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偶次諧波失真與奇次諧波失真

「諧波失真」THD 包含偶次諧波失真與奇次諧波失真。然而偶次諧波失真與奇次諧波失真對波形的影響為何？只要把波形畫出來便可知曉。

下圖為一種二次諧波失真的圖形： 圖中綠色的波形為基頻，紅色的波形為二次諧波，藍色的波形為基頻與二次諧波兩者合成後的失真波形。

這種失真波形的上升部分與下降部分並不對稱，這顯示放大器的輸入─輸出轉換特性曲線，在訊號上升與下降時所沿著的曲線並不相同，而有「磁滯現象」。這種失真通常由帶有鐵芯的變壓器所產生。

「磁滯失真」不只會產生偶次諧波，也會產生奇次諧波。下圖為三次諧波磁滯失真的圖形：

一般放大器的輸入─輸出轉換特性曲線，在訊號上升與下降時所沿著的曲線是重合的，所以波形的上升部分與下降部分是對稱的。下圖為這種二次諧波失真的圖形：

圖中顯示出這種二次諧波失真會造成波形的正負半週不對稱。由基頻與偶次諧波兩者的波峰、波谷的對應位置來看，可歸納出偶次諧波失真會造成波形的正負半週不對稱。波形的正負半週不對稱代表放大器的輸入─輸出轉換特性曲線上下不對稱，上圖的負半週較小，正半週較大，表示負半週的增益較小，正半週的增益較大。

這種失真通常由放大元件的非線性而來，像是雙極性電晶體、FET、真空管等等。

而雙極性電晶體、FET這些元件具有轉換特性互補的型態，其轉換特性曲線的變化正好相反。因此其輸出波形變成負半週較大，正半週較小，如下圖所示： 圖中的二次諧波跟上一個圖反相，所以這兩種失真波形相加之後，二次諧波會抵消掉。

但奇次諧波的狀況又如何？

下圖為三次諧波失真的圖形： 其基頻與奇次諧波兩者的波峰、波谷的對應位置是峰對峰、谷對谷，因此可歸納出奇次諧波失真不會造成波形的正負半週不對稱。而且基頻與奇次諧波兩者的波峰、波谷的對應位置是峰對峰、谷對谷，所以互補元件的奇次諧波失真還是同相，因此互補電路的奇次諧波失真不會抵消掉。

偶次諧波失真會造成波形正負半周不對稱，假設是正半周較大、負半周較小，表示偶次諧波跟基頻的波峰、波谷對齊的都是波峰。這個放大元件的輸入－輸出轉換特性曲線，由負電位到正電位的放大率是由小漸漸變大。而跟它互補對稱的放大元件，其輸入－輸出轉換特性曲線就反過來，由負電位到正電位的放大率是由大漸漸變小，表示偶次諧波跟基頻的波峰、波谷對齊的都是波谷。一個對齊的是波峰，一個對齊的是波谷，表示這兩個偶次諧波是反相的。一個是正半周大、負半周小，一個是正半周小、負半周大，兩者相加之後，正負半周就變成對稱一樣大。但已知偶次諧波失真會造成波形正負半周不對稱，既然正負半周對稱，表示偶次諧波抵消掉。

奇次諧波失真不會造成波形正負半周不對稱，表示奇次諧波跟基頻的相對位置是波峰對波峰、波谷對波谷。所以互補元件的奇次諧波跟基頻的相對位置都一樣是波峰對波峰、波谷對波谷，因此互補元件的奇次諧波失真是同相的，兩者相加不會抵消掉。

由此可說明互補對稱的放大器設計可以消除偶次諧波失真，但無法消除奇次諧波失真。

然而N型半導體和P型半導體在飄移率、擴散速度……等特性上的差異，讓互補元件要完全互補也很困難，然而對於平衡式放大系統而言，偶次諧波失真相當於共模訊號，而平衡式放大系統的主要功能便是消除共模訊號，所以平衡式放大系統可以徹底消除偶次諧波失真，只留下奇次諧波失真。

下圖為包含二次諧波失真的平衡式電路：

負載RL兩端的波形及負載RL上的波形如下： 下圖為這三個訊號的頻譜： 由頻譜中可看出RL兩端的訊號都含有二次諧波，但RL上的訊號中，二次諧波不見了！

下圖為包含三次諧波失真的平衡式電路：

負載RL兩端的波形及負載RL上的波形如下： 下圖為這三個訊號的頻譜： 由頻譜中可看出RL上的訊號中，三次諧波仍然留了下來。

接下來用雙極性電晶體來模擬看看，電路如下： 負載RL兩端及負載RL上訊號的頻譜如下： 由頻譜中可看出RL上的訊號中，偶次諧波都不見了，只留下奇次諧波失真。

由此可以看出，非平衡的放大器跟平衡式放大器在諧波失真的成分上是大不相同的，甚至把非平衡的放大器橋接成平衡式放大器的狀況也是如此。有人把非平衡的放大器改成平衡式放大器後，覺得聲音變好聽了。也有人把非平衡的放大器改成平衡式放大器後，覺得聲音變難聽了。或許覺得聲音變難聽的人基本上比較喜歡含有偶次諧波失真的聲音。覺得聲音變好聽的人基本上比較不喜歡含有偶次諧波失真的聲音。