放大器的非线性失真
放大器非线性失真研究装置设计与测试
AUTOMOBILE DESIGN | 汽车设计时代汽车 放大器非线性失真研究装置设计与测试臧竞之 李希平杭州广安汽车电器有限公司 浙江省杭州市 311402摘 要： 基于STM32F334单片机设计制作的一个放大器非线性失真研究装置。
该设计采用晶体管放大电路将信号源放大，使用四双向模拟开关（CD4066BM）做模拟开关，利用单片机自带ADC采集电压变化，用FFT 算法实现的低频谐波失真度的测量。
使用THD的计算公式计算出线性放大器的“总谐波失真”近似值。
通过EKT043显示触摸屏显示当前输出波形和失真度并且可以通过按键进行波形选择。
关键词：STM32F334单片机 晶体管 ADC采集 FFT算法1 系统方案论证1.1 方案描述信号源输出频率为1kHZ、峰峰值为20mV的正弦波，通过晶体管放大电路放大到峰峰值不小于2V，频率为1kHZ的无明显失真正弦波形，顶部失真波形，底部失真波形，双向失真波形，交越失真波形这5种波形[1]。
通过ADC采集电压变化，用FFT算法实现的低频谐波失真度的测量，使用THD计算公式计算出非线性失真的输出的“总谐波失真”近似值。
通过EKT043显示触摸屏显示当前输出波形和失真度。
如图1所示。
1.2 方案比较与选择1.2.1 失真度测量方法的比较与选择方案一：失真度计以模拟法为基础，采用基于基波抑制原理的基波抑制方法，通过频率选择性无源网络抑制基波，并从抑制基波后的总均方根电压和均方根谐波电压中计算失真度，基波抑制法构成的失真度测量仪可以解决频率范围为100Hz～10KHz、失真度为1×10-5～100％的总体谐波失真测量，测量准确度为±5％～±30％左右，测量较为方便。
方案二：采用快速傅立叶变换（FFT）算法对量化后的信号进行处理，得到基波和各次谐波的电压，从而计算出失真度[2]。
为了提高非整周期采样条件下失真度测量的精度，可以采用准同步法对被测信号的基波和谐波电压进行精确测量。
功率放大器非线性失真特性研究
功率放大器非线性失真特性研究功率放大器是电子设备中一种重要的电路，可以将信号的电压或电流进行放大，并输出到外部电路中。
随着科学技术的不断发展，功率放大器的应用范围越来越广泛。
但是，功率放大器中存在着非线性失真的问题，这会对信号的传输产生负面影响。
本文将就功率放大器非线性失真特性进行深入探讨。
一、功率放大器的工作原理功率放大器主要由直流供电、输入信号放大、输出阶段等组成。
在工作时，信号被输入到输入端，并通过输入信号放大器进行放大，然后被输送到输出阶段，并从输出端输出。
在放大过程中，功率放大器需要保证输出信号与输入信号之间的线性关系，否则就会出现失真现象。
但是，有些因素会导致功率放大器出现非线性失真，如功率放大器本身的非线性特性、电容和电感等元件的非线性特性、信号的过载等。
二、功率放大器的非线性失真特性1.交叉失真交叉失真是指两个频率不同的信号在功率放大器内交叉产生失真引起的失真。
这种失真主要由功率放大器的非线性特性引起。
当两个不同频率的信号同时存在于功率放大器中时，会产生交叉相位，这会导致交叉失真的发生。
2.截止失真截止失真是指输出信号的幅度不能随着输入信号的幅度而无限制地增加。
当输入功率达到一定程度时，输出功率开始波动，无法再继续增加。
这种失真主要由功率放大器的内部电压限制引起，当电压超过一定限制时，输出信号的幅度就无法再随着输入信号的幅度而增加。
3.交调失真交调失真是指两个频率不同的信号在功率放大器内交互作用产生失真引起的失真。
当两个不同频率的信号同时作用于功率放大器时，会在放大器内产生交互作用，导致交调失真的发生。
三、功率放大器非线性失真控制方法1.负反馈负反馈是一种消除失真的方法，它可以通过将一部分输出信号输入到功率放大器的输入端进行控制，从而减小输出信号与输入信号之间的误差。
负反馈可以降低失真程度并提高整个系统的线性度，但它不能彻底消除失真。
2.滤波滤波是一种消除失真的方法，它可以将出现于功率放大器输出端的失真信号进行筛选，只保留有效信号而滤去失真信号。
干货｜大学生电子竞赛题目分析——放大器非线性失真研究装置
干货｜大学生电子竞赛题目分析——放大器非线性失真研究装置1任务设计并制作一个放大器非线性失真研究装置，其组成如图所示，图中的K1和K2为1×2切换开关，晶体管放大器只允许有一个输入端口和一个输出端口。
2要求K1和K2均投到各自的“1”端子，外接信号源输出频率1kHz、峰峰值20mV的正弦波作为晶体管放大器输入电压u i，要求输出无明显失真及四种失真波形u o，且u o的峰峰值不低于2V。
外接示波器测量晶体管放大器输出电压u o波形。
（1）放大器能够输出无明显失真的正弦电压u o（2）放大器能够输出有“顶部失真”的电压u o（3）放大器能够输出有“底部失真”的电压u o（4）放大器能够输出有“双向失真”的电压u o（5）放大器能够输出有“交越失真”的电压u o（6）分别测量并显示上述五种输出电压u o的“总谐波失真”近似值。
（7）其他3说明（1）限用晶体管、阻容元件、模拟开关等元器件设计并实现图中的受控晶体管放大器，其输出的各种失真或无明显失真的信号必须出自该晶体管放大电路，禁用预存失真波形数据进行D/A转换等方式输出各种失真信号。
（2）在设计报告中，应结合电路设计方案阐述出现各种失真的原因。
（3）无明显失真及四种具有非线性失真电压u o的示意波形如下图所示：（4）总谐波失真定义：线性放大器输入为正弦信号时，其非线性失真表现为输出信号中出现谐波分量，常用总谐波失真（THD：total harmonic distortion）衡量线性放大器的非线性失真程度。
THD定义：若线性放大器输入电压其含有非线性失真的输出交流电压为则有：在完成设计要求的第（6）项时，谐波取到五次即可，即（5）对THD自动测量期间，不得有任何人工干预。
（6）K1和K2的“2”端子用于作品测试。
题目分析与方案设计本题主要由两部分组成：一个晶体管放大器、一个谐波分析电路。
题目要求的晶体管放大器是一个具有特殊要求的放大器，要求通过切换某些元件后，不仅能够输出正常的无失真波形，还能输出4种失真波形，分别为顶部失真、底部失真、双向失真与交越失真。
模拟电子技术基础知识运算放大器的非线性特性解析与应用
模拟电子技术基础知识运算放大器的非线性特性解析与应用模拟电子技术中的运算放大器是一种重要的电子元件，广泛应用于信号处理、滤波、运算和放大等领域。
运算放大器被设计为线性的电路，但在实际应用中，其非线性特性常常会对电路性能产生影响。
本文将对运算放大器的非线性特性进行解析，并探讨其在实际应用中的重要性。
1. 非线性特性的定义和分类非线性特性指的是电路输出与输入信号不成比例的关系。
在运算放大器中，这种非线性特性通常体现为失真、交叉耦合和非线性增益等现象。
2. 失真失真是指运算放大器输出信号中含有不同于输入信号的频谱成分。
主要的失真形式包括谐波失真、交调失真和互调失真等。
谐波失真是输出信号中含有输入信号频率的整数倍频率成分；交调失真是输出信号中含有输入信号频率之间的交叉成分；互调失真则是当输入信号有多个频率时，输出信号中含有两个或多个频率之间的非线性交叉成分。
3. 交叉耦合交叉耦合是指在运算放大器中，当输入信号的一个分量变化时，会影响到其他分量的输出。
这种非线性耦合效应会导致输出信号中出现与输入信号成分无关的非线性成分，从而改变电路的运算性能。
4. 非线性增益非线性增益是指运算放大器在不同输入信号幅度下的输出增益不一致性。
在理想的运算放大器中，输出信号应该与输入信号成比例，但由于非线性特性的存在，输出信号的增益并不是恒定的。
这种非线性增益会导致信号失真，并降低电路的工作精度。
