瞬態互調失真

IMD也是一種測量非線性失真的方式。互調失真是來自於兩個頻率F1與F2，在F1+F2與F1-F2（取絕對值）之間所產生的諧波，這些諧波彼此之間又能繼續組合出和、差、乘積。測量這些位置的諧波大小，就是互調失真。測試時是發出19kHz與20kHz兩個頻率的聲音，所以圖形上在19k與20k的位置會有峯波，可以藉此觀察在19k左邊的圖形是否有過多的諧波產生出來。這個值越小，則播放器越好 ^[1]  。

在輸入脈衝性瞬態信號時，音電路中的電容使輸出端不能立即得到應有的輸出電壓，而使得負反饋電路不能得到及時的響應，耳放在這一瞬間處於開環狀態，使輸出瞬間過載而產生削波，這一削波失真稱為瞬態互調失真，這種失真在反饋深度較大的石機（晶體管電路）上表現較為嚴重。

眾所周知，負反饋（Negative Feedback）的作用是將輸出值倒相變為負數，隨後將之反饋到輸入端，和設定值相減，得出誤差信號，然後控制器就會根據誤差大小作出修正，從而大幅度減少失真。

但由於負反饋使輸入信號和反饋的輸出信號相減，降低了信號電平，當負反饋量大到使輸出信號降低到和輸入信號電平相同，即整個線路完全沒有放大時，這種放大器叫緩衝放大器（Buffer Amplifier），它有輸入阻抗高，輸出阻抗低的優點，常被用來作阻抗匹配使用。如要要使輸出信號有較大的電平，那放大器的增益要相應加大，而這在膽機和晶體管機中並不困難。

但負反饋在有效地降低失真時，卻引起新的失真即瞬態互調失真，這種失真在晶體管（石機）機上最為嚴重。這是因為石機常用高達50-60dB左右的深度負反饋來提高工作穩定性和減少失真，雖然此時晶體管機將輕易獲得較高的技術參數。但有得也有失，為減少由深度負反饋所引起的高頻寄生振盪，石機一般要在前置推動級的晶體管集電極和基極之間加入一個小電容，使高頻段的相位稍為滯後，但無論電容的容量如何小，也要有一定時間來充電，當信號中含有高速瞬態脈衝時，電容充電速度跟不上時，這一瞬間線路是處於沒有負反饋狀態，這個時候由於輸入信號沒有和負反饋信號相減，造成信號電平過強，使放大線路瞬時過載（Overload），由於石機負反饋量大，過載強度更高，常達到幾十倍以上，此時輸出信號會出現削波（Clipping）現象，瞬態互調失真由此產生，由於石機中這種失真出現最多，因此該失真常被稱為“晶體管”聲 ^[2]  。

瞬態互調失真是由於負反饋放大器延時時間內增益特別大產生的，只要控制好這段時間內的增益即可消除瞬態互調失真。為了消除瞬態互調失真，我們在信號進入放大器的正相輸入端的同時，也在負相輸入端加上負反饋信號控制它的增益。

雖然負反饋的時間延遲很難解決，但要減少其影響，可用大環路淺度負反饋，這樣就算有負反饋時間延遲，輸入信號也不過強；另外也可用多級負反饋，這樣由於反饋時間快，路徑短，不容易誘發瞬態互調失真。此之外，在設計製作時還應儘量利用各種屏蔽和濾波措施來減少各種高頻干擾信號進入放大器，這些射頻干擾雖然人耳聽不見，但它們的頻率很高，極易誘發瞬態互調失真。

瞬態互調失真是當信號速度超過放大器的瞬態響應能力範圍之外才會發生的，另外，除了這處失真外，過快的信號也會產生另一種即振動失真現象，當輸入信號速度快而幅度小時，最先出現的是振動現象，當這個信號的速度快到某種程度時瞬態互調失真也會出現，但當信號速度快兼幅度大時，是直接進入瞬態互調失真狀態。各種各樣的速度快但幅度小的高頻干擾噪音，最容易引發振動，這就是音響設備要有完善的抗干擾措施的一大原因。

