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偶次谐波与奇次谐波失真 [复制链接]

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只看楼主 倒序阅读 0 发表于: 2007-02-12

偶次諧波失真與奇次諧波失真

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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: Image:THD2a.jpg 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: Image:THD3a.jpg

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: Image:THD2b.jpg

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: Image:THD2c.jpg 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: Image:THD3.jpg 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:

Image:THDB2.jpg

負載RL兩端的波形及負載RL上的波形如下: Image:THDB2P.jpg 下圖為這三個訊號的頻譜: Image:THDB2F.jpg 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:

Image:THDB3.jpg

負載RL兩端的波形及負載RL上的波形如下: Image:THDB3P.jpg 下圖為這三個訊號的頻譜: Image:THDB3F.jpg 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: Image:BTHD.jpg 負載RL兩端及負載RL上訊號的頻譜如下: Image:BTHDF.jpg 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。



爱乐永恒
只看该作者 1 发表于: 2007-02-12
受教了!还要好好消化消化。
一堆盗版:三菱黑胶、音乐人、满天星
一个原则:只能动用小金库
一种至爱:胆光幽幽
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