5. 非线性特性的应用尽管非线性特性会对电路性能产生影响，但在某些应用场景下，非线性特性也是被利用的。
例如，压限放大器（limiter amplifier）就是一种利用非线性特性的运算放大器，它被广泛应用于无线通信中用于抑制干扰信号、防止过载和保护接收机等方面。
6. 技术手段与解决方案为了解决运算放大器的非线性特性问题，工程师们提出了许多技术手段和解决方案。
例如，通过合理的设计，可以采用负反馈手段来补偿非线性特性，使得输出信号更加稳定和准确。
放大电路非线性失真
放大电路非线性失真电子设备中，放大电路是一个非常重要的部分。
它可以将弱信号放大，使其能够被后续电路准确处理。
然而，放大电路在实际应用中存在着非线性失真的问题，这对信号的准确传输和信息的可靠获取带来了一定的影响。
本文将探讨放大电路非线性失真的原因，并介绍几种常见的解决方法。
一、非线性失真的原因放大电路中的非线性失真主要来源于电子元件本身的非线性特性以及电路的工作条件。
下面将分别介绍这两个方面的原因。
1.1. 电子元件的非线性特性常见的电子元件，如二极管、三极管等，其工作特性难以完全满足理想线性状态。
例如，在二极管的伏安特性曲线中，前向电压和电流之间并不是简单的线性关系。
在实际电路中，二极管的非线性特性会导致放大电路输出信号存在失真。
同样，三极管的工作也存在非线性问题。
三极管的输入输出特性曲线通常是非线性的，这意味着在较大的输入信号下，输出信号会产生失真。
1.2. 电路的工作条件电路的工作条件也会对放大电路的线性度产生一定的影响。
例如，过大的电源电压会使放大器进入饱和区域，导致信号失真。
而过小的电源电压则可能使放大器工作在低电压区，造成信号截断。
此外，温度的变化以及电源电压的波动等也会对电路的线性度产生影响。
这些因素都是导致放大电路非线性失真的原因之一。
二、非线性失真的解决方法针对放大电路的非线性失真问题，工程师们提出了多种解决方法，下面将介绍几种常见的方法。
2.1. 负反馈负反馈是一种常用的解决放大电路非线性失真问题的方法。
通过将放大电路的输出信号与输入信号进行比较，并将其差值作为反馈信号输入到电路中，可以使得放大器的动态特性更加稳定，减小非线性失真。
2.2. 使用线性化技术线性化技术包括预失真技术、补偿网络技术等。
通过在放大电路中加入一定的预处理电路或者补偿网络，可以根据非线性特性对信号进行适当的处理，使得输出信号更加接近理想线性状态。
2.3. 优化电源控制通过优化电源的控制方式，可以改善放大电路的线性度。
简述基本放大电路中,放大信号的波形出现失真的原因及其消除方法
简述基本放大电路中,放大信号的波形出现失真的原因及其消
除方法
在基本放大电路中，放大信号的波形出现失真的原因主要有两个方面：非线性失真和频率响应失真。
1. 非线性失真：非线性失真是指放大器输出的波形不精确地复制了输入信号的形状。
这是因为放大器的非线性特性会导致输出信号中包含原始信号所没有的额外谐波成分。
该失真的消除方法包括：
- 使用线性放大器：选择具有较高线性特性的放大器，尽量减少非线性失真；
- 使用负反馈：将一部分放大器的输出信号送回输入端，对放大器进行修正，减少非线性失真；
- 使用补偿电路：通过加入适当的补偿电路，可以抵消放大器中的非线性特性，减轻非线性失真。
2. 频率响应失真：频率响应失真是指放大器对不同频率的信号放大程度不同，导致输出信号的波形形状发生变化。
该失真的消除方法包括：
- 设计合适的放大器截止频率：根据需要放大的信号频率范围，选择合适的截止频率，使得放大器具有平坦的频率响应； - 使用频率补偿电路：通过加入补偿电路，在放大电路中对不同频率进行补偿，使得输出信号的频率响应更加平坦；
- 选择合适的电容和电感元件：在放大电路中选择合适的电容和电感元件，以满足不同频率的信号传输要求，减少频率响应的失真。
通过以上方法的综合应用，可以减少放大信号波形的失真，使得放大
电路输出的波形更加准确地复制了输入信号的形状。
放大器的非线性失真
放大器的非线性失真The document was prepared on January 2, 2021放大器的非线性失真非线性失真是模拟电路中影响电路性能的重要因素之一.本章先从非线性的定义入手,确定量化非线性的一个度量标准,然后研究放大器的非线性失真及其差动电路与反馈系统中的非线性,并介绍一些线性化的技术.概述非线性的定义电路非线性是指输出信号与输入信号之比不为一个常量,体现在输出与输入之间的关系不是一条具有固定斜率的直线,或体现为小信号增益随输入信号电平的变化而变化.放大器的非线性定义：当输入为正弦信号时,由于放大器管子的非线性,使输出波形不是一个理想的正弦信号,输出波形产生了失真,这种由于放大器管子参数的非线性所引起的失真称为非线性失真.由于非线性失真会使输出信号中产生高次谐波成分,所以又称为谐波失真.非线性的度量方法1 泰勒级数系数表示法：用泰勒级数展开法对所关心的范围内输入输出特性用泰勒展开来近似：)()()()(33221 +++=t x t x t x t y ααα 对于小的x ,y t≈α1x ,表明α1是x ≈0附近的小信号增益,而α2,α3等即为非线性的系数,所以确定式中的α1,α2等系数就可确定.2 总谐波失真THD 度量法：即输入信号为一个正弦信号,测量其输出端的谐波成分,对谐波成分求和,并以基频分量进行归一化来表示,称为“总谐波失真”THD .把xt=Acosωt 代入式中,则有：+++++=+++=)]3cos(cos 3[4)]2cos(1[2cos cos cos cos )(332213332221t t A t A t A t A t A t A t y ωωαωαωαωαωαωα由上式可看出,高阶项产生了高次谐波,分别称为偶次与奇次谐波,且n 次谐波幅度近似正比于输入振幅的n 次方.例如考虑一个三阶非线性系统,其总谐波失真为：2331233222)43()4()2(THD A A A A αααα++= 3 采用输入/输出特性曲线与理想曲线即直线的最大偏差来度量非线性.在所关心的电压范围0 V i,max 内,画一条通过实际特性曲线二个端点的直线,该直线就为理想的输入/输出特性曲线,求出它与实际的特性曲线间的最大偏差ΔV ,并对最大输出摆幅V o,max 归一化.即在如图所示.V图 非线性的确定单级放大器的非线性1 由于管子特性引起的非线性以共源放大器为例来说明单级放大器的非线性,如图所示是带电阻负载的共源放大器.V S +v sVo图 共源放大器图中V S 为M 1管的直流工作点,即栅源电压,而v s 则为输入的交流小信号,假定输入的交流小信号为：t cos V v m s ω= 则根据饱和萨氏方程可得其漏极电流为： 2)cos (t V V V K I m th GS N D ω+-=上式中I D0为直流输出,所以在输出端的交流信号可表示为：+++-=)]2cos(1[21cos )(22t V K t V V V K I m N m th GS N d ωω输出信号的基波与二次谐波的幅度之比为：)(42th GS mV V V A A -=ωω 由上式可以看出MOS 放大器的非线性失真是由于输出电流与输入电压的平方关系引起的,当V m 很小时,二次谐波可以忽略.2 由放大器传输特性引起的非线性带电阻负载的共源放大器的传输特性如图所示.V图 带电阻负载的共源放大器的传输特性由上图可以看出,放大器的非线性失真与输入信号大小、直流工作点偏置点有关.一般放大器的最大输出幅度是指无失真的输出.所以当偏置点不同时同一放大器的输出幅度是不同的.由于V o ＝V DD －I D R ,而放大器的电压增益为：A v =－g m R ,所以当电源电压为常数时,随着电阻R 值的增大,放大器的增益增加,但输出幅度的动态范围减小.