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：侯建军

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，这样它的输入电流也将是正弦波。

如果由于电路元件参数选择不当，使比较高，静态工作点（点）电流比较高，则对输入电流的负半周，

基极总电流和集电极总电流都减小，使集电极电压升高，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，当增加时，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()电

流选择的比较低，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和设置成较小值时，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2-3

2.1.3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。

电路中和分别为NPN和PNP 型管，当信号处于正半周期时，承担放大任务，截至，有电流通过负载。而当信号处于负半周期时，则刚好相反，承担放大任务，截至，仍然有电流通过负载。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，和轮流导通。

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，管子的基极电流必须在大于某一数值(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。当低于这个数值时，和都截至，和基本为零，负载上无电流流过，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2-5

2.2.2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，和，组成互补输出级。静态时，在二极管、上产生的压降为、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=， =0，=0。有信号时，由于电路工作在甲乙类，即使很小，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，只是用电容和一个电源来代替原来的+和-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，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，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，见图2-10。

图2-9

就是说，基本共射放大器输入信号电压虽然是正弦波形，但由于三极管的非线性输入特性即值的交变，输出电压畸变为上半部矮胖下半部瘦长的非正弦波形。正弦电压上下半波本来对称，不对称失真后上下半波不再对称。

非线性失真波形的所有谐波分量有效值，，的均方根

值与基波有效值的比值称为总谐波失真(Total Harmonic Distortion)，简称。

图2-10（a）、（b）所示不对称失真电压波形的各为5％、10％。

达5％时，肉眼即可看出不对称失真。

（a）THD=5％的不对称失真

（b）THD=10％的不对称失真

图2-10

2.3.3传统负反馈改善方案

在放大器中加入负反馈电路之后，负反馈电路能够减小放大器非线性失真。原理图如图2-11所示。

图2-11

在没有负反馈的情况下，如果放大电路对正半周的放大能力强，那么当放大电路输入端加上正弦输入信号，经过放大使A半周的放大倍数大，

B半周的放大倍数小，因而输出波形产生了失真，即A半周的波形大于B半周的波形。

引入负反馈后，也就是在这种失真的输出信号中取出一部分信号送回

到输入端，那么相应地反馈信号也

是A半周波形比B半周要大。由于反

馈信号与原来的输入信号是反相

的，因此反馈信号对原来的输入信号起削弱作用，在A半周，削弱作用要强一些，在B半周，削弱作用要弱一些，这样使得净输入信号变成A半周小而B半周大，再经过放大，就可使A、 B两个半周的波形之间的差别比没有负反馈时要小，从而改善了非线性失真的程度。

但是传统的用负反馈改善不对称失真有很大的局限性。首先，负反馈改善波形失真的实质是利用失真减小失真，但不能完全消除失真。其次，负反馈只能减小反馈环内的失真，如输入信号本身就是失真的，负反馈则不能改善失真。下面我们探讨另一种改善不对称失真的方法。

2.3.4多级反相放大改善方案

首先以双级反相放大分析。第一个三极管输入信号纯正弦，输出上矮胖下瘦长波形作为第二个三极管的输入。矮胖的上半波在第二个三极管中得到较多放大，瘦长的下半波得到较少放大，非线性失真明显压低，线性度自然得到补偿和提高。具体电路图设计以及Multisim仿真将在第3部分给出。

2.4线性失真

2.4.1线性失真理论分析

线性失真的概念在第1部分中已经简单介绍，下面从理论上具体分析线性失真产生的机理。

所有的放大器，在理论上都不可能成为无失真传输系统。放大器，如果忽略低频截止频率的影响为一低通滤波器。如果不忽略低频截止频率影响，则为一带通滤波器。由于晶体管为一电阻电容的混合参数所构成的器件（如各种形式参数模型所反应），由于电容的容抗中含有频率参数，不同的频率对应于不同的容抗，所以放大器不可能做到对其通频带内的所有信号放大倍数为常数。这种情况下产生的失真，我们称作幅度失真。而且电容的电压和电流并非同相位，所以不同的频率就对应着不同的相移，这种情况下产生的失真，我们称为相位失真。

根据傅立叶分析的基本理论，任何一周期信号都可以分解为其直流分量，基波分量和个次谐波分量的加权。所谓谐波，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。这样产生的失真，既为幅度失真。再者，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（表现在时域既为不同的延迟），则系统输出的各次谐波加权之后，也不能真实反应原信号，这样产生的失真，既为相位失真。这两种失真，仅仅是各次谐波的幅度、相位产生了变化，但系统并没有产生新的谐波频率，所以称为线性失真。降低线性失真的方法，可以展宽放大器的通频带，使其在工作频率内（如音频为20HZ-20KHZ）近似满足无失真传输条件。但是，受晶体管特性影响（如截止频率Ft）无限制展宽通频带是不可能的，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。如热噪等，其都和频带宽度相关。前人实验表明，人耳对相频失真表现得不敏感，但人眼对相频特性及其敏感，所以不同的放大器，频带宽度视要求而定。

2.4.2线性失真电路设计及改善方案仿真

线性失真是由于输入信号含有不同频率分量造成的，仿真时采用单管共射电路，输入信号为方波，方波在时域上有跃变的值，所以方波中的高频分量大，经过放大电路容易看出线性失真情况。设计电路图如图2-12所示。仿真结果如图2-13所示。

