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放大电路失真现象及改善失真的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： 谢达川 张宇涵 指导教师： 刘颖 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8 2.2.6 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（北京交通大学 电子信息工程学院 北京 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，如对于一部电话机、频率失真很小时从电话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范围内。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，使其在工作频率内（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2.2Au=-hfeRcZ+hie, Z=R/1jC输入高频时，Z减小，Au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，Af=A/(1+AB)fhf=fh(1+AB)BWf=BW(1+AB)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。 图2.2 补偿电路法 图2.3 负反馈对通频带影响一、二、2.12.2 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)二、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，超过了电路的动态范围，就会出现失真。如果是输入信号的正半周超出了动态范围，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a)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b)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iB必须在|vBE|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vi低于这个数值时，T1和T2都截止，iC1和iC2基本为零，负载RL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rbe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，rbe越小, 在正弦信号电压负半部分，电流总量较小，rbe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， rbe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，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，也就是过大，要想正常放大，则Q点应适当下移，可以增大Rb从而减小，克服饱和失真。同理，要想克服截止失真，则应使Q点适当上移，可以通过减小从而增大。对于双向失真，增大或减小都不能克服，因此，可以采用降低输入信号幅值的方法，也可以适当放大电路的电源电压，再通过调节Rb找到合适的静态工作点Q，则可实现正常放大。 图2.12 共射放大电路 图2.13 静态工作点分析对于在乙类功率放大器中出现的交越失真的解决办法避开死区电压区，使每一晶体管处于微导通状态，一旦加入输入信号，使其马上进入线性工作区，于是出现了甲乙类功率放大器，如图2.14，利用二极管和电阻的压降产生偏置电压。甲乙类功率放大器很好地解决了交越失真的问题，而且效率和乙类功率放大器一样都为78.5%。 图2.14 甲乙类功率放大器对于不对称失真，可以通过选用特性对称的推挽管。尤其是在O TL 与OCL 电路中，互补管应选用同一种材料的，就是说都选用锗管，或者都选用硅管，以保证其输入特性的对称。对于瞬态互调失真，有以下几种方法改善：（1） 可在设计制作电路时要尽量减小各级间电容C的容量，使各级的转换速度加快，从而减小反馈量不起作用阶段的时间；（2） 也可以降低各级的输出电阻及提高各级的转换速率，以改善电路的瞬态响应特性；（3） 尽量减小反馈电阻的阻值，减小反馈回路的滞后电容容量；或在反馈电阻上并联补偿电容，使反馈回路处于全补偿或超前补偿状态。（4） 可在负反馈回路中加入取自输入信号的超前补偿，如图2.15所示，此补偿法在信号的上升沿或下降沿可使负反馈电压建立较快，由于超前量取自输入信号，可能比在R上并联电容的效果要好。需要注意的是补偿电容的容量选取，要同信号源内阻、负反馈回路等效参数、整体转换速率等综合考虑。图2.15 超前补偿电路（5） 降低信号的上升速率。当信号的上升速率低于负反馈放大器的整体转换速率时由于负反馈量跟得上信号的变化，从而不存在反馈量不起作用阶段，因而不会产生瞬态互调失真。限制信号上升速率可加入低通滤波器。