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非線性失真 我們所常使用的各類晶體管等效模型，稱為小信號模型。因為當(dāng)信號幅度非常小的時候，忽略了非線性因素的影響，將其進行線性等效。以上所討論的線性失真，皆為在這種等效前提下的討論。但事實上，無論的PN結(jié)（BJT晶體管）的E指數(shù)特性，還是場效應(yīng)管（FET）的平方率特性，都是非線性的。如果考慮這種非線性對放大器的影響，則就有了非線性失真這個概念。非線性失真的種類繁多，但其本質(zhì)都是由器件非線性影響所至。一般常有的度量標準，有總諧波失真，交叉調(diào)制失真，互相調(diào)制失真，瞬態(tài)互調(diào)失真等等。非線性失真的本質(zhì)，就是產(chǎn)生的新的頻率分量。 總諧波失真（THD）：這也是在放大器中提的最多的一種失真。其定義方式為輸入單一頻率的余弦信號，輸出的各次諧波總有效值和基波功率有效值之比的平方根。THD的大小是功率放大器非常重要的指標，所謂高保真功率放大器，諧波失真在一般都在1%以內(nèi)。一般而言，輸出功率越大，THD要做得好就越不容易。所以耳機放大器的諧波失真，看起來都是相當(dāng)?shù)偷?，其輸出功率小也是一定的原因。降低總諧波失真的方法，一般都是使用負反饋。反饋深度為1+AF，則加入負反饋之后失真就降為開環(huán)條件下的1/1+AF。負反饋是降低非線性失真行之有效的方法，也是模擬電子線路的精華之一，但是負反饋也并不是萬精油，會帶來犧牲系統(tǒng)增益，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性等總總弊端，也會引起其它的非線性失真（例如順態(tài)互調(diào)失真就被認為與深度負反饋息息相關(guān)）。 交叉調(diào)制失真、互相調(diào)制失真：首先，要理解調(diào)制這個概念。這個概念來自于高頻電子線路（又言射頻電路，通信電路）。當(dāng)需要發(fā)射一信號時，由于低頻電磁波不利于傳輸，則要將需要發(fā)射的信號（稱為調(diào)制信號）加載到一高頻信號（稱為載波信號）上進行發(fā)射，這一過程稱為調(diào)制過程。普通的AM調(diào)制（幅度調(diào)制）就是用低頻信號控制高頻信號包絡(luò)的變化，在信號接收端利用包絡(luò)檢波器或者同步檢波器還原原低頻信號。AM調(diào)制有包括DSB，SSB，VSB等，與此主題無關(guān)，不在此詳述（有興趣可參考《高頻電子線路》，《非線性電子線路》等相關(guān)書籍）。那么，這種調(diào)制的概念，和我們的放大器有什么關(guān)系呢？在高頻中，AM調(diào)制的實現(xiàn)，是由器件的非線性特性來實現(xiàn)的，實現(xiàn)了輸入信號的相乘，由三角公式取出其和頻或者差頻。低頻電子線路，器件依然存在著非線性特性。如果講某一靜態(tài)工作點下的非線性傳輸特性由泰勒展開進行逼近，則其包含了一次方項，二次方項，以至于無窮的各次方項。次數(shù)越高則其值越小，高次方項可以忽略，但低次方項的影響卻不能忽略。一個音頻信號，由傅立葉分析，可以分解為各次諧波之加權(quán)。當(dāng)這樣一個信號加入到一個非線形器件上，由該靜態(tài)點轉(zhuǎn)移特性曲線的泰勒展開式中大于2次方項就可以得到諧波的和頻和差頻。這種情況就和高頻中的調(diào)制的概念相吻合。所以低頻放大器中，也存在著調(diào)制失真。而交叉調(diào)制失真，互相調(diào)制失真的概念，要解釋清楚需要非常詳盡的數(shù)學(xué)運算，在此不在詳述，如果有良好的數(shù)學(xué)功底和電路功底，可以閱讀一下高頻電子線路教材。無論如何，我們知道了互調(diào)失真和交調(diào)失真都是由放大器的非線性產(chǎn)生，而且產(chǎn)生這種失真的條件是有至少兩個頻率分量加載到了輸入端。所以，總諧波失真的測試方法，無法得到放大器的交調(diào)失真和互調(diào)失真。我們知道，一般運放開環(huán)增益非常大，當(dāng)加入負反饋之后，由于反饋深度1+AF非常大，所以THD就非常小。但現(xiàn)實的音樂信號，不是這樣單頻率信號，而是由各種頻率疊加的信號。運放本身的線性特性并不非常良好，所以加入音樂信號后，容易產(chǎn)生交調(diào)失真現(xiàn)象。在使用運放設(shè)計放大器的時候，就需要揚長避短。但由于IC的先天優(yōu)勢，在指標上，分立元件還是很難和它想媲美的，光管子的配對問題就是首要難的問題了。要減少交調(diào)失真，就必須從放大器本身的線性特性入手，例如選取合理的靜態(tài)工作點等。一個放大器本身的線性好了，就不存在這些問題了（這句話是我當(dāng)初和我的班主任（一位資深工程師）討論放大器交調(diào)失真時他告訴我的）。 瞬態(tài)互調(diào)失真：我看到過對這種失真的解釋，一般如下。當(dāng)放大器本身存在積分效應(yīng)，輸出延遲于輸入，那么大環(huán)負反饋信號到達輸入端時，并不能于輸入信號完全同步。在大動態(tài)的情況下輸入端晶體管就出現(xiàn)瞬間的過載，差分對進入非線形區(qū)域，輸出不能反應(yīng)輸入變化。從而形成了削波失真。眾所周知，不加局部負反饋的差分對其線性區(qū)域只有52MV的差模輸入范圍。當(dāng)大動態(tài)信號來臨時，由于放大器回路的延遲，反饋信號不能即使到達輸入端，這時差分對就產(chǎn)生瞬時過載，這種失真會影響音質(zhì)。運放的輸入端一般都是動態(tài)差模輸入范圍很小的差分對，如果運放的轉(zhuǎn)換速率不夠高，則容易出現(xiàn)瞬態(tài)互調(diào)失真。同時，瞬態(tài)互調(diào)失真不單出現(xiàn)在輸入級，不單存在于差分對管中，只是差分輸入對是產(chǎn)生這種失真的典型。我一直在想它為什么要取名叫瞬態(tài)互調(diào)失真，瞬態(tài)很容易解釋，但互調(diào)是指什么，這種失真和互相調(diào)制之間有什么關(guān)系。目前我的理解，根據(jù)模擬乘法器電路的特性，當(dāng)其一輸入信號動態(tài)范圍非常大時，這種線形時變狀態(tài)可以實現(xiàn)信號調(diào)制。那么差分對和它也有一定相似之處，是否意指某一個大信號控制著輸入端差分對進入或退出非線形區(qū)域，這樣就是典型的線性時變參量電路，這樣就類似與對其它小信號頻率分量進行調(diào)制。無論互調(diào)指的是什么，既然我們知道了這種失真產(chǎn)生的原因，那么避免它發(fā)生的方法，可以是擴展每一級的輸入動態(tài)范圍，如在差分對中加入局部負反饋，設(shè)計大動態(tài)特性線路。也可以避免回路中的積分效應(yīng)，提高放大器的轉(zhuǎn)換速度。這樣都有利于減小順態(tài)互調(diào)失真的發(fā)生。
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