图2-12

图2-13

改善线性失真的方案就是展宽通频带。具体采用的方法有两种：一种就是加入负反馈，加入负反馈后，通频带展宽的倍数等于反馈深度的大小，但负反馈展宽频带的同时会使增益减小；第二种就是采用组合电路法，可以在共射电路前插入低阻输出的共集电路组成共集-共射电路，也可以在共射电路后插入低阻输入的共基电路组成共射-共基电路。下面以共射-共基电路为例，进行改善线性失真的仿真。设计电路如图2-14所示。仿真结果如图2-15所示。

图2-14

图2-15

由图2-15可以看出，方波的线性失真得到了一定的改善。

3.用双级反相放大改善不对称失真的电路设计

由于负反馈改善不对称失真有很大局限性，且不能完全消除失真，我们寻求另一种解决方案。用双极反相放大电路可以很好地改善不对称失真，设计电路如图3-1所示。

图3-1

电路设计为双级共射反相放大电路，参数设置如图中所示，注意信号源电压一定要小，因为双极放大倍数很高，若信号源输入电压过大，输出将出现双向失真，这里选取的输入电压为有效值0.1V。

示波器通道A测量第一个三极管的输出，通道B测量第二个三极管的输出，到得波形如图3-2所示。上半部分为第一个三极管的输出，肉眼可以看出有不对称失真，这是三极管非线性造成的；下半部分为第二个三极管的输出，可以看出很大程度的改善了不对称失真。

图3-2

双级反相放大电路也可以扩展为多级反相放大电路，随着级数增加，改善不对称失真的程度越高，同时增益也大大提高。

同负反馈改善不对称失真比较来

看，负反馈只是有利于尽可能忠实地放大信号，对输入信号的不对称失真无能为力，而且负反馈会压低增益，大环路负反馈还可能加剧互调失真，因此负反馈深度不宜过大，而理论上负反馈就不能彻底抑制不对称失真。多级反相放大不用任何代价就能补偿输入信号的非线性失真，且有可能补偿到零。

总之，负反馈只能在一定程度上抑制管子的不对称失真，而多级反相放大能获得极佳的高保真效果。

4.总结

经过我一番汗水的挥洒，终于对这次研讨给出了最终的答卷。失真问题看似简单，但其实系统的讨论它们的时候就会发现，每种失真都有自己独特的机理，每种失真都会有各种不同的改善方案。德国哲学家康德说过：“是我们人在构造现实世界，在认识事物的过程中，人比事物本身更重要。”放大电路中的失真现象，同其他一切自然规律一样，本来就是这世界上真实的存在，但若没有人肯花费心思去钻研，去探索，去总结，这些世间的真理或许就永远埋藏在神秘的大自然里，而无法为人类所用。这次对失真问题的研讨，我真正体会到付出后得到回报时的喜悦，就好比历尽千难万险来到一座孤岛上，探求这座孤岛上所有的未为人知的秘密，收获所有属于你的财富。

最近的总是最容易得到的，这次的研讨我首先从课内出发，整理了老师课上所讲的所有失真现象，同时结合课外文献资料，对课上所讲的失真进行了扩充与完善。看似这是一件很简单的工作，但当我真正去做的时候才发现，自己并没有领会老师所讲的东西，在做仿真的时候波形也很难出来，究其原因，就是我细节的地方没有做好，很多内容只是知其大概，很难用自己的语言表达出来。但这次研讨给了我深入理解这些知识的机会。明代大儒王阳明最先提出了“知行合一”，这也正是我“知行”校训的源头。这次的研讨也让我领悟到践行“知行”校训的重要性与困难性。本是课本中简单的道理，在实践中却并非那么容易，唯有耐下性子，悉心研究，才能恍然大悟而后融会贯通。

但是研讨并不该仅局限于课上所学。在研究好课内失真问题之后，我在图书馆和互联网上查阅了大量资料，收集整理其他失真现象，以及课内所学失真现象的其他改善方案。在交越失真的改善方案里，我们之前采用的都是加入二极管使三极管处于微导通状态，从而克服交越失真。但在实际操作中，二极管的选择要和三极管匹配好。在课外扩展的过程中，我发现在乙类功率放大电路中加入运算放大器引入负反馈也可以克服交越失真，并成功做了仿真试验。好奇心是最好的导师，若没有这种对问题深入探究的好奇，又怎么会另辟蹊径，发现未为人知的奥秘呢。

或许研讨本身的内容对我来说并不是最重要的，但这次研讨教给我的知行合一实践精神，耐心严谨的科研态度，对问题的多角度思考，对知识和问题充满好奇心的探索精神却将是我一生中宝贵的财富。

在所有的工作做好后，我理清了思路，沉下心来撰写此文，这份报告也是我几天来汗水的结晶。当然其中仍有很多不足之处，比如不对称失真现象不明显，比如线性失真研究不透彻。但这次研讨也只是一个开始而已，以后的日子里我还将继续去完善它充实它。

最后衷心感谢侯老师对我模拟电子技术这门课的悉心教诲，以及对我这次研讨大局观上的引领和指导。仰之弥高，钻之弥坚。有侯老师的指引，

我必将在学术的道路上不断前行。【参考文献】

[1]吴援明，唐军.模拟电路分析与设计基础[M].北京：科学出版社，2006.

[2]郭锁利，刘延飞等.基于Multisim 的电子系统设计、仿真与综合应用[M].第2版.北京：人民邮电出版社，2012.

[3]王林川.基于负反馈原理的功放电路交越失真解决方法研究[J].北京电子科技学院学报，2008,16（2）.

[4]贺有金.放大器的线性失真和非线性失真[J].曲阜师范大学学报（自然科学版），2002,28（4）.

[5]元增民.BJT放大电路失真类型及抑制失真的方法[J].长沙大学学报,2012,26(2).