差分电路的非线性对于差分电路,由于输入与输出间表现出一种“奇对称”的关系,即f －x=－fx ,所以对式的泰勒展开式进行简化,应只有奇次项,所有的偶次项系数为零,即输入为差分信号时差分放大器不存在偶次谐波,从而减少了非线性.V图 相同电压增益的单端放大器与差分放大器对于如图所示的差分放大器,其小信号电压增益为：)(2 R V V K R g A th GS N m v -=≈ 与共源放大器一样,假设输入信号为V m cosωt .则有：21D D o I I I -= 21GS GS id V V V -=根据饱和萨氏方程有：22221)(4 2idth GS id N id NS idN D D V V V V K V K I V K I I --=-=-从式可以看出,只有当N S id K I V /2≤时,I D1、I D2才有意义,而当V id 较小时,△I D ＝I D1－I D2和V id 才是线性的.所以一般认为在满足N S id K I V /±≤时,差分放大器是线性的.如果|V id |<<V GS －V th ,则将式中的根号下的式子展开得：)(8cos cos )(2 )(81)(2)(41)(2233222221⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡---=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡---≈---=-th GS m m th GS N th GS idth GS id N th GS idth GS di N D D V V t V t V V V K V V V V V V K V V V V V V K I I ωω 利用三角函数的性质cos 3ωt=3cosωt+cos3ωt/4对式进行进一步的简化,有：)(32)3cos(cos )(323232321th GS m m th GS m m m D D V V t V g t V V V V g I I --⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=-ωω 由上式可以看出：差分放大器的非线性失真只包含有奇次谐波,而无偶次谐波分量,且当])(32[323th GS m m V V V V ->>时,其三次谐波分量与基次谐波分量的比值为： )(32/22th GS m V V V -.与式相比可发现：在提供相同的电压增益与输出摆幅的情况下,差动电路呈现的失真要比共源放大的失真要小得多.电路中器件引起的非线性前面介绍的者是假定无源组件为线性,但实际上,特别是在集成电路中,无源组件也都是非线性的.这里主要介绍电容以及用MOS 管作电阻的非线性. 1 电容的非线性电容的非线性主要体现在开关电容电路中,电容器对电压的依赖关系可能会引入相当大的非线性.如图所示的电容结构,则是一个非线性电容.图 一种非线性电容结构对于图中的电容,由于其电容值的大小与PX 二点的电压值即电容两端的电压有关,通常此电容可表示为：)1(2210 +++=V V C C αα 为了考虑电容非线性的影响,分析如图a 所示的开关电容电路.CV oV i0a b图 a 非线性电容的开关电容电路 b 输出曲线假设图中放大器输入电容C 1上有一初始电压为V i0,而输出电容C 2的初始电压为零,且C 1是一非线性电容,并假设C 1/C 2＝K 电路的死循环增益,C 1＝KC 01＋α1V ,则电容C 1上获得的电荷为：201000100112)1( 00i i V V V KC V KC dV V KC dV C Q i i αα+=+==⎰⎰而在放大模式终止时,电容C 2上的电荷为：2100222o o V V C V C dV C Q oα+==⎰而根据电荷守恒定理,Q 1＝Q 2,所以可令式与式相等,则可求得：)211(10120211i i o V K V K V ααα+++-=上式中平方根项下的后两项通常远小于1,因此可以对平方根项展开,有：20102)1(i i o V K K KV V α-+≈从上式可以看出输出电压V o 的非线性是由第二项产生的.2 MOS 管作为电阻的非线性如图所示,为一个有源滤波器,其中使用MOS 管作为其电阻,V VGV oV V o图 用MOS 管作为电阻的有源滤波器选择V G 的电压使MOS 管工作在线性区,因此根据萨氏方程有： DS DSth GS N d V )2V V V (K i --= 对上式进行泰勒展开得：+----=)(21))((22S D N S D th GS N d V V K V V V V K i 式中V D －V S ＝V DS ,则其等效电阻为：++--==)(21)(S D N th GS N DS d V V K V V K V i R 上式中第一项为线性电阻,第二项为非线性电阻,使滤波器电路产生非线性,所以用简单管子工作在非饱和区作电阻时使电路产生非线性,当V D ＋V S 很小时,非线性可以忽略.克服非线性的技术 原理在模拟电路中改善和克服非线性失真的方法基本上都是采用负反馈.其基本的工作原理如下：考虑放大器的非线性失真时,输出信号可以表示为：h v di v o v DA v A v 00+=式中D 为谐波失真系数,v h 为输入端的谐波信号.则一个反馈系统可用图表示.Dv图 反馈系统的对非线性的影响的原理框图由上图可得到：of v f v F v ⋅= f sf di v v v -= di v h v of v A Dv A v 00+=把式、代入式h v sf v v v of Dv A v A F A v 000)1(+=+即：vv hv vv sf v of F A Dv A F A v A v 000011+++=上式说明,非线性失真减小是用降低系统增益换来的,反馈放大器输入信号幅度与无反馈时相同,则负反馈放大器的输出信号缩小了1＋A v0F v 倍.为了便于比较,应将输出信号中的基波幅度调到与无反馈时相同,则有： s v v sf v F A v )1(0+= 把式代入到式中可得到：vv hv s v of F A Dv A v A v 0001++=由上式可以看出负反馈作用使放大器输出信号中的谐波成分减小了,若以D F表示,则有： vv F F A DD 01+=上式说明负反馈放大器非线性失真比无反馈放大器减小了1＋A v0F v 倍.上述情况也可以从放大器的传输特性曲线来理解.假定一个放大器一般放大器的开环传输特性曲线失真可以用分段线性近似,如图所示.图 传输特性曲线失真的分段线性近似表示法当v s ≤V s1时,放大器开环增益为A 1；当V s1＜v s ≤V s2时,放大器开环增益为A 2；当v s ＞V s2时,放大器开环增益为A 3.实际为传输特性的斜率,从此可以看出A 3为零,由于放大器随着输入信号的变化放大器增益的不一致,使输出波形将有失真.当放大器加反馈后该放大器闭环时的增益分别为假定反馈系数都为F v vvo v v F A A A 10111+=vvo v v F A A A 20221+=当反馈深度足够时,则有：A v1=1/F v ,A v2=1/F v ,A V3=0因为A 3＝0.由上述关系画出闭环放大器传输特性如图中虚线所示,可以看出放大器的增益降低了,但线性范围扩展了,只有当v s >V s2时输出信号被限幅,才会失真.所以负反馈放大器在输出信号中非线性失真减小,反馈越深,负反馈放大器线性工作范围越大缓冲器最大：它是全反馈,非线性失真也越小,当放大器进入饱和区后,输出波形限幅.