)系統(tǒng)使用 THD，另一個(gè)系統(tǒng)使用 THD+N，您如何比較這兩個(gè)系統(tǒng)？
　　THD 間接成為放大器規(guī)格一部分的另一個(gè)例子是最大功率輸出。最大功率輸出是允許一定程度的失真時(shí)可實(shí)現(xiàn)的輸出功率。如果允許更高的失真，則可以獲得更高的最大輸出功率，因此允許更高的失真是有利的。通常，此功率測(cè)量是在 THD 為 1% 時(shí)進(jìn)行的，但也通常在 THD 為 10% 時(shí)進(jìn)行測(cè)量。在放大器之間進(jìn)行比較時(shí)，了解正在使用的 THD 級(jí)別非常重要。
　　現(xiàn)在我們已經(jīng)考慮了比較不同放大器產(chǎn)生的 THD 的難度，讓我們從不同的角度來解決這個(gè)問題，并研究如何設(shè)計(jì)一個(gè)具有最小 THD 的系統(tǒng)。
　　不良 THD 的來源
　　著名音頻專家道格拉斯·塞爾夫 (Douglas Self) 確定了三級(jí)固態(tài)音頻功率放大器的 8 個(gè)失真源 [1]：輸入對(duì)差異、電壓放大器級(jí) (VAS) 的非線性、輸出級(jí)失真、電壓放大器級(jí)的負(fù)載、軌道去耦失真、感應(yīng)失真、負(fù)反饋失真和電容器失真。本節(jié)簡(jiǎn)要介紹了每個(gè)失真源，并提供了有關(guān)如何減少每個(gè)失真源失真的一些提示。
　　輸入對(duì)差異
　　經(jīng)典三級(jí)放大器的輸入級(jí)由差分晶體管對(duì)組成。當(dāng)晶體管特性不匹配或直流偏置不匹配時(shí)，就會(huì)發(fā)生失真。即使匹配良好，由于電容在較高頻率下看起來更像短路，因此較高頻率下也會(huì)出現(xiàn)失真；這種阻抗降低會(huì)導(dǎo)致電流增加。
　　電壓放大器級(jí)的非線性
　　電壓放大器級(jí)是共射極配置。共射極配置的小信號(hào)分析采用線性模型，但晶體管實(shí)際上表現(xiàn)為非線性。這種非線性會(huì)導(dǎo)致諧波失真，但較大的開環(huán)增益以及負(fù)反饋環(huán)路的使用將基本消除這種失真源。
　　輸出級(jí)失真
　　輸出級(jí)通常為 B 類推挽式放大器。此級(jí)的主要失真貢獻(xiàn)是交越失真，這種失真將在后面討論。
　　VAS 負(fù)荷失真
　　輸出級(jí)的輸入阻抗是非線性的。由于該阻抗是電壓放大器級(jí)的負(fù)載，因此 VAS 輸出會(huì)失真。電壓放大器和輸出級(jí)之間的緩沖可減少這種失真。
　　軌道解耦失真
　　電源軌上的去耦電容器始終是必需的，但如果這些電容器的電流返回路徑（即接地）與輸入或反饋電路共享，則電源軌的諧波成分將被引入信號(hào)。這種失真很容易解決，只需將去耦電容器的電流返回路徑保持分離即可。
　　這種失真是由直流電源與輸入和反饋路徑之間的電感效應(yīng)引起的?？梢酝ㄟ^減少電源和輸入/反饋路徑相互干擾的方式來最大程度地減少這種失真，即盡可能減小輸入和反饋信號(hào)的環(huán)路面積，并盡可能在物理上將電源和輸入/反饋電路分開。
　　負(fù)反饋失真
　　輸出信號(hào)和相同信號(hào)反饋到負(fù)反饋路徑的點(diǎn)理論上是相同的，但由于線路/軌道電阻是有限的，信號(hào)實(shí)際上可能并不相同。確保從電路中的正確點(diǎn)進(jìn)行反饋將消除這種失真。
　　電容失真
　　當(dāng)用于耦合或直流阻斷時(shí)，電解電容器往往會(huì)在交流電壓較高時(shí)扭曲信號(hào)。陶瓷電容器也可能存在問題，因?yàn)樗鼈兊碾娙蓦S頻率變化明顯呈非線性變化。當(dāng)音頻信號(hào)的頻率發(fā)生變化時(shí)，電容也會(huì)發(fā)生變化。陶瓷還可以拾取機(jī)械振動(dòng)并將其轉(zhuǎn)換為電噪聲（這是一種壓電效應(yīng)）。在音頻應(yīng)用中，薄膜電容器是交流耦合和直流阻斷電容器的最佳選擇。電解電容器仍可用于直流濾波，但應(yīng)避免使用陶瓷電容器。
　　輸出（交叉）失真
　　除了輸出失真之外，這些失真源很容易通過巧妙但簡(jiǎn)單易行的電路設(shè)計(jì)技術(shù)消除?？紤]到這些失真源及其減少方法，道格拉斯·塞爾夫提出了無缺陷放大器的概念。無缺陷放大器并不完美，但所有易于解決的失真機(jī)制都已最小化?！　∫虼耍瑹o可指責(zé)的放大器會(huì)產(chǎn)生輸出失真（主要是交越失真），這是最難消除的失真源。交越失真可能是音頻系統(tǒng)中討論最多的 THD 源，原因就是它不容易消除。交越失真的發(fā)生是因?yàn)樵?B 類放大器中，兩個(gè)輸出晶體管都短暫地偏置關(guān)閉。在此期間沒有輸出信號(hào)。下面的示波器捕獲顯示了 B 類放大器在時(shí)域和頻域中的交越失真示例。很明顯，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相比存在失真，并且該信號(hào)中存在明顯的諧波。

　　圖 2.時(shí)域和頻域中的交叉失真。
　　有關(guān)此類信號(hào)中 THD 數(shù)量的更多信息，本文介紹了計(jì)算交叉失真信號(hào)中 THD 的過程。　　適當(dāng)?shù)钠眉夹g(shù)可以顯著減少（但不能消除）交叉失真量。要消除交叉失真，需要將放大器推入 AB 類模式。使用二極管偏置輸出晶體管的基極的簡(jiǎn)單系統(tǒng)修改是減少交叉失真的簡(jiǎn)單方法。圖 3 顯示了一個(gè)基本的 B 類放大器，其基極之間有二極管，用于將輸出晶體管偏置到更接近其導(dǎo)通點(diǎn)。這種偏置方法假設(shè)兩個(gè)二極管的正向偏置電壓略低于兩個(gè)晶體管的基極-發(fā)射極導(dǎo)通電壓。如果二極管的正向偏置電壓高于基極-發(fā)射極導(dǎo)通電壓，則該放大器將不再是 B 類，而是 AB 類。這種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極管連接的 BJT和橡膠二極管。

　　圖 3.使用二極管偏置輸出晶體管以減少交叉失真?！　∵@種偏置的結(jié)果是交叉失真顯著減少，如圖 4 和圖 5 所示。圖 4 左側(cè)的示波器圖像將輸入（黃色）與輸出（藍(lán)色）進(jìn)行了比較，右側(cè)的圖像顯示了零交叉點(diǎn)處的少量失真。

　　圖4.減少交叉失真的時(shí)間域視圖。

　　圖5.減少交叉失真的頻域視圖。