2.3 负反馈对于失真现象的影响a) 负反馈对非线性失真的影响负反馈的一般方框图如图2.16所示，放大器的开环传输特性如图2.14中的曲线1所示，曲线斜率的变化反映了放大倍数困输入信号幅度的大小而改变。Uo与Ui之间的这种非线性关系，是放大器产生非线性失真的根本来源。引入负反馈后由于负反馈具有稳定放大器放大倍数的作用，使得放大器的瞬时放大倍数变得比较一致。例如，在深度负反馈的条件下，反馈放大器的放大倍数近似为1/F，若反馈网络由具有零温度系数的纯电阻组成，则放大倍数近似为1/F的常数，而与基本放大器的放大倍数无关。此时，图6所示的传输特性(曲线1)在同样输出电压幅度的情况下，近似为一条斜率降低了的直线，如图2.17中曲线2所示，从而Uo与Ui成线性关系，则输出信号与输入信号波形一致。图2.16 负反馈放大器的一般方框图 图2.17 放大器的传输特性b) 负反馈对线性失真的影响在深度负反馈条件下，放大器的放大倍数为1F，放大倍数只与反馈网络有关。如果反馈网络不含L、C等电抗元件，而仅由若干电阻所构成则可近似地认为反馈放大器的放大倍数为1F的常数，即放大倍数与频率无关。就前面所谈到的频率失真，则基波和二次谐波在输出端的振幅与输入端的振幅比例近似一致。即加入负反馈后幅度失真得到了改善。在放大器高频端，相频响应(输出电压Uo与输入电压Ui的相位差)为=-tan-1ffH,其中f为需放大的某一信号频率，fH为放大器的上限频率。引入负反馈后的高频端相频响应为:F=-tan-1ffHF fHF为引入负反馈后放大器的上限频率。因为引入负反馈后展宽了放大器的频带，所以有fHF fH，由于频率失真不会出现新的频率成份，所以，对于前面图2.1（c）中相位失真中的二次谐波的频率f2是不变的，从而f2fHF，即引入负反馈后，输出的二次谐波相对中频信号的附加相移反而增加了。如基波为中频信号，则图2.1（c）所示的波形将产生更大的畸变。因此，负反馈不能改善相位失真。三、 设计失真电路并分析3.1 饱和、截止双向失真仿真电路图3.1 射极偏置电路通过调节滑动变阻器就能出现截止、饱和失真以及正常放大情况；增大输入信号，比如提高到1V机会出现双向失真。出现波形如下图： 图3.2 饱和失真 图3.3 正常放大 图3.4 截止失真 图3.5 双向失真3.2 不对称失真电路图3.6 不对称失真图3.7 显示波形加入负反馈之后：图3.8 改进电路仿真波形：图3.9 不对称失真改善波形3.3 交越失真电路图3.2为交越失真仿真电路，也是乙类功率放大器，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截止，有电流通过负载RL；而当信号处于负半周期时，则刚好相反，T2承担放大任务，T1截止，仍然有电流通过负载RL；这样，图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3.2 交越失真仿真电路图3.3 仿真波形由仿真波形可以看到可以明显看到了交越失真的存在，在过零点附近都会由于三极管的PN结的影响，存在一段负载没有电流流过放大器件的状态，因此交越失真将影响输出波形的质量。从课堂上我们学到了用甲乙类功率放大器可解决交越失真的问题，其中包括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。如图3.3，甲乙类互补对称电路的原理图，T3组成前置放大级，T1和T2组成互补输出级。静态时，在D1、D2上产生的压降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ic1=ic2, iL=0，uL=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。图3.3的缺点就是其偏置电压不易调整。经过改进之后，如图3.4，流入T4的基极电流远小于流过R1、R2的电流，则由图可以求出Vce4=Vbe4(R1+R2)/R2,因此，利用T4管的Vbe4基本为一固定值，只要调整R1、R2的比值，就可以改变T1、T2的偏压值，此法在集成电路中经常应用。图3.4 改进电路设计在学完负反馈之后，也许我们可以利用负反馈来解决这一问题。在实际电路设计中，功放的输入信号一般都是有运算放大器提供。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，下面以负载悬空类来研究，来说明负反馈解决交越失真的原理。由此设计了一个负反馈电路，如图3.5。图3.5负反馈改善交越失真图3.6 仿真波形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在差动放大状态，负反馈线上的反馈信号会使放大器自动调节放大系数，来增大输出电压，从而使三极管导通，保证输入输出的线性关系。同时，当电路工作在正常状态时，若负载或由于某些外部条件发生了微小的扰动，负反馈线将扰动电压反馈给放大器，再通过负反馈向相反的方向调整增益，从而保证电路的稳定性，增强抗干扰能力。四、 总结与心得本文分析了在放大电路中存在的多种失真现象，。主要介绍了这些失真产生的机理以及改善办法，并且就负反馈对失真现象产生的影响作了具体分析，得出了一个结论：负反馈并不能改善所有失真，对于线性失真中的相位失真，负反馈就不能起到改善作用。另外，本次研讨还对交越失真进行了详细探讨，认为不仅仅甲乙类功率放大器能够克服交越失