諧波失真的五大類型

本文要點：

“諧波失真”通常表示在時域中觀察到的波形失真。

諧波失真可從功率譜或時域波形中觀察到，有多種表現(xiàn)形式。

不同形式的非線性會產(chǎn)生不同類型的諧波失真。

任何模擬信號只要存在一定程度的非線性，都會產(chǎn)生諧波失真。模擬信號失真時，信號在時域中的外觀會發(fā)生變化，表現(xiàn)為波形壓縮或完全偏移。諧波模擬信號中的諧波失真已是老生常談，但調(diào)制信號或方波/鋸齒波中也明顯存在各類諧波失真，其中一個常見的例子是功率放大器，它們在運行時通常接近飽和點。

諧波失真對信號的影響取決于產(chǎn)生失真的元件，甚至是信號的測量方式。那么問題來了，如何厘清信號中諧波失真的類型？有沒有方法直接測量或計算？本文將舉例介紹不同類型的諧波失真，以及產(chǎn)生的原因。

諧波失真類型

一般來說，通過觀察波形，可以發(fā)現(xiàn)五種類型的諧波失真：

振幅失真

頻率失真

相位失真

互調(diào)失真

交叉失真

除了非線性產(chǎn)生的非線性失真外，上述類型的諧波失真只出現(xiàn)在寬帶信號或離散頻率相加的信號上。

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振幅失真與頻率失真

這兩個術(shù)語有時會互相替代，但一般所指并非同類。二者在時域上看似相似，但在頻域上卻完全不同。在時域測量中，振幅失真與頻率失真區(qū)別如下：

振幅失真：當(dāng)電路或設(shè)備產(chǎn)生的輸出信號的幅值是輸入幅值的非線性函數(shù)時，就會出現(xiàn)這種情況。振幅失真是由非線性引起的，可以在諧波信號或?qū)拵盘栔杏^察到。這種現(xiàn)象有時被稱為削波失真，因為它發(fā)生在飽和器件（如放大器）中。

由于飽和，振幅失真通常表現(xiàn)為削波

頻率失真：當(dāng)電路或設(shè)備導(dǎo)致輸入信號中不同頻率器件的電壓/電流發(fā)生不同程度的變化時，就會出現(xiàn)頻率失真。頻率失真只能在寬帶信號中觀察到。當(dāng)伯德圖的幅值為非線性時，濾波器通常會出現(xiàn)頻率失真。

伯德圖中幅值曲線的形狀會導(dǎo)致寬帶信號中出現(xiàn)頻率失真

在實際器件中，振幅失真可能只在特定頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生；為了加以區(qū)分，這種現(xiàn)象可稱為“非線性頻率失真”，此時還應(yīng)該說明非線性在實際器件和電路中的重要性。

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相位失真

當(dāng)濾波器的傳遞函數(shù)（伯德圖）的相位是頻率的非線性函數(shù)時，濾波器就會產(chǎn)生相位失真。此時輸出波形會出現(xiàn)失真，但不一定是因為波形出現(xiàn)了削波或其他幅值效應(yīng)，而是因為群速度和相速度不是恒定值，因此組成信號的不同頻率會以不同的速度傳播。

伯德圖相位曲線中的非線性區(qū)域會因色散而產(chǎn)生相位失真

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互調(diào)失真

當(dāng)頻率調(diào)制信號或其他寬帶信號饋入非線性器件時，會出現(xiàn)互調(diào)失真。具體來講，當(dāng)輸入接近飽和狀態(tài)時，互調(diào)失真就會常見于功率放大器，此時，構(gòu)成輸入信號的離散頻率相加會產(chǎn)生和/差諧波。

最突出的一組和/差諧波是三階互調(diào)。這些諧波最有可能出現(xiàn)在放大器的線性輸入?yún)^(qū)，且最接近輸入信號功率譜的頻帶邊緣。在時域中，互調(diào)失真表現(xiàn)為頻率略高于輸入信號載波頻率的低振幅噪聲。

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交叉失真

在推挽式晶體管放大器中，特別是在使用三極管（Bipolar Junction Transistor，BJT）的放大器中，信號可能會出現(xiàn)交叉失真。當(dāng)一對晶體管中有一個進入截止區(qū)時，輸出信號會短暫降至零，此時就會發(fā)生交叉失真。實際上，當(dāng)輸入信號處于低電平時，放大器中的兩個晶體管都沒有開啟，因此即使輸入信號不為零，輸出信號也為零。下面是一個簡單的時域示例。

推挽（B 類）放大器中的交叉失真

如何發(fā)現(xiàn)諧波失真

在測量或仿真中很容易發(fā)現(xiàn)上述類型的諧波失真：只需比較相關(guān)器件或電路的輸入和輸出信號即可。如果兩者在時域和頻域上不是線性函數(shù)關(guān)系，則說明存在某種失真。在設(shè)計階段，仿真工具可以讓電路中可能出現(xiàn)的諧波失真問題無處遁形。

在設(shè)計低失真的真實器件系統(tǒng)時，Cadence 的系統(tǒng)分析工具集可以幫助設(shè)計人員發(fā)現(xiàn)信號中的各類諧波失真，從而采取有效措施。

PSpice 仿真工具可用于生成所需的仿真，識別和優(yōu)化低諧波失真電路，并利用內(nèi)置建模應(yīng)用對實際電路進行仿真。