淺談放大器失真的原因

為了使信號(hào)放大器正常工作而不會(huì)對(duì)輸出信號(hào)造成任何失真，它需要在其基礎(chǔ)或柵極端子上采用某種形式的直流偏置。需要直流偏置，以便放大器可以在整個(gè)周期內(nèi)放大輸入信號(hào)，同時(shí)將偏置“ Q點(diǎn)”設(shè)置為盡可能靠近負(fù)載線的中間。

偏置Q點(diǎn)設(shè)置將為我們提供“ A類”放大配置，最常見的配置是雙極晶體管的“共發(fā)射極”或單極FET晶體管的“共源”配置。

放大器提供的功率，電壓或電流增益(放大倍數(shù))是峰值輸出值與其峰值輸入值的比值(輸出÷輸入)。

但是，如果我們錯(cuò)誤地設(shè)計(jì)了放大器電路，并且將偏置Q點(diǎn)設(shè)置在負(fù)載線上的錯(cuò)誤位置，或者將太大的輸入信號(hào)施加到放大器，則最終的輸出信號(hào)可能不是原始輸入信號(hào)的精確再現(xiàn)。波形 換句話說，放大器將遭受通常稱為“放大器失真”的影響。考慮下面的公共發(fā)射極放大器電路。

由于以下原因，可能會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)波形失真：

? 由于不正確的偏置水平，可能不會(huì)在整個(gè)信號(hào)周期內(nèi)進(jìn)行放大。

? 輸入信號(hào)可能太大，導(dǎo)致放大器晶體管受到電源電壓的限制。

? 在輸入的整個(gè)頻率范圍內(nèi)，放大可能不是線性信號(hào)。

這意味著在信號(hào)波形的放大過程中，發(fā)生了某種形式的放大器失真。

放大器的基本設(shè)計(jì)是將小電壓輸入信號(hào)放大為更大的輸出信號(hào)，這意味著對(duì)于所有輸入頻率，輸出信號(hào)會(huì)不斷變化某個(gè)因數(shù)或值(稱為增益)乘以輸入信號(hào)。先前我們看到，該倍增因子稱為晶體管的Beta，β值。

常見的發(fā)射極或什至常見的源極型晶體管電路對(duì)于較小的AC輸入信號(hào)都可以正常工作，但是存在一個(gè)主要缺點(diǎn)，即雙極放大器的偏置Q點(diǎn)的計(jì)算位置取決于所有晶體管的相同Beta值。但是，此Beta值將與相同類型的晶體管不同，換句話說，由于固有的制造公差，一個(gè)晶體管的Q點(diǎn)不一定與相同類型的另一晶體管的Q點(diǎn)相同。

然后，由于放大器不是線性放大器，會(huì)發(fā)生放大器失真，并且會(huì)導(dǎo)致一種稱為“失真失真”的放大器失真。仔細(xì)選擇晶體管和偏置元件可以幫助最小化放大器失真的影響。

振幅失真當(dāng)頻率波形的峰值衰減時(shí)，會(huì)導(dǎo)致振幅失真，這是由于Q點(diǎn)偏移而引起的失真，并且在整個(gè)信號(hào)周期內(nèi)可能不會(huì)發(fā)生放大。輸出波形的這種非線性如下所示。

如果晶體管偏置點(diǎn)正確，則輸出波形應(yīng)與輸入波形具有相同的形狀，只是放大(放大)。如果沒有足夠的偏置并且Q點(diǎn)位于負(fù)載線的下半部分，則輸出波形將看起來像右邊的波形，其負(fù)半部分“截止”或被削波。同樣，如果偏置太大，并且Q點(diǎn)位于負(fù)載線的上半部分，則輸出波形將看起來像左邊的波形，其正半部分“截止”或被削波。

同樣，當(dāng)偏置電壓設(shè)置得太小時(shí)，在周期的負(fù)一半期間，晶體管無法完全導(dǎo)通，因此輸出由電源電壓設(shè)置。當(dāng)偏置太大時(shí)，周期的正半部分會(huì)使晶體管飽和，輸出幾乎降為零。

