关于放大电路失真现象的研究

模拟电子技术研讨论文放大电路失真现象的研究学院：电子信息工程学院专业：通信工程学号：学生：指导教师：***2013年5月目录引言 (3)1.失真类型及产生原因 (3)1.1非线性失真 (3)1.2线性失真 (3)2.各类失真现象分析 (4)2.1截止、饱和和双向失真 (4)2.1.1截止、饱和失真理论分析 (4)2.1.2饱和失真的Mutisim仿真 (4)2.1.3双向失真分析及改善方案 (5)2.2交越失真 (5)2.2.1交越失真理论分析 (5)2.2.2传统交越失真改善方案 (6)2.2.3基于负反馈的改善方案 (6)2.3不对称失真 (7)2.3.1不对称失真概念 (7)2.3.2不对称失真理论分析 (7)2.3.3传统负反馈改善方案 (8)2.3.4多级反相放大改善方案 (8)2.4线性失真 (9)2.4.1线性失真理论分析 (9)2.4.2线性失真电路设计及改善方案仿真 (9)3.用双级反相放大改善不对称失真的电路设计 (10)4.总结 (11)【参考文献】 (12)放大电路失真现象的研究（北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044）摘要：失真问题是模拟电子技术中的一个重要问题，系统化解决失真问题，能够给放大电路在工程中的设计提供便利。

本文简单地介绍了失真的类型，系统地介绍了各类失真现象产生的原因，同时设计了各类失真电路，给出了各类失真的改善方案，对部分失真问题进行了仿真实验。

关键词：非线性失真、线性失真、三极管放大电路、负反馈、Multisim仿真引言在放大电路中，其输出信号应当如实的反映输入信号，即他们尽管在幅度上不同，时间上也可能有延迟，但波形应当是相同的。

但在实际电路中，由于种种原因，输入信号不可能与输入信号的波形完全相同，这种现象叫做失真。

在工程上，电路的失真影响着放大电路的正常使用，在理论上对各种失真现象的原理的研究，有利于工程上快速检测出放大电路失真的原因，从而完善放大电路的设计。

Multisim仿真软件支持模拟电路、数字电路及模数混合电路的设计仿真，仿真结果准确直观。

利用Multisim进行仿真，方便了放大电路失真现象的理论研究。

1.失真类型及产生原因放大电路产生失真的主要原因有两个，据此可以将失真分为两大类：①非线性失真（nonlinear distortion）：晶体三极管等元件的工作点进入了特性曲线的非线性区，使输入信号和输出信号不再保持线性关系，这样产生的失真称为非线性失真。

②线性失真（linear distortion）：放大器的频率特性不好，对输入信号中不同频率成分的增益不同或延时不同，这样产生的失真成为线性失真。

1.1非线性失真非线性失真产生的主要原因来自三方面：第一是晶体三极管等特性曲线的非线性；第二是静态工作点位置设置的不合适；第三是输入信号过大。

由于晶体三极管工作在非线性区而产生的非线性失真有5种：饱和失真、截止失真、双向失真、交越失真和不对称失真。

1.2线性失真通常放大电路的输入信号是多频信号，由于放大电路中有隔直流电容、射极旁路电容、结电容和各种寄生电容，使得放大电路对信号的不同频率分量具有不同的增益幅值或者相对相移发生变化，就使输出波形发生失真，前者称为幅度失真，后者称为相位失真，两者统称为频率失真。

频率失真是由电路的线性电抗元件引起的，故又称线性失真，其特征是输出信号中不产生输入信号中所没有的新的频率分量。

2.各类失真现象分析通过以上分析我们知道，常见失真现象包括：截止失真（cutoff distortion）、饱和失真（saturation distortion）、双向失真（bidirectional distortion）、交越失真（crossover distortion）、不对称失真（asymmetrical distortion）、幅度失真（amplitude distortion）和相位失真（phase distortion）。

其中截止失真、饱和失真和双向失真的产生原理类似，可以归为一类研究。

2.1截止、饱和和双向失真2.1.1截止、饱和失真理论分析在共发射极放大电路中，设输入信号U i为正弦波，并且工作点选择在输入特性曲线的直线部分，这样它的输入电流i B也将是正弦波。

如果由于电路元件参数选择不当，使I BQ比较高，静态工作点（Q A点）电流I CQ比较高，则对输入电流的负半周，基极总电流i B和集电极总电流i C都减小，使集电极电压U C升高，形成输出电压的正半周，这个输出电压仍然是正弦波，没有失真。

但是在输入电流的正半周中，当I BQ增加时，I CQ随之增大，由于输出电压反相，这样形成的输出电压的负半周的底部被削，不再是正弦波，产生了失真。

这种由于放大器件工作到特性曲线的饱和区产生的失真，称为饱和失真。

相反地，如果静态工作点(Q B)电流I CQ选择的比较低，在输入电流正半周时，输出电压无失真。

但是，在输入电流的负半周，晶体管将工作到截止区，从而使输出电压的正半周的顶部被削，产生了失真。

这种失真是由于放大器工作到特性曲线的截止区产生的，称为截止失真。

截止失真和饱和失真原理图如图2-1所示：图2-1如果所使用的晶体三极管是PNP 型的，则饱和失真时将出现削顶，而截止失真将出现削底。

PNP管组成的放大电路输出波形失真情况与NPN管组成的放大电路输出波形失真情况完全相反。

2.1.2饱和失真的Mutisim仿真仿真以饱和失真为例，为方便体现NPN管和PNP管的区别，仿真中NPN管和PNP管的放大电路均采用单管共射电路，两放大电路共地，输入信号相同。