当放大器输入信号本身包含有谐波成分时,负反馈是无法将这种谐波成分减小的,只有加滤波器.改善放大器非线性失真的实际电路1 共源放大器线性电阻源级负反馈如图a所示,这是一个串联负反馈电路,且反馈系数为F＝R S.VoViIa b图a带电阻负反馈的共源级 b不同反馈时的漏电流与Vi的关系负反馈减小了晶体管栅源之间施加的信号的摆幅,因此使得输入－输出特性具有更好的线性.忽略体效应,共源级的等效跨导为：1Smmm RggG+=当g m R S>>1时,则G m接近于1/R S,这是一个与输入无关的值.由图b可以发现R S越大,则ID越稳定.该电路的电压增益为：G m R,由于R S与R都是线性化的,因此A v也是线性的.并且该电路的线性范围直接取决于g m R S,g m R S越大则线性范围越大.例对于一个偏置电流为I0的共源级放大电路如图所示,其输入电压摆幅使漏电流由变化到.则MOS管的跨导发生变化,引起电路的非线性失真,计算以下三种情况下小信号电压增益的变化a R S＝0,b g m R S＝2的负反馈,c g m R S＝4,其中g m是I D＝I1时的跨导.解：假定M1工作于饱和区,则有DmIg∝.则：a当R S＝0时,即不存在负反馈时,有：4.06.0,,=lmhmggb 当g m R S＝2时,由式可得：4.06.00.89)6.021()4.021(4.06.0)4.01/(4.0)6.01/(6.0,,=++=++=SmmSmmlmhmRggRggGGc 同理,当g m R S ＝4时有：4.06.00.86 )6.041()4.041(4.06.0)4.01/(4.0)6.01/(6.0,,=++=++=S m m S m m lm h m R g g R g g G G由式与式可知：当g m R S ＝2时,线性度提高了11%；而当g m R S ＝4时,线性度提高了14%.2 差分放大器的线性负载共源放大器线性电阻源级负反馈,可直接应用到差分放大器中形成差分放大器的线性负载负反馈.如图a 、b 所示.a b图 差分对中使用的源级负反馈 a 一个电阻 b 两个电阻图a 、b 中的差分输入的半电路相同,如同图a 所示.因此其负反馈的作用也与带线性电阻负反馈的共源放大器的效果一样.在图a 中, V GS 抬高了I S R S /2电压值比不带反馈的放大器,而当V id ＝0时,电阻上通过I S /2的电流,因而提高反馈深度以提高线性范围与输出压摆之间是一矛盾的关系,另外,失调与噪声都存在负反馈作用,所以对失调与噪声都有改善.而图b 中,仅用一个电阻,且电阻2R S 上无电流流过,因此失调与噪声不存在负反馈作用,所以容易产生较大的失调和噪声.在MOS 差分运算放大器中,要求R S 能很精确,但是由于工艺原因,其电阻值存在着很大误差,所以一般在制造中采用工作在很深三极管区的MOS 管作为电阻,此时的电阻呈线性特征,当V DS 很小时有：R on3=1/2K N V GS -V th .如图所示.图 通过工作在深线性区的MOSFET 实现负反馈的差分对然而,当输入摆幅较大时,不能保证M 3处于深线性区,因此它的导通电阻将会增大,从而引入了非线性.当图中的电阻R S 用两个工作于深线性区的NMOS 管来实现时,就构成了如图所示的电路.图 用两个工作在线性区的MOSFET 负反馈的差分对当V id ＝0时,M 3与M 4都处在深线性区.假设V id 为负值,即V G1＜V G2,由于V D4＝V G4－V GS2,晶体管M 4处在线性区,而M 4则因为其漏极电压大于栅源电压,最终将进入饱和区.因此,即使一个负反馈器件进入饱和区,电路仍能保持相对线性.在设计时,令W/L 1,2≈7W/L 3,4,则可得到较宽的线性范围.但是在图中,当M 3、M 4进入饱和区时,电阻增加,在管子上的压降增大,使电路脱离了线性区.3 改变输入对管的输入特性来克服放大器的非线性强制输入对管始终工作在深的线性区,如图所示,图中运放A 1、A2使得：V A ＝V B ≈V b,且不受输入电平变化的影响,而且要求V b <<V GS1－V th1,因此输入对管M 1、M 2始终工作于深线性区.13V b图 输入器件工作在线性区的差分对该电路的特点为：1 由于M 1、M 2工作于深线性区,故它们的跨导较小,且为：g m1=g m2=2K N1V DS =2K N1V b . 所以这种线性范围的扩大是以增益的降代为代价的.2 因为M 1、M 2的工作状态与V i 的共模电平有关,所以输入共模电平必须严格控制,并跟踪V b ,以便确定I D1和I D2.3 M 3,M 4与两个辅助放大器在输出端会产生很大的噪声.4 利用器件特性的互补法其思路是将放大器看作由一个电压－电流V/I转换器后面再接一个电流－电压I/V转换器构成.这样在理想情况下,电压－电流转换时的非线性用其后的电流－电压的非线性相互抵消,从而产生线性的放大器.但在实际中,由于存在着各种其它非理想效应都会在电路中产生非线性,从而减小了放大器的线性工作范围.。
什么是电路中的放大器失真
什么是电路中的放大器失真放大器是电子电路中常见的一个重要组件，其主要功能是将输入信号放大至需要的幅度，并将其输出。
然而，在实际应用中，放大器常常会引入一定的失真，影响信号的传输和质量。
本文将介绍什么是电路中的放大器失真，以及其产生的原因和常见类型。
一、放大器失真的定义在电路中，放大器失真指的是放大器输出信号与输入信号之间存在的非线性关系，导致输出信号形状或幅度发生改变，与原始信号存在差异。
这种失真会导致原始信号的畸变，降低信号的准确性和保真度。
二、放大器失真的原因1. 非线性特性：放大器在放大信号时，其放大增益往往会随着输入信号的变化而变化。
当输入信号较小或靠近放大器的饱和区时，放大器会表现出非线性的放大特性，导致失真现象的发生。
2. 频率响应：放大器在不同频率下的放大特性可能有所不同，其中某些频率段上的放大增益会有所衰减或变化。
这种频率响应不均导致输出信号的失真。
3. 输出载荷：放大器的输出端常常需要连接负载电阻或其他电子组件。
不正确的负载匹配或负载电阻的变化也会导致放大器输出信号的失真。
4. 温度效应：放大器在工作时会产生一定的发热，而温度的变化会引起电子器件的参数变化。
因此，温度的变化可能导致放大器工作状态发生变化，从而导致失真的发生。
三、放大器失真的类型1. 线性失真：线性失真是放大器输出信号与输入信号之间存在的线性变化关系。
例如，信号增益的非线性变化将导致放大器输出的失真。
2. 非线性失真：非线性失真是放大器输出信号与输入信号之间存在的非线性变化关系。
非线性失真可以进一步细分为各种类型，如谐波失真、交叉失真等。
谐波失真指的是输出信号中包含输入信号频率的整数倍频率成分，而交叉失真则指的是输出信号中包含输入信号频率之外的频率成分。
3. 相位失真：相位失真是指放大器输出信号的相位与输入信号的相位之间存在的差异。
相位失真会导致信号波形的畸变或时序错误。
四、放大器失真的影响放大器失真对信号的传输和质量会产生多种影响，其中包括：1. 信号失真：放大器失真会引起输入信号的形状、幅度或频谱发生变化，从而导致信号的失真。
功率放大电路的几种失真特点
功率放大电路的几种失真特点1.引言1.1 概述概述部分应当对功率放大电路的失真特点进行简要介绍。
可以参考以下内容进行编写：功率放大电路是现代电子技术领域中常见的一种电路拓扑结构，被广泛应用于音频放大、射频放大以及其他对输出功率要求较高的领域。
然而，虽然功率放大电路可以实现信号的放大，但在实际应用中会产生一些失真现象，对输出信号的品质造成一定的影响。
失真特点是指功率放大电路在信号放大过程中，产生了与输入信号不一致的变形现象。
这些失真包括非线性失真、相位失真、交叉失真等。
