[科普中国]-瞬态互调失真

瞬态互调失真（Transient Intermodulation Distortion），简称TIM失真，这是在70年代才公开发布的失真，它与负反馈关系密切。

互调失真IMD也是一种测量非线性失真的方式。互调失真是来自于两个频率F1与F2，在F1+F2与F1-F2（取绝对值）之间所产生的谐波，这些谐波彼此之间又能继续组合出和、差、乘积。举例来说，14kHz与15kHz的谐波失真就包括了1kHz与29kHz，而通过其中的1kHz，又能与14kHz组合出13kHz，依此类推。测量这些位置的谐波大小，就是互调失真。测试时是发出19kHz与20kHz两个频率的声音，所以图形上在19k与20k的位置会有峰波，可以借此观察在19k左边的图形是否有过多的谐波产生出来。这个值越小，则播放器越好1。

原理在输入脉冲性瞬态信号时，音电路中的电容使输出端不能立即得到应有的输出电压，而使得负反馈电路不能得到及时的响应，耳放在这一瞬间处于开环状态，使输出瞬间过载而产生削波，这一削波失真称为瞬态互调失真，这种失真在反馈深度较大的石机（晶体管电路）上表现较为严重。

众所周知，负反馈（Negative Feedback）的作用是将输出值倒相变为负数，随后将之反馈到输入端，和设定值相减，得出误差信号，然后控制器就会根据误差大小作出修正，从而大幅度减少失真。

但由于负反馈使输入信号和反馈的输出信号相减，降低了信号电平，当负反馈量大到使输出信号降低到和输入信号电平相同，即整个线路完全没有放大时，这种放大器叫缓冲放大器（Buffer Amplifier），它有输入阻抗高，输出阻抗低的优点，常被用来作阻抗匹配使用。如要要使输出信号有较大的电平，那放大器的增益要相应加大，而这在胆机和晶体管机中并不困难。

但负反馈在有效地降低失真时，却引起新的失真即瞬态互调失真，这种失真在晶体管（石机）机上最为严重。这是因为石机常用高达50-60dB左右的深度负反馈来提高工作稳定性和减少失真，虽然此时晶体管机将轻易获得较高的技术参数。但有得也有失，为减少由深度负反馈所引起的高频寄生振荡，石机一般要在前置推动级的晶体管集电极和基极之间加入一个小电容，使高频段的相位稍为滞后，但无论电容的容量如何小，也要有一定时间来充电，当信号中含有高速瞬态脉冲时，电容充电速度跟不上时，这一瞬间线路是处于没有负反馈状态，这个时候由于输入信号没有和负反馈信号相减，造成信号电平过强，使放大线路瞬时过载（Overload），由于石机负反馈量大，过载强度更高，常达到几十倍以上，此时输出信号会出现削波（Clipping）现象，瞬态互调失真由此产生，由于石机中这种失真出现最多，因此该失真常被称为“晶体管”声2。

降低方法瞬态互调失真是由于负反馈放大器延时时间内增益特别大产生的，只要控制好这段时间内的增益即可消除瞬态互调失真。为了消除瞬态互调失真，我们在信号进入放大器的正相输入端的同时，也在负相输入端加上负反馈信号控制它的增益。

虽然负反馈的时间延迟很难解决，但要减少其影响，可用大环路浅度负反馈，这样就算有负反馈时间延迟，输入信号也不过强；另外也可用多级负反馈，这样由于反馈时间快，路径短，不容易诱发瞬态互调失真。此之外，在设计制作时还应尽量利用各种屏蔽和滤波措施来减少各种高频干扰信号进入放大器，这些射频干扰虽然人耳听不见，但它们的频率很高，极易诱发瞬态互调失真。

