放大电路失真现象及改善失真地研究

模拟电子技术研讨论文放大电路失真现象及改善失真的研究学院：电子信息工程学院专业：通信工程组长：南海蛟组员：达川宇涵指导教师：颖目录一、引言 3二、放大电路失真类型 32.1线性失真 32.1.1幅度失真 42.1.2相位失真 42.1.3改善线性失真的方法 42.2非线性失真 62.2.1饱和失真 62.2.2截止失真 62.2.3双向失真72.2.4交越失真72.2.5谐波失真82.2.6互调失真82.2.7不对称失真 82.2.8瞬态互调失真92.2.9改善非线性失真的方法92.3负反馈对失真现象的影响11三、失真电路仿真13总结15参考文献15放大电路失真现象及改善失真的研究南海蛟（交通大学电子信息工程学院100044）摘要：本文介绍了不同种类的放大电路失真类型，并分别提出了改善失真的方法，另外还分析了负反馈对线性失真和非线性失真的改善原理。

关键词：三极管放大电路线性失真非线性失真负反馈一、引言运算放大器广泛应用在各种电路中．不仅可以实现加法和乘法等线性运算电路功能，而且还能构成限幅电路和函数发生电路等非线性电路，不同的连接方式就能实现不同的电路功能。

集成运放将运算放大器和一些外围电路集成在一块硅片上，组合成了具有特定功能的电子电路。

集成运放体积小．使用方便灵活，适合应用在移动通信和数码产品等便携设备中。

但在实际工程应用中，由于种种原因，总是会出现输入波形不能正常放大，这就是放大电路的失真现象。

失真现象主要有两大种类型：线性失真和非线性失真。

造成线性失真的主要原因是放大器的频率特性不够好。

而造成非线性失真的原因有晶体管等特性的非线性和静态工作点位置设置的不合适或输入信号过大。

而在集成电路中经常用来改善失真的方法就是负反馈，下面将就每一种失真现象和如何改善失真以及加入负反馈之后对失真电路的影响进行具体分析讨论。

二、放大电路失真类型2.1线性失真又称为频率失真，在放大电路的输入信号是多频信号时，如果放大电路对信号的不同频率分量具有不同的增益幅值，就会使输出波形发生失真，称为幅度失真；如果相对相移发生变化，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，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。

如图2.1，为输入多频复杂信号时经过放大电路后产生相位失真和幅度失真的信号波形。

造成线性失真的原因主要是放大器的频率特性不够好。

a)幅度失真由傅立叶分析的基本理论，任何一周期信号都可以分解为直流分量，基波分量和各次谐波分量的加权。

而谐波就是频率为基波整数倍的余弦信号。

若为基波的N倍，即称为N次谐波。

可见，如果一个系统对不同频率分量的放大倍数不同，那么对不同的谐波分量将有不同的放大倍数。

当一个信号通过系统之后，各谐波分量的幅度发生了改变，加权后将不能真实反应原信号。

b)相位失真从相位的角度来考虑，如果原信号的各次谐波通过这个系统，产生了不同的相移（表现在时域为不同的延迟），则系统输出的各次谐波加权之后，也不能真实反应原信号。

图2.1 复杂信号的失真波形c)改善线性失真的方法在我们日常生活中，语言、图像、音乐等信号都是由基波分量和谐波分量叠加而成的复杂信号，如对于一部机、频率失真很小时．从中双方还能相互分清；失真严重时甚至无法辨清对方性别又如对电视图像信号来说，若视频放大器产生高频失真将使图像细节不清晰；低频失真时则造成背景亮度不均匀。

对器乐合奏来说，当扩音器产生高频失真将使乐音失去原有特色，给人以单调乏味的感觉，甚至无法听；低频失真则使浑厚雄壮的乐曲变得轻浮无力，这是因为基波分量决定音调和谐波分量决定音色的缘故为了减小频率失真，使输入信号中的高低频分量均获得与中频同样的增益，必须展宽放大器的通频带，使信号中的高低频分量都处在通频带围。

放大器的实际输入信号通常是由许多频率分量按照一定的幅度比例关系和相位关系叠加而成的非正弦信号。

在放大器中由于器件的电抗效应和电抗性元件的存在，使得放大器对不同频率信号具有不同的放大能力，即放大器的增益随频率不同而改变。

影响低频增益的主要因素是耦合电容和旁路电容，影响高频增益的主要是结电容和引线等的杂散电容。

为了减小这些因素带来的频率失真，使输入信号中的高低频分量均获得与中频同样的增益，必须展宽放大器的通频带，使其在工作频率（如音频为20HZ-20KHZ）近似满足无失真传输条件。

就目前所了解的展宽通频带的方法有三种：补偿电路法、负反馈法、组合电路法。

补偿电路法如图2.2, //输入高频时，Z减小，增大，频带得到适当展宽。

负反馈法在加入负反馈后，如图2.3，可以看出，加入负反馈后，增益下降，但是频带却得到了展宽。

还有一种组合电路法，通过不同组态电路组合，改变电路的时间常数，提高高频截频。

常用的有低阻输入的共射-共基电路和低阻输出的共集-共射电路，这几种组合电路均可以提高截频。

但是在实际工程研究和应用中，受晶体管特性等影响，通频带是不能无限展宽的，而且在展宽通频带的同时，会带来其它弊端，尤其是会引入噪声。

所以不同的放大器，可以选择不同的展宽频带方法，频带宽度可以视要求而定。

20lg A 020406080/dB101010101010101234567f /Hz图2.2 补偿电路法 图2.3 负反馈对通频带影响2.2 非线性失真非线性失真亦称波形失真、非线性畸变，表现为系统输出信号与输入信号不成线性关系，它与线性失真的本质差别是由电子元器件的非线性所引起，使输出信号中产生新的谐波成分，改变了原信号频谱。

