一文看懂线性失真和非线性失真的区别

　　线性失真定义

　　线性失真时，输出信号中不会有输入信号中所没有的新的频率分量，各个频率的输出波形也不会变化。这种幅度的失真或者相位的失真是由该电路的线性电抗元件对不同频率的响应不同而引起的，所以叫线性失真。由于是射频器件对不同频率的信号处理结果上的偏差，又叫频率失真。线性失真主要是由滤波器等无源器件产生的。

　　线性失真说明

　　现象类比：一个单位的采购人员为了向领导表现自己的采购能力强，经常说自己能买到打折的好东西。领导委托他买粉笔，买回来后他说：“我的人缘超好，原价100元的粉笔，给我打了9折，才90元（其实本身就值90元）。”又一次买回来桌椅板凳，他说：“原价10000元的东西，给我打了7折，才7000元（其实本身就值7000元）。”同一类东西，他获得的折扣一样（类似射频器件对同一个频率的信号，输入和输出满足一定的线性对应关系）；不同的东西，他获得的折扣又不一样（类似射频器件对不同频率的信号，输入和输出的线性对应关系不一样），如图1所示。一次领导委托他给灾区捐款500元，回来后他眉飞色舞地给大家描述：“又给我打折了，我们要捐500，打8折，只收400！”大家无语。

图一

　　线性失真就是射频器件输出的幅值变化特性和相位偏移特性对不同频率的输入有很大的不同。很多射频信号，由很多不同的频率分量组成，输出端的合成信号在幅值和相位上与输入相比就会有一定程度的失真。如图2所示。

　　在设计或选择无源射频器件的时候，要重点关注它的频率使用范围，在这个范围内对不同频率的信号输入和输出的线性关系应尽量一致，以减小线性失真的影响。

　　通常放大电路的输入信号是多频信号，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。注意：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。

　　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（因为高频截止频率往往远远低频截止频率）为一低通滤波器。如果不忽略低频截止频率影响（因为低频对音频来说很重要），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。

　　这样，也就不满足本段开始所述的条件

　　1、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，就不能满足条件

　　2、不满足条件1的失真，我们称做幅度失真（幅频失真），不满足条件2的失真，我们称为相位失真（相频失真）。

　　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。

　　非线性失真的概念

　　非线性失真亦称波形失真、非线性畸变，表现为音响系统输出信号与输入信号不成线性关系，由电子元器特性：曲线的非线性所引起，使输出信号中产生新的谐波成分，改变了原信号频谱，包括谐波失真、瞬态互调失真、互调失真等，非线性失真不仅会破坏音质，还有可能由于过量的高频谐波和直流分量烧毁音箱高音扬声器和低音扬声器。

　　非线性失真产生的原因

　　①晶体管等特性的非线性；

　　②静态工作等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4种：饱和失真、截止失真、交越失真和不对称失真。

　　在共发射极放大电路中，设输入信号Vi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ib也将是正弦波。如果由于电路元件参数选择不当，使静态工作点（Q点）电流ICQ比较高，则对输入电流的负半周，基极总电流iB和集电极总电流iC都减小，使集电极电压VC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iB由iBQ=30μA增加到40μA时，iCQ随之由ICQ增大到iCmax，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，如果静态工作点电流ICQ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。

　　如果所使用的放大器件是PNP型的，则饱和失真时将出现削顶，而截止失真将出现削底。若输入信号幅度过大，有可能同时出现饱和失真和截止失真。不难看出，为避免产生这2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。

　　交越失真（Crossoverdistortion）是乙类推挽放大器（classBamplifier）所特有的失真。在推挽放大器中，由2只晶体管分别在输入信号的正、负半周内导通，对正、负半周信号进行放大。而乙类放大器的特点是不给晶体管建立静态直流偏置，使其导通的时间恰好为信号的半个周期。但是，由于晶体管的输入特性曲线在VBE较小时是弯曲的，晶体管基本上不导通，即存在死区电压Vr=0.7V。当输入信号电压小于死区电压Vr时，两只晶体管基本上都不导通。这样，当输入信号为正弦波时，输出信号将不再是正弦波，即产生了交越失真。这种失真是由于2只晶体管在交替工作时“交接”不好而产生的，称为交越失真。消除交越失真的办法是给晶体管建立起始静态偏置，使它的基极电压始终不小于死区电压。为了不使电路的效率明显降低，起始静态偏置电流不应太大。这样就把乙类推挽放大器变成了经常使用的甲乙类推挽放大器。不对称失真也是推挽放大器所特有的失真，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，这种失真称为不对称失真。消除办法是选用特性对称的推挽管。尤其是在OTL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。

　　当电路有非线性失真时，输入正弦信号，输出将变成非正弦信号。而该非正弦信号是由基波和一系列谐波组成的，这就是非线性失真的特点。一个电路非线性失真的大小，常用非线性失真系数r来衡量。r的定义为：输出信号中谐波电压幅度与基波电压幅度的百分比。显然r的值越小，电路的性能也就越好。

　　线性失真和非线性失真的区别

　　1）产生的原因不同，线性失真是由于电路中存在线性元件，其阻抗随频率的不同而不同，从而导致这么大电器对不同频率的信号分量的放大倍数与延迟时间不同而引起的。而非线性失真是由于引进非线性元件或进入非线性区域而引起的。

　　2）产生的结果不同，线性失真可能使不同频率信号分量的大小及相对时间关系发生变化，但决不会产生输入信号所没有的新的频率成分。而非线性失真的主要特征是产生了输入信号所没的的新的频率的成分。

　　3）另外线性失真是在波形畸变上出现了对称的失真，这种失真一般出现在有深度负反馈的功率放大器中；其结果会产生多于的偶次谐波分量。而非线性失真则是波形畸变是不对称的，这种失真是一种指数型失真，一般出现在三极管单管甲类放大电路中，其结果会产生多余的奇次谐波分量.