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| 音頻功放IC的頻率響應(yīng)問題 |
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| 文章來源： 更新時間：2010/7/19 23:51:00 |
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頻率響應(yīng)也稱為“頻率特性”，是放大器的一個重要指標(biāo)。它描述了放大器對于不同頻率電信號放大率的均勻度。
功率放大器是由許多元件和部件構(gòu)成的電路形式，這些元件和部件有的本身就是電抗元件，有的雖然不是電抗元件但實際上卻多少具有電抗成分。從電路分析來看，電抗（包括容抗和感抗）的存在，會使放大器對于信號的不同頻率呈現(xiàn)不同的放大能力，這樣的結(jié)果當(dāng)然是我們不希望出現(xiàn)的，它是一種失真，頻率上的失真。
理想的放大器是不應(yīng)當(dāng)存在失真的，包括上面所說的頻率失真。它應(yīng)當(dāng)從直流（0Hz）一直到微米波、納米波，以至于無限高的高頻率都能夠?qū)崿F(xiàn)相同的放大。然而這樣的放大器僅僅存在于我們的抽象思維中，作為實物它從一開始就沒有出現(xiàn)過，將來可能也不會被制造出來。
頻率響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)示
我們所接觸到的都只能是“實際放大器”，它的放大倍數(shù)只能保證在一個頻率范圍內(nèi)有比較均勻地放大，這個“頻率范圍”又被稱為“通頻帶”。按照電子電路分析的通常判斷方法，在通頻帶的兩端，放大倍數(shù)下降到了中間頻段的0.707倍（即-3dB），低于這個倍數(shù)以外的頻率部分，我們可以認(rèn)為不是有效的放大。
然而對于功率放大器來說，-3dB的不均勻度太粗糙了，所以制定的擴(kuò)音機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中都作了壓縮，國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14200-1993規(guī)定了高保真音頻放大器的有效頻率范圍的最低要求為：
40Hz~16000Hz（相對于1000Hz的容差在±1.5dB之內(nèi)）
看來還真是個“最低要求”，門檻很低，按照現(xiàn)在許多廠家的技術(shù)能力可以輕易地邁過去�？墒沁_(dá)到了這個“國家標(biāo)準(zhǔn)”，就能算是臺好功放？
按國際電工委員會的規(guī)定，高保真功率放大器的頻率響應(yīng)為20Hz~20kHz（±1.5dB）
一些國際著名品牌的放大器，它們所給出的指標(biāo)是20Hz~20kHz（-0.2dB）
這個指標(biāo)向我們表達(dá)的是，到了20kHz以上頻率的時候，放大倍數(shù)只下降了0.2dB的容差，頻率響應(yīng)的上限有可能到達(dá)22kHz。
有關(guān)功率放大器的頻率范圍，有很多種標(biāo)示法，區(qū)別都在于括號里的“容差”，很多廠家把容差標(biāo)得比較大，比如20Hz~30kHz（-3dB），看上去好像頻率響應(yīng)指標(biāo)挺高的，其實這個指標(biāo)所反映的實際水平，很可能還不如一臺標(biāo)有20Hz~20kHz（-0.5dB）的產(chǎn)品。還有一些廠家，干脆就沒有括號里的內(nèi)容，直接標(biāo)上20Hz~40kHz，對于懂行的人來說，像這樣的指標(biāo)可以說沒有什么意義，標(biāo)不標(biāo)都一樣，但是在商場掛上這么一個標(biāo)牌，它的“小聰明”還真的可能起到作用，普通消費(fèi)者容易這樣認(rèn)為：這是一臺高頻特性不錯的功率放大器。
令人沮喪的聽力測試
高檔的晶體管功率放大器，它們的頻率范圍有的標(biāo)出了10Hz~100kHz（±0.5dB）。
然而人類聽音的頻率范圍是20Hz~20kHz，就是說低于20Hz或者超過20kHz的聲音我們是聽不見的。超出這個范圍的聲音，低端的次聲波，我們還有可能通過其他方式感受到，比如說觸覺，但是對于高端的超聲波，確實無法感受到。