瞬態互調失真是耳放的一個動態指標，主要由耳放內部的深度負反饋引起的。是影響膽機音質、導致“晶體管聲音”的罪魁禍首。降低這種失真的方法主要有：

1.選擇好的器件和調整工作點，儘量提高耳放的開環增益和開環頻響。

2.加強各放大級自身的負反饋，取消各環路負反饋。

耳機放大器是光反應用的，具有超高放大倍數的電路單元。可以由分立的器件組成，也可以實現在半導體芯片當中。隨着半導體技術的發展，如今絕大部分的耳房是以單片的形式存在。

我們常常聽到某某耳放轉換率大，大轉換速率能更好的處理強信號，保證信號及時放大，而較小轉換率則會讓突如其來的強信號處理變得延遲。轉換速率多大才是好的，不是本文討論的重點，明白這個參數和瞬態有些關係就夠了 ^[2]  。

瞬態互調失真（Transient Intermodulation Distortion），亦稱TIM失真。TIM測量方法則遲至70年代才公開發表。由於瞬態互調失真與負反饋密切相關，所以在討論瞬態互調失真時就需要先從負反饋説起。

負反饋（Negative Feedback）是一種廣泛應用於各類工程技術領域，簡單而實用的控制技術，負反饋本來是屬於控制技術中的閉環控制（Close Loop Control）系統的一個環節，但因為應用廣泛，所以常常被用作閉環控制的代名詞。負反饋實際上是一種普遍存在於人們日常生活中的自然規律，舉例來説，當我們駕駛汽車的時候，如果發現汽車偏離得駛路線，我們就會向相反方向扭動方向盤，使汽車駛回正確路線。在這裏我們的眼睛就是充當負反饋通道的作用，負責把輸出值（汽車得駛方向）回饋給挖掘器（大腦） ，然後控制器將輸出值和設定值（正確方向）互相比較（相減），然後根據比較後的誤差，發出修正訊號（扭方向盤）去糾正。由此可見，負反饋的作用是將輸出值倒相（變為負數），隨後將之回饋至輸入端，和設定值相減，得出誤差訊號，然後控制器就會根據誤差大小作出修正。

在電子放大線路中，由於零件的非線性、對稱性、温度的變化，噪音的干擾以及其他種種原因，使信號在被放大的同時，無可避免地被加入各種各樣的失真，而負反饋則能有效地降低這些失真。舉一個簡單的例子來説，如放大器在放大一個正弦波訊號時，由於零件的非線性、對稱性、温度的變化會使輸出有明顯失真。通過負反饋，將失真的信號與輸入信號進行比較減去失真。因為是輸出與輸入相減，雖然穩定了增益，但是放大量也大幅度減小。如果要使輸出訊號被放大到足夠的強度，放大器的放大率（增益）便要加大，所幸的是這並非難事，尤其是晶體管機。如果我們將負反饋量加大，使輸出訊號降低到和輸入訊號電平相同的程度，即完全沒有放大，這種放大器線路有一個特殊的名稱，叫緩衝放大器（Buffer Amplifier）。雖然訊號沒有被放大，但因為放大器一般都是輸入阻抗高，輸出阻抗低。所以緩衝放大器常被用作阻抗匹配之用。