非线性失真是指输入输出特性在非线性区域存在失真，导致输出信号包含输入信号中不存在的频谱成分。
相位失真是指输入信号中不同频率的相位关系在输出信号中发生了改变，造成信号波形变形。
交叉失真是指两个或多个频率的信号在放大过程中相互干扰产生的失真。
了解功率放大电路的失真特点对于电子工程师和研究人员具有重要的意义。
首先，失真特点的研究可以帮助我们更好地理解功率放大电路的工作原理，为电路设计和优化提供指导和参考。
其次，了解失真特点可以帮助我们选择合适的补偿方法，减小失真对输出信号品质的影响。
最后，对功率放大电路失真特点的研究也为进一步提升电路性能和应用领域拓展提供了基础。
本文将重点介绍功率放大电路的几种常见失真特点，并探讨其产生的原因和可能的缓解方法。
通过对这些失真特点的深入分析，希望能够为功率放大电路的设计、优化和应用提供一定的参考价值。
1.2文章结构本文将探讨功率放大电路的几种失真特点。
为了更好地组织文章内容，本文将分为三个部分进行阐述。
首先，在引言部分我们将对本文的主题进行概述，介绍功率放大电路及其在电子领域中的重要性。
同时，我们还会简要介绍文章的结构，包括各章节的主题和内容，以方便读者把握全文的脉络。
其次，在正文部分，我们将详细讨论功率放大电路的两种主要失真特点。
第一种失真特点将会着重讨论...（这里可以简要描述第一种失真特点的内容）。
第二种失真特点则会聚焦于...（这里可以简要描述第二种失真特点的内容）。
放大器非线性失真检测系统
*3 3 2 1
P3
B5 bc
GND
-5
OUT
GND
-5
+5
GND
1 2 3 4 5 6 7 8
Y4 Y6 Z Y7 Y5 E* VEE GND
VCC Y2 Y1 Y0 Y3 S0 S1 S2
16 15 14 13 12 11 10 9
HC4052
1 2 3 4 5 6 7 8
Y4 Y6 Z Y7 Y5 E* VEE GND
VCC Y2 Y1 Y0 Y3 S0 S1 S2
16 15 14 13 12 11 10 9
HC4052
+5A3
A2
A1
A4 S0
*2
S1 S2
3 2 1
P3
+5 C3 C2 C1 C4
S0 S1 S2
+ +
D1 D2 D3 D4 D5 R2 1K
R4 R5 R6 R7 R8 479 525 534 1k 676
良好性能的放大器已经成为了当前的一个热门研究课题，与
此同时各个行业对其性能指标的要求也日渐严格。如要求放
大器能够达到较高频率、信号稳定性强、转换速度快，无非
线性失真、功率和频谱利用率高等目标。当放大器处在理想 工作情况下，其输入信号的波形应与输出信号的波形一致。
电子电路中常见的放大器失真问题解决方法
电子电路中常见的放大器失真问题解决方法放大器作为电子电路中常见的组件，起到放大信号的作用。
然而，由于各种因素的影响，放大器在工作时会产生失真问题。
本文将探讨电子电路中常见的放大器失真问题，并提供一些解决方法。
一、失真问题的分类在电子电路中，放大器的失真问题主要分为三类：线性失真、非线性失真和时间失真。
1. 线性失真：线性失真是指放大器的输出信号与输入信号不成比例的情况。
常见的线性失真类型包括增益失真、相位失真和频率响应失真。
2. 非线性失真：非线性失真是指放大器输出信号中包含频率变换、非线性畸变和交叉失真等问题。
其中，频率变换是指输入信号的频率与输出信号的频率不同；非线性畸变是指输出信号与输入信号之间的非线性关系；交叉失真是指不同频率信号之间互相干扰的问题。
3. 时间失真：时间失真是指信号在放大器中传播时，不同频率信号到达输出端的时间不一致，导致失真问题。
二、解决方法针对上述不同类型的失真问题，有一些常见的解决方法可以采用。
1. 对线性失真问题的解决方法：（1）增益失真：增益失真一般是由于放大器的放大系数不稳定引起的。
解决方法是使用反馈电路来调整放大器的增益，使其更加稳定。
（2）相位失真：相位失真会导致信号的相位变化，进而影响到信号的传输和还原。
解决方法是使用相位补偿电路，通过补偿相位差来达到准确的放大。
（3）频率响应失真：频率响应失真使得输出信号的频率响应与输入信号不一致。
解决方法是采用滤波器电路，来补偿频率响应的不一致性。
2. 对非线性失真问题的解决方法：（1）频率变换：频率变换可以通过使用合适的滤波器来解决。
滤波器可以选择在特定频率范围内降低或削弱某些频率成分，从而实现频率变换的纠正。
（2）非线性畸变：非线性畸变可以通过使用补偿电路来解决。
补偿电路可以根据输入信号的非线性特征进行调整，以实现输出信号的线性化。
（3）交叉失真：交叉失真可以通过使用解耦电容、添加补偿电路等方法来解决，以减小不同频率信号之间的干扰。
简述基本放大电路中,放大信号的波形出现失真的原因及其消除方法
简述基本放大电路中,放大信号的波形出现失真的原因及其消
除方法
基本放大电路中，放大信号的波形出现失真的原因主要有以下几个：
1. 非线性失真：放大电路中的元件（如晶体管）工作在非线性区域，造成输入信号的不同部分被放大的程度不一样，导致输出信号失真。
2. 饱和失真：当放大电路中的晶体管工作在饱和状态时，无论输入信号有多大，输出信号的幅度都无法继续增大，导致输出信号失真。
3. 频率失真：放大电路对不同频率的信号响应不同，如低频信号被放大得太弱或者高频信号被放大得太强，导致频率失真。
4. 相位失真：放大电路对不同频率的信号的相位延迟不同，导致相位失真。
为消除放大信号的波形失真，可以采取以下方法：
1. 选择合适的放大电路：根据信号的特点选择合适的放大电路，如可以选择线性放大器来避免非线性失真。
2. 使用反馈：通过引入反馈电路，将放大电路的输出与输入进行比较，对输出进行修正，从而减小失真。
3. 频率补偿：在放大电路中加入频率补偿电路，可以调整放大电路对不同频率的响应，减小频率失真。
4. 相位补偿：在放大电路中加入相位补偿电路，可以调整放大电路对不同频率的相位延迟，减小相位失真。
5. 优化电路设计：合理选择元件、优化布局和参数设计等，可以减小失真程度。
总之，通过合适的放大电路选择、引入反馈、补偿电路以及优化电路设计等方法，可以有效消除基本放大电路中放大信号的波形失真。
放大器非线性失真研究装置
计算机工程应用技术本栏目责任编辑：梁书放大器非线性失真研究装置武慧玲（湖南农业大学信息与智能科学技术学院，湖南长沙410128）摘要：该装置是甲类放大电路与互补推挽电路共同组成的多级晶体管放大器，用来实现信号的非线性失真研究。
系统采用stm32f103c8t6为主控，继电器作为参数切换开关，可以实现无明显失真、顶部失真、底部失真、双向失真以及交越失真。
通过AD 端口采集谐波分量，利用算法分析计算非线性失真度，用oled 显示上述五种波形总谐波失真的近似值。
最终测试结果表明：该装置可以出现无明显失真和四种失真波形且该装置的非线性失真程度较小。
关键词：放大器；非线性失真；谐波分量计算；自动采集；算法分析中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2021)13-0249-02开放科学（资源服务）标识码（OSID ）:放大器主要用于通信、广播、雷达、自动控制等装置中。
实际中常常需要把一些微弱信号，放大到便于测量和利用的程度[1]。
放大器的作用如此之多，对放大器的研究是十分有必要的。
本设计采用简单的晶体管和阻容元件并运用晶体管放大电路原理[2]设计出一款适用于研究放大器非线性失真的装置。
本装置可以研究放大器的顶部失真、底部失真、双向失真以及交越失真，满足放大器出现的五种非线性失真研究。
1系统方案1.1系统总体设计该系统主要由信号源，晶体管放大器和微控制器组成。