那么功率放大器的研制者和使用者為什么如此在意要把它做得那么高呢？
一些發(fā)燒友認(rèn)為，不排除個別人在聽力上的特異性，他們能夠到這種聲音，的確有人聲稱能夠聽到30kHz的聲音（無法驗證）。許多人認(rèn)為自己聽力非常好，對于自己能夠聽到20kHz的聲音這一點深信不疑。
其實在聽力這個問題上，如果經(jīng)過實際測試（純音），可能大多數(shù)人會受到一定的“打擊”，——原來，自己的聽力遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到20kHz！
在一個合適的音量（比如80dB）下面，用信號發(fā)生器連續(xù)調(diào)變聲頻信號的頻率，由低向高，聲音越來越尖，越來越不容易聽見，你可能會發(fā)現(xiàn)，還沒有到20kHz，甚至剛剛上升到15kHz就已經(jīng)什么也聽不見了，不要不以為然，也許你就是這樣的，不完全是因為年齡因素。聽力過早地出現(xiàn)減退，對于長期在噪聲環(huán)境里工作或生活，對于那些經(jīng)常去迪斯科舞廳、吵鬧的酒吧等等環(huán)境的們，可能尤其如此。
但是請不要沮喪，在這里我要說明的是，即使你的聽力只能達(dá)到15kHz，一臺頻率響應(yīng)上限為100kHx的功率放大器，對于你來說也仍然是非常有意義的。
不可或缺的高次諧波
我們知道聲音的三要素是：音高，音色和響度。
其中“音色”（Timebre）對應(yīng)于電信號的“波形”。
物理學(xué)告訴我們，滿足一定條件的周期函數(shù)，可以通過“傅里葉分析”，表達(dá)成為三角函數(shù)的級數(shù)。樂音的波形是周期函數(shù)，可以分解成為n種不同頻率的正弦波，其中最低頻率的那一個稱之為“基波”（基頻），其余的頻率通常為基頻的整數(shù)倍，它們都被稱之為“諧波”，依次為二次諧波、三次諧波……n次諧波。
舉一個比較特殊的例子：在電子電路的實驗中，經(jīng)常用到方波，這種波形經(jīng)過傅里葉變換以后可以得到1、3、5、7次諧波，再以它的基頻是人耳比較敏感的4kHz為例，那么它的7次諧波就是28kHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超出20kHz，對于頻率響應(yīng)的上限只能達(dá)到20kHz的放大器，它所能輸出的波形只能是一個被嚴(yán)重“倒角”的方波，從聽感上和一個沒有被“倒角”方波差別就比較大了。
除了方波以外，還有其他一些波形的頻譜更為復(fù)雜，比如鋸齒波——分量從1到8；又比如矩形脈沖——高達(dá)9個分量！
您也許會說，我們用音響是為了聽音樂，不是為了聽一個信號發(fā)生器產(chǎn)生的音響效果。樂器能夠發(fā)出方波、三角波或者脈沖的聲音來嗎？當(dāng)然，我們從單個樂器的聲音分析中是見不到上述規(guī)范化的波形，但是當(dāng)這些樂器在現(xiàn)場演奏的時候，以及我們周圍的聲音世界就包含有比這些特殊波形更為復(fù)雜的頻譜。使用方波只是為了測試和對比的方便，它可以很直觀地反映出放大器對瞬態(tài)信號的反應(yīng)速度。
作為高保真音響的目的，就是要讓系統(tǒng)發(fā)出來的聲音，聽上去盡可能真實地還原包括樂器演奏在內(nèi)的各種聲音效果，所以理所應(yīng)當(dāng)去重視那些雖然不能直接被聽見，但是對波形又能構(gòu)成較大影響的高次諧波成分。
一個頻率失真的音響系統(tǒng)，完全有可能造成高次諧波的丟失，從而導(dǎo)致電信號的波形發(fā)生改變。
對于不同的音響產(chǎn)品來說，由于放大器和音箱的原因，諧波成分都有不同程度的損失，造成了波形的變化。波形的這些并不算微小的變化造成了“冷”、“暖”或者“中性”的音色趨向。
由于缺少頻率在20kHz以上的聲音，也往往使得我們一下就能聽出來，——我們是在欣賞音樂會呢，還是在聆聽從一套音響發(fā)出的動靜？
在追求高保真音響效果的路途上，數(shù)碼錄音技術(shù)已經(jīng)走在了前頭，頻率響應(yīng)已經(jīng)達(dá)到100kHz，而我們的功率放大器卻基本停留在20kHz（-0.5dB）的水平上裹足不前，并且還有好多機(jī)型實際上達(dá)不到這個水平。
舉足輕重的“音頭”
科學(xué)家在對樂器的聲學(xué)研究中，測試出了不同樂器的聲音頻譜，從這些頻譜來看，很少有超過18kHz的。僅從這一點看，追求超過20kHz的頻率響應(yīng)似乎就缺少依據(jù)。