既然負反饋能有效地降低失真，但為什麼又會引起瞬態互調失真呢？原來問題出在時間上，其中又以晶體管機最為嚴重。和真空管相比，晶體管有堅固耐用，體積小，重量輕放大率高等優點，其缺點是工作特性不穩定，易受温度等因素影響而產生失真甚至失控。解決辦法之一是採用高達50至60dB左右的深度負反饋。反正晶體管的放大率很高，犧牲一些無所謂，由於採用了大深度的負反饋，大幅度減少了失真，所以晶體管機很容易獲得高超的技術規格。不過麻煩也就因此而起，為了減少由深度負反饋所引起的高頻寄生振盪，晶體管放大器一般要在前置推動級晶體管的基極和集電極之間加入一個小電容，使高頻段的相位稍為滯後，稱為滯後價或稱分補價，可是無論電容如何細小，總需要一定時間來充電，當輸入訊號含有速度很高的瞬態脈衝時，小電容來不及充電，也就是説在這一剎那線路是處於沒有負反饋狀態。由於輸入訊號沒有和負回輸訊號相減，造成訊號過強，這些過強訊號會使放大線路瞬時過載（Overload）。因為晶體管機負反饋量大，訊號過強程度更高，常常達到數十倍甚至數百倍，結果使輸出訊號削波（Clipping）。這就是瞬態互調失真，因為在晶體管線路最多出現，所以也被稱為“原子粒”聲或晶體管聲。

這種負反饋時間延遲問題在工業控制系統中也常常遇到，稱為純延遲（Dead Time）問題，其起因絕大部分是因為感應器（Sensor）安裝位置太遠。例如在一個恆温熱水器中，温度探測被安裝在遠離發熱順的位置，結果是當探測器感應到水温足夠時，在發熱器附近的水温早就已經過熱了。這樣的控制結果必然是水温在過熱和過冷之間大幅擺動，稱為控制超調（Overshoot）或系統振盪。純延遲仍然是困擾自動控制技術的一大難題，有關解決方法的論文由五十年代少説也有上千篇，但始終找不到一個簡單而行之有效的辦法。

雖然負反饋出現時間延遲不好對付，但要解決也不是沒有辦法，我們可以乾脆不讓它出現，或即使其出現也不至於造成太大的破壞，方法有多種，例如只用小量大環路負反饋，這樣即命名出現負反饋時間延遲，輸入訊號也不至於過強。所減少的負反饋量則由只跨越1個放大級的局部負反饋代替，局部負反饋路徑短，時間快，不易誘發瞬態互調失真。真空管工作穩定，不一定要用大深度負反饋抑制失真，況且其失真多數是人耳愛聽的偶次諧波失真所以膽機沒有一般所謂的“原子粒”聲。至於其他用於線路設計上防範瞬態互調失真的方法，因涉及較多枯燥的理論，這裏就不一一介紹了。

除了在線路設計上防範瞬態互調失真外，發燒友還可以採取另一項措施去減少瞬態互調失真，那就是儘量利用各種屏蔽和濾波措施去減少各種高頻干擾訊號進入放大器，雖然這些訊號有許多是屬於人耳聽不見的射頻干擾，但因為其頻率很高，極易誘發瞬態互調失真，令輸入級過載，使音樂訊號得不到正常的放大。

負反饋方式的設置對功放性能影響很大。一般功放電路負反饋取自輸出端。電流放大級產生的失真靠大環路負反饋來改善。這種反饋方式往往使功放在客觀上失真度指標是改善了，而主觀聽感上卻不盡人意。末級產生的失真通過負反饋輸入前級，再通過前級放大後對其進行補償與調整，這種補償與調整必然是滯後的，勢必使系統瞬態響應速度降低，易於誘發瞬態互調（TIM）失真，並使高頻信號產生失真與相移，在聽感上表現為生硬的“晶體管聲”。另外，揚聲器產生的反電動勢和音箱線感應的射頻干擾也通過信號產生“污染”，影響了音質的純正。

為了避免以上缺點，可以採用了前級電壓反饋以及用電容將前級與末級隔離。由於這隻電容位於信號通道上，為保證音質純正，選用了金屬化聚丙烯電容。這樣，末級就變成了無負反饋的0dB後級放大器（純電流放大器），因此，本級的前級放大取為高增益放大器。許多方法都在實踐中，現在還沒有一個普遍好用的辦法解決“晶體管聲” ^[3]  。