仿真电路如图2-2。

图2-2饱和失真观察：当将放大电路基极偏置电阻的阻值R1和R2设置成较小值时，两放大电路工作点变高，接近饱和区。

适当增大输入信号幅度时，则出现饱和失真，输出波形如图2-3所示。

其中上边波形为NPN管放大电路的输出波形，出现底部失真，下边波形为PNP管放大电路的输出波形，出现顶部失真。

图2-32.1.3双向失真分析及改善方案当输入信号幅度过大时，有可能同时出现饱和失真和截止失真，这种失真就是双向失真。

不难看出，为避免产生这种失真，静态工作点Q应位于交流负载线的中点，并要求输入信号幅度不要过大。

2.2交越失真2.2.1交越失真理论分析单管乙类功放电路仅在半个周期内有电流通过，尽管相对于甲类功放电路减小了管耗，有利于提高输出效率，但使输入信号的半个波形被削掉，存在严重的波形失真。

如果用两个管子，使之都工作在乙类放大状态，但是一个在正半周期，而另一个工作在负半周期，同时使这两个输出波形都能加到负载上，从而使负载得到一个完整的波形，这样就能解决效率与失真的矛盾。

电路原理图如图2-4。

电路中T1和T2分别为NPN和PNP 型管，当信号处于正半周期时，T1承担放大任务，T2截至，有电流通过负载R L。

而当信号处于负半周期时，则刚好相反，T2承担放大任务，T1截至，仍然有电流通过负载R L。

这样，图2-4所示基本互补对称电路实现了在静态时管子不取电流，而在有信号时，T1和T2轮流导通。

图2-4由于三极管PN结的压降，图2-4所示的互补对称功放电路并不能使输出波形很好地反映输入的变化。

由于没有直流偏置，管子的基极电流i B必须在U BE大于某一数值(即门坎电压，NPN 硅管约为0．6V，PNP锗管约为0．2V)时才有显著变化。

当U i低于这个数值时，T1和T2都截至，i c1和i c2基本为零，负载R L上无电流流过，出现一段死区，这就是交越失真产生的基本原理。

交越失真现象图如图2-5所示。

图2-52.2.2传统交越失真改善方案为了克服交越失真的影响，传统的改善方案是立足于通过电路改进的方式来实现。

常见的解决方法为：甲乙类双电源互补对称电路法和甲乙类单电源互补对称电路。

甲乙类互补对称法电路原理如图2-6所示。

图2-6由图可见，T1和，T2组成互补输出级。

静态时，在二极管D1、D2上产生的压降为T1、T2提供了一个适当的偏压，使之处于微导通状态。

由于电路的对称，静态时i c1=i c2，i L =0，U0=0。

有信号时，由于电路工作在甲乙类，即使U i很小，基本上也可以进行线性放大。

甲乙类单电源互补对称电路本质与上述方法一样，只是用电容C和一个电源E c来代替原来的+E c和-E c的作用。

2.2.3基于负反馈的改善方案在实际电路设计中，功放的输入信号一般都是由运算放大器提供。

基于负反馈原理来稳定输出的电路只有两种形式，区别就在于负载是否接地，下面以负载不接地类来研究，来说明负反馈解决交越失真的原理。

负反馈工作原理可用图2-7来说明。

图2-7当前级运算放大器的输出电压低于三极管PN结电压时，三极管不能导通，电路处于交越失真状态。

负反馈信号线采样电压为零，由于运算放大器工作于差动放大，负反馈线上的反馈信号则会使运算放大器自动调整放大系数，来增大输出电压，三极管立刻导通，保证输出与输入的线性关系。

当电路正常工作时，若负载发生小的扰动，则反馈线会将扰动电压反馈给运算放大器，由于采用的是负反馈，则放大器会自动朝相反的方向调整增益来抵消扰动的影响。

因此负反馈还可以增加电路的稳定性，增强抗干扰能力。

为了验证上述分析的正确性，采用Multisim软件来仿真，仿真电路图如图2-7所示，分别用示波器测量负载波形和基极电压波形，仿真结果如图2-8所示。

（a）负载波形图（b）三极管基极电压波形图2-8根据仿真结果图2-8（a）可以得到，通过负反馈法可以解决交越失真的影响，同时可以增加电路的稳定性。

根据图2-8（b）仿真结果还可得，由于负反馈的作用，三极管基极公共结点处的电压波形已经不再是正弦波，而是在绝对值等于0．6V处发生跃变，保证了基极结点处电压绝对值不会低于三极管PN结压降，从而保证三极管时刻处于导通状态，这也证明了上面负反馈原理分析的正确性。

2.3不对称失真2.3.1不对称失真概念对线性电阻，输入是正弦波电压，则输出电压也是正弦波。

电阻阻值变化时，输入是正弦波，则输出就会偏离正弦波。

将放大器中输入正弦电压时输出电压偏离正弦波的现象叫做不对称失真。

三极管放大器中的非线性失真电压波形的基本特征是一个波头矮胖，另一个瘦长，如图2-10。

非线性失真属于柔性失真。

非线性失真可以用若干方法来抑制或补偿。

2.3.2不对称失真理论分析图2-9是三极管输入特性曲线，其斜率叫做三极管的输入电阻。

可看出，三极管输入电阻r be在正弦信号电压瞬时变化过程中一直随着总电流变化。

电流越大，r be越小。

从晶体管输入特性曲线可看出，在正弦信号电压负半波，电流总量较小，r be较大，结果使信号电流、基极电流交流分量、集电极电流交流分量的负半波都比较小，反相后反映为负载电压正半波矮胖；在正弦信号电压正半波，电流总量较大，r be较小，使信号电流、基极电流交流分量、集电极电流交流分量的正半波都比较大，反相后反映为负载电压负半波瘦长，见图2-10。