但應(yīng)當(dāng)指出的是，樂器聲的頻譜分析是在實驗室條件下，建立在樂器持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)出聲音的基礎(chǔ)之上，這與實際演奏的情況并不完全相同。
音色不令取決于頻譜，因為實際的音樂聲并不是保持穩(wěn)定不變的。事實上它的頻率和強(qiáng)度都在時刻不停地變化，如果從動態(tài)的方式去觀察，音樂的演奏過程會有許多強(qiáng)烈變化的、次數(shù)非常高的諧波分量。比如說每一個聲音都有開始和結(jié)束，有一個建立和消失的過程，我們稱之為“音頭”和“音尾”，這個過程對于音色的形成占有相當(dāng)重要的地位。
如果對一段樂器的錄音“掐頭去尾”，很可能放出來的聲音就很難聽出是哪一種樂器。
我們知道管樂器是用嘴來吹的，不同的吹氣方式，就有不同的音頭，但是不管用哪一種方式來吹奏，它們都有著比樂器持續(xù)發(fā)音的頻譜復(fù)雜得多的瞬態(tài)過程。
弦樂器的音頭也不簡單，主要是富含高次諧波的“擦弦聲”構(gòu)成；另外作為聲樂的演唱過程，它的“音頭”還包含有呼吸聲以及其他細(xì)微的動靜。
無論有些專業(yè)的“音樂人”用多么不屑的口氣去評價，音響發(fā)燒友們?nèi)匀唤蚪驑返烙谒麄兊母邫n器材表現(xiàn)，最常見的內(nèi)容，實際上就是描述有關(guān)“音頭”過程的，比如樂手的“換氣聲”、比如小提琴的“松香味十足”，還比如“唇音”、“齒音”……，不能再往下說了，否則歌手的“口水”就下來了。
這些非常“發(fā)燒”的描述語句，相信并非是無中生有，實際上代表了放大器和揚(yáng)聲器系統(tǒng)高頻做得很好，能夠把更多、更高次的諧波（或分量）還原出來，用音響專用的術(shù)語來說，是“解析力”很高。這就是頻率響應(yīng)的上限做高了帶了的好處，而且這好處是一般人注意聆聽都能感受到的，并不是必須得“金耳朵”才能夠聽出來。
但是同樣的描述若是出現(xiàn)在一套頻率響應(yīng)的上限連15kHz都達(dá)不到的音響系統(tǒng)（不要感到吃驚，很多音箱，甚至一些功放都是這個水平�。覀冎荒苷J(rèn)為那是商品推銷員的一種夸大其辭的吹噓。
牽一發(fā)而動全身
考察一個放大器的優(yōu)劣，有很多指標(biāo)，其中頻率響應(yīng)可以說是首先要考慮的。其他諸項指標(biāo)中，還有二項重要指標(biāo)直接與頻率響應(yīng)有關(guān)，分別是：瞬態(tài)響應(yīng)，瞬態(tài)互調(diào)失真。
瞬態(tài)響應(yīng)（SR）系設(shè)備的動態(tài)指標(biāo)，它反映出放大器的“速度快慢”，現(xiàn)在日益受到人們的重視。
頻率范圍的高端越高，也就是高頻特性好的電路，能夠保證有良好的瞬態(tài)響應(yīng)，對于猝發(fā)信號或者脈沖信號，有著非常好的跟隨或者響應(yīng)能力。
而瞬態(tài)響應(yīng)的提高，又有利于克服“瞬態(tài)互調(diào)失真”。瞬態(tài)互調(diào)失真（TIM）也是一個動態(tài)指標(biāo)，這種失真是導(dǎo)致“晶體管聲”的元兇。
所以說提高頻率響應(yīng)，不單單是提高了重放聲音的解析度，而且關(guān)系著功率放大器的內(nèi)在素質(zhì)，還有許多“附帶的”好處！
既然頻率響應(yīng)高一些有好處，那么怎么樣才能做得高呢？負(fù)反饋可以提高頻率響應(yīng)，但是頻率響應(yīng)的提高不能簡單地建立在大環(huán)路負(fù)反饋基礎(chǔ)上，而是依靠選用高頻特性好的元器件以及局部電路高頻特性的改善，以便形成比較好的“開環(huán)特性”。
開環(huán)特性不好的電路，靠深度負(fù)反饋來提高頻響，會反過來造成嚴(yán)重的“瞬態(tài)互調(diào)失真”。
看起來圍繞著“頻率響應(yīng)”這個指標(biāo)，還真的大有文章可作，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是“多聽到一些高音”那么簡單！ |
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