瞬态互调失真是当信号速度超过放大器的瞬态响应能力范围之外才会发生的，另外，除了这处失真外，过快的信号也会产生另一种即振铃（Ringing）失真现象，当输入信号速度快而幅度小时，最先出现的是振铃现象，当这个信号的速度快到某种程度时瞬态互调失真也会出现，但当信号速度快兼幅度大时，是直接进入瞬态互调失真状态。各种各样的速度快但幅度小的高频干扰噪音，最容易引发振铃，这就是音响设备要有完善的抗干扰措施的一大原因。

降低这种失真的方法主要有：

瞬态互调失真是耳放的一个动态指标，主要由耳放内部的深度负反馈引起的。是影响胆机音质、导致“晶体管声音”和“金属声音”的罪魁祸首。降低这种失真的方法主要有：

1.选择好的器件和调整工作点，尽量提高耳放的开环增益和开环频响。

2.加强各放大级自身的负反馈，取消各环路负反馈。

末端设备对瞬态表现的影响

耳机放大器是光反应用的，具有超高放大倍数的电路单元。可以由分立的器件组成，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的耳房是以单片的形式存在。

我们常常听到某某耳放转换率大，大转换速率能更好的处理强信号，保证信号及时放大，而较小转换率则会让突如其来的强信号处理变得延迟。转换速率多大才是好的，不是本文讨论的重点，明白这个参数和瞬态有些关系就够了2。

论述论晶体管声的元凶“瞬态互调失真”

瞬态互调失真（Transient Intermodulation Distortion），亦称TIM失真。TIM测量方法则迟至70年代才公开发表。由于瞬态互调失真与负反馈密切相关，所以在讨论瞬态互调失真时就需要先从负反馈说起。

负反馈（Negative Feedback）是一种广泛应用于各类工程技术领域，简单而实用的控制技术，负反馈本来是属于控制技术中的闭环控制（Close Loop Control）系统的一个环节，但因为应用广泛，所以常常被用作闭环控制的代名词。负反馈实际上是一种普遍存在于人们日常生活中的自然规律，举例来说，当我们驾驶汽车的时候，如果发现汽车偏离得驶路线，我们就会向相反方向扭动方向盘，使汽车驶回正确路线。在这里我们的眼睛就是充当负反馈通道的作用，负责把输出值（汽车得驶方向）回馈给挖掘器（大脑） ，然后控制器将输出值和设定值（正确方向）互相比较（相减），然后根据比较后的误差，发出修正讯号（扭方向盘）去纠正。由此可见，负反馈的作用是将输出值倒相（变为负数），随后将之回馈至输入端，和设定值相减，得出误差讯号，然后控制器就会根据误差大小作出修正。

在电子放大线路中，由于零件的非线性、对称性、温度的变化，噪音的干扰以及其他种种原因，使信号在被放大的同时，无可避免地被加入各种各样的失真，而负反馈则能有效地降低这些失真。举一个简单的例子来说，如放大器在放大一个正弦波讯号时，由于零件的非线性、对称性、温度的变化会使输出有明显失真。通过负反馈，将失真的信号与输入信号进行比较减去失真。因为是输出与输入相减，虽然稳定了增益，但是放大量也大幅度减小。如果要使输出讯号被放大到足够的强度，放大器的放大率（增益）便要加大，所幸的是这并非难事，尤其是晶体管机。如果我们将负反馈量加大，使输出讯号降低到和输入讯号电平相同的程度，即完全没有放大，这种放大器线路有一个特殊的名称，叫缓冲放大器（Buffer Amplifier）。虽然讯号没有被放大，但因为放大器一般都是输入阻抗高，输出阻抗低。所以缓冲放大器常被用作阻抗匹配之用。