即使設(shè)置了正確的偏置電壓電平，由于大的輸入信號(hào)被電路增益放大，輸出波形仍然可能失真。即使偏置正確，輸出電壓信號(hào)也會(huì)被鉗位在波形的正負(fù)部分，不再類似于正弦波。這種幅度失真稱為削波，是“過驅(qū)動(dòng)”放大器輸入的結(jié)果。

當(dāng)輸入幅度變得太大時(shí)，削波變得很明顯，并迫使輸出波形信號(hào)超過電源電壓軌，波形信號(hào)的峰值(+ ve half)和波谷(-ve half)部分變得平坦或“剪下”。為避免這種情況，必須將輸入信號(hào)的最大值限制在一定水平，以防止出現(xiàn)上述削波效應(yīng)。

幅度失真大大降低了放大器電路的效率。失真的輸出波形的這些“平頂”是由于不正確的偏置或輸入的過度驅(qū)動(dòng)所導(dǎo)致的，不會(huì)對(duì)所需頻率下的輸出信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生任何影響。

說了這么多，實(shí)際上，一些著名的吉他手和搖滾樂隊(duì)更喜歡通過將輸出波形嚴(yán)重鉗位到+ ve和-ve電源軌上來使其失真的聲音高度失真或“過度驅(qū)動(dòng)”。同樣，增加正弦波上的削波量會(huì)產(chǎn)生很大的放大器失真，從而最終會(huì)產(chǎn)生類似于“方波”形狀的輸出波形，然后可以在電子或數(shù)字合成器電路中使用該波形。

我們已經(jīng)看到，對(duì)于DC信號(hào)，放大器的增益水平會(huì)隨信號(hào)幅度而變化，但除了幅度失真以外，放大器電路中的AC信號(hào)還會(huì)發(fā)生其他類型的放大器失真，例如頻率失真和相位失真。

頻率失真頻率失真是另一種放大器失真，當(dāng)放大水平隨頻率變化時(shí)，會(huì)在晶體管放大器中發(fā)生。實(shí)際放大器將放大的許多輸入信號(hào)包括所需的信號(hào)波形(稱為“基本頻率”)以及疊加在其上的多個(gè)不同頻率(稱為“諧波”)。

通常，這些諧波的幅度是基波幅度的一部分，因此對(duì)輸出波形影響很小或沒有影響。但是，如果這些諧波頻率的幅度相對(duì)于基頻增加，則輸出波形可能會(huì)失真。例如，考慮以下波形：

在上面的示例中，輸入波形包括基頻和二次諧波信號(hào)。結(jié)果輸出波形顯示在右側(cè)。當(dāng)基頻與二次諧波結(jié)合使輸出信號(hào)失真時(shí)，就會(huì)發(fā)生頻率失真。因此，諧波是基頻的倍數(shù)，在我們的簡(jiǎn)單示例中，使用了二次諧波。

因此，諧波頻率是2 *?或2?基頻的兩倍。然后三次諧波會(huì)3?，第四，4?，等等。在包含電抗元件(例如電容或電感)的放大器電路中，諧波始終會(huì)引起頻率失真。

相位失真相位失真或延遲失真是一種放大器失真，當(dāng)輸入信號(hào)與其在輸出端的出現(xiàn)之間存在時(shí)間延遲時(shí)，它會(huì)在非線性晶體管放大器中發(fā)生。

如果我們說輸入和輸出之間的相位變化在基頻處為零，那么最終的相角延遲將是諧波和基頻之間的差。該時(shí)間延遲將取決于放大器的結(jié)構(gòu)，并且將隨著放大器帶寬內(nèi)的頻率而逐漸增加。例如，考慮以下波形：

除高端音頻放大器外，大多數(shù)實(shí)際的放大器都具有某種形式的放大器失真，即“頻率失真”和“相位失真”以及幅度失真的組合。在大多數(shù)應(yīng)用中，例如在音頻放大器或功率放大器中，除非放大器失真過大或嚴(yán)重，否則通常不會(huì)影響放大器的工作或輸出聲音。