信号源由数字信号发生器产生输入晶体管放大器，晶体管放大器放大电路前端电路使用甲类放大电路，后端使用推挽电路，前端电路和后端电路共同作用使放大信号出现无明显失真波形和四种非线性失真波形。
系统工作原理框图如图1所示，由stm32微控制器控制驱使继电器开关，继电器控制参数改变特定电阻，从而改变每一级的静态工作点产生失真现象，按键和OLED 屏实现人机交换，按下按键切换模式转换不同波形模式，同时stm32微控制器采样输出的非线性失真谐波，用oled 显示测量出的THD 数值。
模拟电子技术基础知识运算放大器的非线性特性分析
模拟电子技术基础知识运算放大器的非线性特性分析模拟电路中的运算放大器是一种重要的电子元件，用于处理和放大模拟信号。
然而，由于运算放大器的非线性特性，其输出在一定范围内不完全与输入信号成比例，导致输出信号失真。
本文将对运算放大器的非线性特性进行分析，并探讨其产生的原因及可能的解决方法。
一、非线性特性的原因1. 饱和现象：当输入信号的幅值超过运算放大器的供电电压范围时，运算放大器将输出最大值（正饱和）或最小值（负饱和），导致输出信号的失真。
2. 引线效应：运算放大器内部的引线产生的电阻、电感和电容会对电路的频率响应产生影响，使得输出信号与输入信号的幅频特性不一致，也会导致非线性失真。
3. 温漂问题：温度变化会导致运算放大器的性能参数发生变化，如增益、输入偏置电流等，进而影响输出信号的准确性。
二、非线性特性的影响1. 噪声增加：非线性失真将引入更多的高频噪声成分，降低系统的信噪比，影响信号的质量。
2. 频率失真：非线性特性会导致输入信号的不同频率分量在输出端的放大程度不一致，引起频率失真现象。
3. 相位失真：非线性特性还会改变输入信号的相位，使得输出信号与输入信号之间的相位差发生变化，引起相位失真。
三、非线性特性的衡量方法为了衡量运算放大器的非线性特性，可以采用以下方法：1. 线性度曲线：通过绘制输入输出特性曲线，观察输出信号与输入信号之间的关系，可以判断运算放大器的线性度。
2. 总谐波失真（THD）：使用频谱分析仪测量输出信号的谐波含量，计算出总谐波失真的百分比，该值越低，表示非线性失真越小。
3. 交调失真：交调失真是指当输入信号存在多个频率分量时，它们之间产生新的谐波和交调分量，从而导致非线性失真。
四、非线性特性的改善方法为了改善运算放大器的非线性特性，可采取以下措施：1. 反馈技术：应用负反馈可以降低非线性失真。
通过将部分输出信号与输入信号进行比较，调整放大器的增益，可以减小非线性特性的影响。
2. 选择合适的运算放大器：不同型号的运算放大器具有不同的非线性特性。
浅谈功率放大器的非线性特性
浅谈功率放大器的非线性特性引言功率放大器非线性化是有源电子器件固有特性，研究功放非线性机理并采取改善措施，具有重要意义。
现存的改善功放的非线性失真的技术有很多，当前被广泛应用研究的一项为预失真处理技术，应用此项技术的研究成果虽已被用于实际的产品，但在新算法、实现复杂度、计算速度、效果精度等方面仍有相当的研究价值。
预失真的基本原理是：在功放前设置一个预失真处理模块，这两个模块合成效果使整体输入-输出特性线性化，输出功率得到充分利用。
记输入信号，输出信号为，预失真器的输出和功放输入为。
设功放输入-输出传输特性为，预失真器特性为，那么预失真处理原理可表示为表示为和的复合函数等于，预失真技术的核心是寻找预失真器的特性，使得它们复合后能满足，式中常数是功放的理想“幅度放大倍数”（）。
如果测得功放的输入和输出信号值，就能拟合功放的特性函数，然后利用上式，可以求得。
在功放的特性已知条件下，求解方程是一类特殊的函数方程，常采取数值计算，用最小化目标误差函数的方法，求得近似的。
目标误差函数的选取和判断准则因建模方法而异，总体原则是使预失真和功放的联合模型呈线性后误差最小。
1 问题描述根据提供的某功放无记忆效应的复输入-输出测试数据，建立非线性特性的数学模型，然后用NMSE评价所建模型的准确度。
根据线性化原则以及“输出幅度限制”和“功率最大化”约束，建立预失真模型。
写出目标误差函数，计算线性化后最大可能的幅度放大倍数，运用评价指标参数NMSE/EVM评价预失真补偿的结果。
2.问题的分析与模型的建立2.1 功放非线性特性的数学模型的建立在实际的应用中，为了获得功率放大器比较理想的输出结果，必须多对其进行线性化。
由于功率放大器的输出不仅与输入信号有关，而且还受工作温度等因素的影响。
此外功率放大器都是具有记忆效应的，即其输出不但与现在的输入相关，而且也与过去时刻的信号有关。
再输入信号的宽带足够小的情况下，可以认为功率放大器无记忆效应，本问题所分析研究的功率放大器，都是基于无记忆效应情况下进行的【1】。
电子电路中的功率放大器失真问题如何解决
电子电路中的功率放大器失真问题如何解决在电子设备中，功率放大器被广泛应用于音频放大、射频通信、电力控制等领域。
然而，功率放大器在工作过程中常会出现失真问题，这对于电路的正常运行和信号质量产生不良影响。
因此，解决功率放大器失真问题成为电子工程师们的重要任务。
本文将探讨功率放大器失真问题的原因，并介绍几种解决方案。
一、原因分析功率放大器失真问题的主要原因包括非线性特性、温度效应和负载变化等。
1. 非线性特性：功率放大器的非线性特性导致输入信号与输出信号之间的失真。
当输入信号幅度较小时，功率放大器的增益线性；但当输入信号幅度增大时，放大器的增益将发生变化，出现非线性失真。
2. 温度效应：功率放大器在工作过程中会产生一定的热量，这会导致其内部元件的温度变化。
由于电子元件的性能与温度密切相关，温度的变化也会引起功率放大器的失真。
3. 负载变化：当功率放大器所驱动的负载发生变化时，输出信号与输入信号之间的匹配程度会发生变化。
这种负载变化也是功率放大器失真的一个主要原因。
二、解决方案为了解决功率放大器失真问题，我们可以采取以下几种解决方案：1. 线性化技术：线性化技术是一种常用的解决功率放大器失真问题的方法。
其基本原理是通过增加反馈回路，将输出信号与输入信号进行比较，并根据比较结果对输入信号进行调整。
这样可以有效地减小功率放大器的非线性失真。
2. 温度补偿：由于温度变化对功率放大器性能的影响，我们可以采取温度补偿措施来降低温度效应对失真的影响。
例如，使用温度传感器来感知功率放大器的温度，并通过反馈机制对功率放大器进行温度补偿，以保证其在不同温度下的工作稳定性。
3. 功率放大器设计：在功率放大器的设计过程中，我们可以采用一些策略来减小失真。
例如，选择合适的工作点，使功率放大器在线性区域内工作；优化电路布局，减小互ference和串扰等。
4. 使用高质量元件：选择高质量的电子元件可以提高功率放大器的性能和可靠性，减小失真。
放大器的线性失真与非线性失真概念的理解
放大器的线性失真与非线性失真概念的理解
一个理想的放大器，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．但是，在实际放大器中，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．放大器产生失真的原因主要有2 个：
①放大器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．
非线性失真产生的主要原因来自2 方面：①晶体管等特性的非线性；
②静态工作等位置设置的不合适或输入信号过大．由于放大器件工作在非线性区而产生的非线性失真有4 种：饱和失真、截止失真、交越失真和不对称失真。
当电路有非线性失真时，输入正弦信号，输出将变成非正弦信号．而该非正弦信号是由基波和一系列谐波组成的，这就是非线性失真的特点．一个电路非线性失真的大小，常用非线性失真系数r 来衡量．r 的定义
