浅谈晶体管放大器中的放大器失真

来源：罗姆半导体社区 

由于削波，放大器失真可以采取多种形式，例如幅度，频率和相位失真。为了使信号放大器正常工作而不会对输出信号造成任何失真，它需要在其基础或栅极端子上采用某种形式的直流偏置。需要直流偏置，以便放大器可以在其整个周期内放大输入信号，同时将偏置“ Q点”设置为尽可能靠近负载线的中间。

偏置Q点设置将为我们提供“ A类”放大配置，最常见的配置是双极型晶体管的“共发射极”或单极FET晶体管的“共源”配置。

放大器提供的功率，电压或电流增益（放大）是峰值输出值与其峰值输入值的比值（输出÷输入）。

但是，如果我们错误地设计了放大器电路，并且将偏置Q点设置在负载线上的错误位置，或者将太大的输入信号施加到放大器，则最终的输出信号可能无法完全再现原始输入信号波形 换句话说，放大器将遭受通常称为“ 放大器失真”的影响。考虑下面的公共发射极放大器电路。

这意味着在信号波形的放大过程中，发生了某种形式的放大器失真。

放大器的基本设计是将小电压输入信号放大为更大的输出信号，这意味着对于所有输入频率，输出信号会不断变化某个因子或值（称为增益）乘以输入信号。先前我们看到，该倍增因子称为晶体管的Beta，β值。

普通的发射器或什至普通的源极型晶体管电路对于较小的交流输入信号都可以正常工作，但是存在一个主要缺点，即双极放大器的偏置Q点的计算位置取决于所有晶体管的相同Beta值。但是，此Beta值将与相同类型的晶体管不同，换句话说，由于固有的制造公差，一个晶体管的Q点不一定与相同类型的另一晶体管的Q点相同。

然后，由于放大器不是线性的，因此会发生放大器失真，并且会导致一种称为“ 失真失真”的放大器失真。仔细选择晶体管和偏置元件可以帮助最小化放大器失真的影响。

振幅失真

当频率波形的峰值衰减时，会导致振幅失真，这是由于Q点偏移而引起的失真，并且在整个信号周期内可能不会发生放大。输出波形的这种非线性如下所示。

偏置不正确导致的幅度失真

如果晶体管偏置点正确，则输出波形应与输入波形具有相同的形状，只是放大（放大）。如果没有足够的偏置，并且Q点位于负载线的下半部分，则输出波形将看起来像右边的波形，其负半部分“截止”或被削波。同样，如果偏置太大，并且Q点位于负载线的上半部分，则输出波形将看起来像左边的波形，其正半部分“截止”或被削波。

同样，当偏置电压设置得太小时，在周期的负一半期间，晶体管无法完全导通，因此输出由电源电压设置。当偏置太大时，周期的正半部分会使晶体管饱和，输出几乎下降至零。

即使设置了正确的偏置电压电平，由于大的输入信号被电路增益放大，输出波形仍然可能失真。即使偏置正确，输出电压信号也会被钳位在波形的正负部分，不再类似于正弦波。这种幅度失真称为削波，是“过驱动”放大器输入的结果。

当输入幅度变得太大时，削波变得很明显，并迫使输出波形信号超过电源电压轨，波形信号的峰值（+ ve half）和波谷（-ve half）部分变得平坦或“剪下”。为避免这种情况，必须将输入信号的最大值限制在一定水平，以防止出现上述削波效应。

削波引起的振幅失真

幅度失真大大降低了放大器电路的效率。失真的输出波形的这些“平顶”是由于不正确的偏置或输入的过度驱动所导致的，不会对所需频率下的输出信号强度产生任何影响。

说了这么多，实际上，一些知名的吉他手和摇滚乐队更喜欢通过将输出波形严重钳位到+ ve和-ve电源轨上来使它们独特的声音高度失真或“过度驱动”。同样，增加正弦波上的削波量会产生很大的放大器失真，从而最终会产生类似于“方波”形状的输出波形，然后可以在电子或数字合成器电路中使用该波形。

我们已经看到，对于DC信号，放大器的增益水平会随信号幅度而变化，但是与幅度失真一样，放大器电路中的AC信号也会发生其他类型的放大器失真，例如频率失真和相位失真。

频率失真

频率失真是另一种放大器失真，当放大水平随频率变化时，会在晶体管放大器中发生。实际放大器将放大的许多输入信号包括所需的信号波形（称为“基本频率”）以及叠加在其上的多个不同频率（称为“谐波”）。

通常，这些谐波的幅度是基波幅度的一部分，因此对输出波形的影响很小或没有影响。但是，如果这些谐波频率的幅度相对于基频增加，则输出波形可能会失真。例如，考虑以下波形：

谐波引起的频率失真

在上面的示例中，输入波形包括基频和二次谐波信号。结果输出波形显示在右侧。当基频与二次谐波结合使输出信号失真时，就会发生频率失真。因此，谐波是基频的倍数，在我们的简单示例中，使用了二次谐波。

因此，谐波的频率是基频的两倍，即2 *ƒ或2ƒ。然后三次谐波会3ƒ，第四，4ƒ，等等。在包含电抗元件（例如电容或电感）的放大器电路中，谐波始终会引起频率失真。

相位失真

相位失真或延迟失真是一种放大器失真，当输入信号与其在输出端的出现之间存在时间延迟时，它会在非线性晶体管放大器中发生。

如果我们说输入和输出之间的相位变化在基频处为零，那么最终的相角延迟将是谐波和基频之间的差。该时间延迟将取决于放大器的结构，并且将随着放大器带宽内的频率而逐渐增加。例如，考虑以下波形：

延迟引起的相位失真

除高端音频放大器外，大多数实际的放大器都具有某种形式的放大器失真，即“频率失真”和“相位失真”以及幅度失真的组合。在大多数应用中，例如在音频放大器或功率放大器中，除非放大器失真过大或严重，否则通常不会影响放大器的工作或输出声音。

审核编辑 黄昊宇