浅谈放大器失真的原因

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(放大倍数)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不是原始输入信号的精确再现。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。

由于以下原因，可能会导致输出信号波形失真：

• 由于不正确的偏置水平，可能不会在整个信号周期内进行放大。

• 输入信号可能太大，导致放大器晶体管受到电源电压的限制。

• 在输入的整个频率范围内，放大可能不是线性信号。

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数或值(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。

常见的发射极或什至常见的源极型晶体管电路对于较小的AC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放大器，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。

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，输出几乎降为零。

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。

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，一些著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电源轨上来使其失真的声音高度失真或“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，但除了幅度失真以外，放大器电路中的AC信号还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：

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，谐波频率是2 *ƒ或2ƒ基频的两倍。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：

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。