为：输出信号中谐波电压幅度与基波电压幅度的百分比．显然r 的值越小，电路的性能也就越好．
其次，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，使得它对不同频率的输入信号所产生的增益及相移是不同的．这样，当输入信号是非正弦波时，即使电路工作在线性区，也会产生失真，称为线性失真。
另外一种说法：。
放大器的非线性失真
放大器的非线性失真放大器是电子设备中非常重要的一个组件，其主要功能是将输入信号放大到更大的幅度。
然而，放大器并非完美，可能会引入一些非线性失真。
非线性失真是指输出信号的波形不同于输入信号的波形。
这是由于放大器的非线性特性导致的。
在放大器中，输入信号经过放大后，通过输出。
然而，由于电子元件本身的限制，例如晶体管和功率放大器，放大器输出信号可能会有所改变。
在放大器中，主要的非线性失真包括谐波失真和交叉失真。
谐波失真是指输出信号中存在放大倍数倍数的谐波。
例如，在音频放大器中，输入信号通常是一个正弦波。
然而，由于非线性特性，放大器的输出信号可能会包含原始信号的倍数倍数的谐波，如二次谐波（2倍频）、三次谐波（3倍频）等。
这些谐波信号可能会影响到音频的质量和听觉体验。
交叉失真是指输出信号中存在于不同频率信号之间的非线性交叉成分。
例如，在无线电通信中，多个信号可能同时进入放大器，如果放大器的非线性特性导致不同频率信号之间相互干扰，就会产生交叉失真。
这种失真会降低信号的清晰度和准确性。
为了减少非线性失真，可以采取一些措施。
其中一种方法是使用负反馈。
负反馈是在放大器的输出和输入之间引入一个反馈回路，将一部分输出信号作为输入信号的补偿。
这样可以减少放大器输出信号的非线性失真。
此外，还可以采用线性化技术，如预失真。
预失真在输入信号之前对其进行处理，以补偿放大器的非线性特性。
这样可以改善放大器的线性度，减少非线性失真。
总之，放大器在工作过程中可能会引入非线性失真，如谐波失真和交叉失真。
为了减少这些失真，可以采取一些方法，如负反馈和预失真技术。
通过这些措施，可以提高放大器的线性度，提供更清晰、准确的输出信号。
当今，放大器在电子设备中的应用范围非常广泛，涵盖了从音响系统到通信设备等多个领域。
然而，尽管现代放大器已经越来越先进，但非线性失真仍然是一个不可避免的问题。
首先，让我们深入了解谐波失真。
在放大器系统中，谐波失真是一种主要的非线性失真形式，它指的是输出信号中存在于输入信号频率的倍数倍频的谐波。
放大器波形常见失真原因
放大器波形常见失真原因放大器波形的常见失真原因有很多，下面列举了一些常见的原因，总结了各种失真类型及其产生的原因。
一般来说，放大器波形失真主要来自放大器本身的非线性特性，以及输入信号的不确定性。
首先，放大器本身的非线性特性是产生波形失真的主要原因之一。
放大器在工作时，会受到温度、电压、电流等环境因素的影响，这些因素会导致放大器的参数变化，从而引起波形失真。
放大器中的电容、电感、晶体管等元件也会产生非线性特性，使得输出信号与输入信号之间不是简单的比例关系，进而引起波形失真。
其次，输入信号的不确定性也会导致波形失真。
输入信号中可能存在噪声、杂散信号、多普勒效应等干扰，这些干扰信号会与原始信号叠加在一起，从而改变波形。
此外，输入信号的频率、幅度、相位等参数也可能发生变化，导致波形失真。
波形失真可以分为多种类型，下面分别介绍：1. 线性失真：线性失真是指输入信号的幅度被放大器放大后，波形与原始信号之间呈线性关系，但幅度发生了变化。
这种失真通常由于放大器的增益不均匀性、频率响应问题以及输入信号幅度与放大器工作范围不匹配等原因引起。
2. 非线性失真：非线性失真是指放大器对输入信号的非线性响应。
这种失真在放大器输出信号中产生了次谐波、高次谐波等，使得波形变得不规则，且频谱变宽。
非线性失真可能由于放大器电路中的非线性元件（如晶体管、二极管）引起，也可能是由于放大器电压、电流过大，使其进入非线性区域而产生。
3. 相位失真：相位失真是指放大器对输入信号的相位偏移或相位延迟。
相位失真一般由放大器的频率响应不均匀性导致，不同频率信号在放大过程中的相位角度会有不同的偏移，从而引起波形失真。
4. 交调失真：交调失真是指放大器输出信号中产生了两个或多个不同频率的信号之间的乘积频率。
这种失真通常由于放大器非线性特性引起，当放大器输入信号中含有两个或多个频率的信号时，这些信号经过放大后会产生新的频率信号，从而引起波形失真。
5. 直流偏置失真：直流偏置失真是指放大器输出信号中出现了直流分量。
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放大器的非线性失真非线性失真是模拟电路中影响电路性能的重要因素之一。
本章先从非线性的定义入手，确定量化非线性的一个度量标准，然后研究放大器的非线性失真及其差动电路与反馈系统中的非线性，并介绍一些线性化的技术。
12.1 概述 非线性的定义电路非线性是指输出信号与输入信号之比不为一个常量，体现在输出与输入之间的关系不是一条具有固定斜率的直线，或体现为小信号增益随输入信号电平的变化而变化。
放大器的非线性定义：当输入为正弦信号时，由于放大器（管子）的非线性，使输出波形不是一个理想的正弦信号，输出波形产生了失真，这种由于放大器（管子）参数的非线性所引起的失真称为非线性失真。
由于非线性失真会使输出信号中产生高次谐波成分，所以又称为谐波失真。
非线性的度量方法1 泰勒级数系数表示法：用泰勒级数展开法对所关心的范围内输入输出特性用泰勒展开来近似：)()()()(33221 +++=t x t x t x t y ααα （12.1）对于小的x ，y (t)≈α1x ，表明α1是x ≈0附近的小信号增益，而α2，α3等即为非线性的系数，所以确定式(12.1)中的α1，α2等系数就可确定。
2 总谐波失真（THD ）度量法：即输入信号为一个正弦信号，测量其输出端的谐波成分，对谐波成分求和，并以基频分量进行归一化来表示，称为“总谐波失真”(THD )。
把x(t)=Acosωt 代入式(12.1)中，则有：+++++=+++=)]3cos(cos 3[4)]2cos(1[2cos cos cos cos )(332213332221t t A t A t A t A t A t A t y ωωαωαωαωαωαωα （12.2）由上式可看出，高阶项产生了高次谐波，分别称为偶次与奇次谐波，且n 次谐波幅度近似正比于输入振幅的n 次方。
例如考虑一个三阶非线性系统，其总谐波失真为：2331233222)43()4()2(THD A A A A αααα++= （12.3） 3 采用输入/输出特性曲线与理想曲线（即直线）的最大偏差来度量非线性。
在所关心的电压范围[0 V i,max ]内，画一条通过实际特性曲线二个端点的直线，该直线就为理想的输入/输出特性曲线，求出它与实际的特性曲线间的最大偏差ΔV ，并对最大输出摆幅V o,max 归一化。
即在如图12.1所示。
V图12.1 非线性的确定12.2 单级放大器的非线性 1 由于管子特性引起的非线性以共源放大器为例来说明单级放大器的非线性，如图12.2所示是带电阻负载的共源放大器。
V S +v sVo图12.2 共源放大器图中V S 为M 1管的直流工作点，即栅源电压，而v s 则为输入的交流小信号，假定输入的交流小信号为：t c o s V v m s ω= （12.4） 则根据饱和萨氏方程可得其漏极电流为： 2)c o s (t V V V K I m th GS N D ω+-=（12.5） 上式中I D0为直流输出，所以在输出端的交流信号可表示为：+++-=)]2cos(1[21cos )(22t V K t V V V K I m N m th GS N d ωω （12.6） 输出信号的基波与二次谐波的幅度之比为：)(42th GS mV V V A A -=ωω （12.7） 由上式可以看出MOS 放大器的非线性失真是由于输出电流与输入电压的平方关系引起的，当V m 很小时，二次谐波可以忽略。