造成非线性失真的原因主要有晶体管等特性的非线性和静态工作点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一下几种：a) 饱和失真晶体管有三个工作区：饱和区、截止区和放大区。

如图2.4为正常放大情况下的特性曲线。

对于共射极的基本放大电路，其输入波形正好与输出波形反相，当输入正弦波正的部分时，应该输出负的部分，而当输入的峰峰值较大的时候，超过了电路的动态围，就会出现失真。

如果是输入信号的正半周超出了动态围，即Q 点取值靠左上方，那么就会进入晶体管的饱和区，造成饱和失真，如图2.5，反映到电流上就是顶部失真，对应的输出信号由于相位差180度的原因，所以输出信号的负半周的波形失真即底部失真。

图2.4 不失真情况下的输入特性和输出特性曲线图2.5 饱和失真的输出特性曲线b)截止失真与饱和失真相反，截止失真是当输入的波形是负半周时，快到谷值时，三极管就会处于截止状态，那么此时的输出就不再随输入变化了，出现了截止失真;即输出得到的正半周正弦波波形就没有峰值了。

用图解法分析，晶体管的静态工作点Q设置较低时，靠近曲线右下方，如图2.6，由于输入信号的叠加有可能是叠加后的波形一部分进入截止区，这样就会出现截止失真，对应的输出信号由于相位差180度的原因，所以输出信号的负半周的波形失真即顶部失真。

图2.6 截止失真的输出特性曲线c)双向失真双向失真则是由于输入信号过大，在信号正半周造成饱和失真，负半周造成截止失真，因此称为双向失真。

d)交越失真这是一种比较特殊的失真，它是由于输入电压较低时，因三极管截止而产生的失真。

这种失真通常出现在通过零值处，如图2.7。

交越失真出现在乙类放大电路中，如图2.8，这个电路由两个相互对称的PNP和NPN管组成，先分析这个电路的工作原理，当处于正半周期工作时，T1导通，T2截止，其工作等效电路如图2.8（a），当处于负半周期工作时，T1截止，T2导通，其工作等效电路如图2.8（b），但是由于没有直流偏置，管子的必须在||大于某一个数值（即门坎电压，硅管约为0.7V，锗管约为0.2V）时才有显著变化。

当输入信号低于这个数值时，T1和T2都截止，和基本为零，负载上无电流通过，出现一段死区,输出波形对输入波形来说存在失真，也就是在过零值处出现的交越失真。

图2.7 交越失真图2.8 乙类功率放大电路图2.8(a)正半周期工作等效电路图2.8(b)负半周期工作等效电路e)谐波失真指原有频率的各种倍频的有害干扰。

由于放大器不够理想，输出的信号除了包含放大了的输入成分之外，还新添了一些原信号的2倍、3倍、4倍……甚至更高倍的频率成分（谐波），致使输出波形走样。

f)互调失真指由放大器所引入的一种输入信号的和与差的失真。

例如，在给放大器输入频率为1kHz和5kHz的混合信号后，便会产生6kHz（1kHz和5kHz之和）及4kHz（1kHz和5kHz之差）的互调失真成份。

如图2.9，两个不同频率（分别为800Hz和1300Hz）的信号同时经过放大器，由谐波失真讨论可知：放大器的输出信号中，除了原本的这两个信号之外，还增加了800Hz的各次谐波和1300Hz的各次谐波。

而除此之外，实际上还出现了新的不需要的频率，就是输入信号的“和频”和“差频”，即频率为2100Hz 和500Hz的信号，这就是由于互调失真引起的。

在实际应用中，这种互调失真显然是越小越好。

图2.9 互调失真g)不对称失真在推挽放大器易出现不对称失真，它是由于推挽管特性不对称，而使输入信号的正、负半周不对称，最终导致输出信号的正负半周信号幅度、波形，与输入信号不一致。

在共射放大电路中，由于输入电阻在正弦信号电压瞬时变化过程中一直随着总电流变化，如图2.10电流越大，越小, 在正弦信号电压负半部分，电流总量较小，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，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。

因此最终得出来的输出信号不对称，即为不对称失真。

图2.10 三极管输入特性曲线h)瞬态互调失真在负反馈有效地降低失真时，易引起瞬态互调失真。

在集成电路中，常用深度负反馈来提高工作稳定性和减少失真，为减少由深度负反馈所引起的与正确工作频率不一致的高频振荡（高频寄生振荡），因此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，使放大线路信号会出现削波现象，由此产生瞬态失真。

例如当输入一个连续的正弦信号通过放大器时，可能会出现比较好的放大，但当输入一个脉冲信号时，就不能正常反映这个信号的瞬态变化。

如图2.11。

图2.11脉冲信号瞬态互调失真波形i)改善非线性失真的方法对于前三种失真以共射电路为例进行分析讨论：如图2.12，求静态工作点Q 用图2.13的静态电路求解， C BEQ BQ b E U I R -=C b E R ≈，由图1输出特性曲线可以看出，若为饱和失真，即Q 点靠近饱和区，也就是BQ I 过大，要想正常放大，则Q 点应适当下移，可以增大从而减小BQ I ，克服饱和失真。