**既然负反馈能有效地降低失真，但为什么又会引起瞬态互调失真呢？**原来问题出在时间上，其中又以晶体管机最为严重。和真空管相比，晶体管有坚固耐用，体积小，重量轻放大率高等优点，其缺点是工作特性不稳定，易受温度等因素影响而产生失真甚至失控。解决办法之一是采用高达50至60dB左右的深度负反馈。反正晶体管的放大率很高，牺牲一些无所谓，由于采用了大深度的负反馈，大幅度减少了失真，所以晶体管机很容易获得高超的技术规格。不过麻烦也就因此而起，为了减少由深度负反馈所引起的高频寄生振荡，晶体管放大器一般要在前置推动级晶体管的基极和集电极之间加入一个小电容，使高频段的相位稍为滞后，称为滞后价或称分补价，可是无论电容如何细小，总需要一定时间来充电，当输入讯号含有速度很高的瞬态脉冲时，小电容来不及充电，也就是说在这一刹那线路是处于没有负反馈状态。由于输入讯号没有和负回输讯号相减，造成讯号过强，这些过强讯号会使放大线路瞬时过载（Overload）。因为晶体管机负反馈量大，讯号过强程度更高，常常达到数十倍甚至数百倍，结果使输出讯号削波（Clipping）。这就是瞬态互调失真，因为在晶体管线路最多出现，所以也被称为“原子粒”声或晶体管声。

这种负反馈时间延迟问题在工业控制系统中也常常遇到，称为纯延迟（Dead Time）问题，其起因绝大部分是因为感应器（Sensor）安装位置太远。例如在一个恒温热水器中，温度探测被安装在远离发热顺的位置，结果是当探测器感应到水温足够时，在发热器附近的水温早就已经过热了。这样的控制结果必然是水温在过热和过冷之间大幅摆动，称为控制超调（Overshoot）或系统振荡。纯延迟仍然是困扰自动控制技术的一大难题，有关解决方法的论文由五十年代少说也有上千篇，但始终找不到一个简单而行之有效的办法。

虽然负反馈出现时间延迟不好对付，但要解决也不是没有办法，我们可以干脆不让它出现，或即使其出现也不至於造成太大的破坏，方法有多种，例如只用小量大环路负反馈，这样即命名出现负反馈时间延迟，输入讯号也不至于过强。所减少的负反馈量则由只跨越1个放大级的局部负反馈代替，，局部负反馈路径短，时间快，不易诱发瞬态互调失真。真空管工作稳定，不一定要用大深度负反馈抑制失真，况且其失真多数是人耳爱听的偶次谐波失真所以胆机没有一般所谓的“原子粒”声。至于其他用于线路设计上防范瞬态互调失真的方法，因涉及较多枯燥的理论，这里就不一一介绍了。

除了在线路设计上防范瞬态互调失真外，发烧友还可以采取另一项措施去减少瞬态互调失真，那就是尽量利用各种屏蔽和滤波措施去减少各种高频干扰讯号进入放大器，虽然这些讯号有许多是属于人耳听不见的射频干扰，但因为其频率很高，极易诱发瞬态互调失真，令输入级过载，使音乐讯号得不到正常的放大。

负反馈方式的设置对功放性能影响很大。一般功放电路负反馈取自输出端。电流放大级产生的失真靠大环路负反馈来改善。这种反馈方式往往使功放在客观上失真度指标是改善了，而主观听感上却不尽人意。末级产生的失真通过负反馈输入前级，再通过前级放大后对其进行补偿与调整，这种补偿与调整必然是滞后的，势必使系统瞬态响应速度降低，易于诱发瞬态互调（TIM）失真，并使高频信号产生失真与相移，在听感上表现为生硬的“晶体管声”。另外，扬声器产生的反电动势和音箱线感应的射频干扰也通过信号产生“污染”，影响了音质的纯正。

为了避免以上缺点，可以采用了前级电压反馈以及用电容将前级与末级隔离。由于这只电容位于信号通道上，为保证音质纯正，选用了金属化聚丙烯电容。这样，末级就变成了无负反馈的0dB后级放大器（纯电流放大器），因此，本级的前级放大取为高增益放大器。许多方法都在实践中，现在还没有一个普遍好用的办法解决“晶体管声”3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学