2 由放大器传输特性引起的非线性带电阻负载的共源放大器的传输特性如图12.3所示。
V图12.3 带电阻负载的共源放大器的传输特性由上图可以看出，放大器的非线性失真与输入信号大小、直流工作点（偏置点）有关。
一般放大器的最大输出幅度是指无失真的输出。
所以当偏置点不同时同一放大器的输出幅度是不同的。
由于V o ＝V DD －I D R ，而放大器的电压增益为：A v =－g m R ，所以当电源电压为常数时，随着电阻R 值的增大，放大器的增益增加，但输出幅度的动态范围减小。
12.3 差分电路的非线性对于差分电路，由于输入与输出间表现出一种“奇对称”的关系，即f(－x)=－f(x)，所以对式(12.1)的泰勒展开式进行简化，应只有奇次项，所有的偶次项系数为零，即输入为差分信号时差分放大器不存在偶次谐波，从而减少了非线性。
V图12.4 相同电压增益的单端放大器与差分放大器对于如图12.4所示的差分放大器，其小信号电压增益为：)(2 R V V K R g A th G S N m v -=≈ （12.8）与共源放大器一样，假设输入信号为V m cosωt 。
则有：21D D o I I I -= （12.9） 21GS GS id V V V -= （12.10）根据饱和萨氏方程有： 22221)(4 2idth GS id N id NS idN D D V V V V K V K I V K I I --=-=- （12.11）从式（12.11）可以看出，只有当N S id K I V /2≤时，I D1、I D2才有意义，而当V id 较小时，△I D ＝I D1－I D2和V id 才是线性的。
所以一般认为在满足N S id K I V /±≤时，差分放大器是线性的。
如果|V id |<<V GS －V th ，则将式(12.11)中的根号下的式子展开得：)(8cos cos )(2 )(81)(2)(41)(2233222221⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡---=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡---≈---=-th GS m m th GS N th GS idth GS id N th GS idth GS di N D D V V t V t V V V K V V V V V V K V V V V V V K I I ωω （12.12） 利用三角函数的性质cos 3ωt=[3cosωt+cos(3ωt)]/4对式（12.12）进行进一步的简化，有：)(32)3cos(cos )(323232321th GS m m th GS m m m D D V V t V g t V V V V g I I --⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=-ωω (12.13) 由上式可以看出：差分放大器的非线性失真只包含有奇次谐波，而无偶次谐波分量，且当])(32[323th GS m m V V V V ->>时，其三次谐波分量与基次谐波分量的比值为： )(32/22th GS m V V V -。
与式（12.7）相比可发现：在提供相同的电压增益与输出摆幅的情况下，差动电路呈现的失真要比共源放大的失真要小得多。
12.4 电路中器件引起的非线性前面介绍的者是假定无源组件为线性，但实际上，特别是在集成电路中，无源组件也都是非线性的。
这里主要介绍电容以及用MOS 管作电阻的非线性。
1 电容的非线性电容的非线性主要体现在开关电容电路中，电容器对电压的依赖关系可能会引入相当大的非线性。
如图12.5所示的电容结构，则是一个非线性电容。
图12.5 一种非线性电容结构对于图12.5中的电容，由于其电容值的大小与PX 二点的电压值（即电容两端的电压）有关，通常此电容可表示为：)1(2210 +++=V V C C αα （12.14）为了考虑电容非线性的影响，分析如图12.6(a)所示的开关电容电路。
CV oPV i0(a) (b)图12.6 （a ）非线性电容的开关电容电路 （b ）输出曲线假设图12.6中放大器输入电容C 1上有一初始电压为V i0，而输出电容C 2的初始电压为零，且C 1是一非线性电容，并假设C 1/C 2＝K （电路的死循环增益），C 1＝KC 0（1＋α1V ），则电容C 1上获得的电荷为：201000100112)1( 0i i V V V KC V KC dV V KC dV C Q i i αα+=+==⎰⎰（12.15）而在放大模式终止时，电容C 2上的电荷为：2100222o o V V C V C dV C Q oα+==⎰ （12.16）而根据电荷守恒定理，Q 1＝Q 2，所以可令式（12.15）与式（12.16）相等，则可求得：)211(10120211i i o V K V K V ααα+++-=（12.17）上式中平方根项下的后两项通常远小于1，因此可以对平方根项展开，有：20102)1(i i o V K K KV V α-+≈ （12.18） 从上式可以看出输出电压V o 的非线性是由第二项产生的。
2 MOS 管作为电阻的非线性如图12.7所示，为一个有源滤波器，其中使用MOS 管作为其电阻，VVV oV V o图12.7 用MOS 管作为电阻的有源滤波器选择V G 的电压使MOS 管工作在线性区，因此根据萨氏方程有： DS DSth GS N d V )2V V V (K i --= （12.19） 对上式进行泰勒展开得：+----=)(21))((22S D N S D th GS N d V V K V V V V K i （12.20） 式中V D －V S ＝V DS ，则其等效电阻为： ++--==)(21)(S D N th GS N DS d V V K V V K V i R （12.21） 上式中第一项为线性电阻，第二项为非线性电阻，使滤波器电路产生非线性，所以用简单管子工作在非饱和区作电阻时使电路产生非线性，当V D ＋V S 很小时，非线性可以忽略。
12.5 克服非线性的技术 12.5.1 原理在模拟电路中改善和克服非线性失真的方法基本上都是采用负反馈。
其基本的工作原理如下：考虑放大器的非线性失真时，输出信号可以表示为：h v di v o v DA v A v 00+= （12.22）式中D 为谐波失真系数，v h 为输入端的谐波信号。
则一个反馈系统可用图12.8表示。
Dv图12.8 反馈系统的对非线性的影响的原理框图由上图可得到：of v f v F v ⋅= （12.23） f sf di v v v -= （12.24）di v h v of v A Dv A v 00+= （12.25）把式（12.23）、(12.24)代入式（12.25）h v sf v v v of Dv A v A F A v 000)1(+=+ （12.26）即：vv hv vv sf v of F A Dv A F A v A v 000011+++=（12.27）上式说明，非线性失真减小是用降低系统增益换来的，反馈放大器输入信号幅度与无反馈时相同，则负反馈放大器的输出信号缩小了（1＋A v0F v ）倍。