淺談晶體管放大器中的放大器失真

來源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

由于削波，放大器失真可以采取多種形式，例如幅度，頻率和相位失真。為了使信號放大器正常工作而不會對輸出信號造成任何失真，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，以便放大器可以在其整個(gè)周期內(nèi)放大輸入信號，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型晶體管的“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）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施加到放大器，則最終的輸出信號可能無法完全再現(xiàn)原始輸入信號波形 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。

這意味著在信號波形的放大過程中，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放大為更大的輸出信號，這意味著對于所有輸入頻率，輸出信號會不斷變化某個(gè)因子或值（稱為增益）乘以輸入信號。先前我們看到，該倍增因子稱為晶體管的Beta，β值。

普通的發(fā)射器或什至普通的源極型晶體管電路對于較小的交流輸入信號都可以正常工作，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的，因此會發(fā)生放大器失真，并且會導(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)信號周期內(nèi)可能不會發(fā)生放大。輸出波形的這種非線性如下所示。

偏置不正確導(dǎo)致的幅度失真

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)，周期的正半部分會使晶體管飽和，輸出幾乎下降至零。

即使設(shè)置了正確的偏置電壓電平，由于大的輸入信號被電路增益放大，輸出波形仍然可能失真。即使偏置正確，輸出電壓信號也會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”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超過電源電壓軌，波形信號的峰值（+ ve half）和波谷（-ve half）部分變得平坦或“剪下”。為避免這種情況，必須將輸入信號的最大值限制在一定水平，以防止出現(xiàn)上述削波效應(yīng)。

削波引起的振幅失真

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)動所導(dǎo)致的，不會對所需頻率下的輸出信號強(qiáng)度產(chǎn)生任何影響。

說了這么多，實(shí)際上，一些知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電源軌上來使它們獨(dú)特的聲音高度失真或“過度驅(qū)動”。同樣，增加正弦波上的削波量會產(chǎn)生很大的放大器失真，從而最終會產(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，對于DC信號，放大器的增益水平會隨信號幅度而變化，但是與幅度失真一樣，放大器電路中的AC信號也會發(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包括所需的信號波形（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，因此對輸出波形的影響很小或沒有影響。但是，如果這些諧波頻率的幅度相對于基頻增加，則輸出波形可能會失真。例如，考慮以下波形：

諧波引起的頻率失真

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

因此，諧波的頻率是基頻的兩倍，即2 *?或2?。然后三次諧波會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)輸入信號與其在輸出端的出現(xiàn)之間存在時(shí)間延遲時(shí)，它會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：

延遲引起的相位失真

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，否則通常不會影響放大器的工作或輸出聲音。

審核編輯黃昊宇