非线性失真

电信科学术语

非线性失真亦称波形失真、非线性畸变，表现为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。

定义

在双端口网络或传输线上，输入与输出之间为非线性关系时出现的信号失真。

解析

一个理想的放大器，其输出信号应当如实的反映输入信号，即他们尽管在幅度上不同，时间上也可能有延迟，但波形应当是相同的。但是，在实际放大器中，由于种种原因，输出信号不可能与输入信号的波形完全相同，这种现象叫做失真。放大器产生失真的原因主要有2个：

①放大器件的工作点进入了特性曲线的非线性区，使输入信号和输出信号不再保持线性关系，这样产生的失真称为非线性失真。

②放大器的频率特性不好，对输入信号中不同频率成分的增益不同或延时不同，这样产生的失真称为线性失真。

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（Crossover distortion）是乙类推挽放大器（class Bamplifier）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。

危害

失真对音质的影响极大。当音响设备存在非线性失真时，会造成声音真实感变差。音响系统的非线性失真包括削波失真、谐波失真、互调失真以及瞬态失真等，音箱过载时，也同样会声音产生非线性失真。非线性失真存在于音响系统的各个环节中，无论采取何种技术措施，想要完全消除它是不可能的。

解决办法

1.甲乙类放大器

即classAB Amplifier。

2.VbeMultiplier

Vbemultiplier可解决thermalrunaway问题，因为Vbe随温度变化呈负反馈。

减小失真

当放大器输入一个正弦信号时，由于放大器本身的非线性以及静态工作点选择不适当就会使输出变为一个非正弦信号，产生了非线性失真。使正负半周不对称。引入负反馈以后可减小放大器的非线性失真。

放大电路中，由于晶体管等器件的非线性，当输入信号幅度较大时，放大电路的输出波形将产生失真。输入信号Ui为正弦波，输出信号Uo变成了上大下小的失真波形。引入负反馈后，输出波形有所改善，如图1中Uof所示。以电压串联负反馈为例，由于反馈网络是线性网络，所以，反馈电压波形与输出电压波形一样，也是上大下小。该波形与原输入波形（正弦波）迭加，结果使净输入电压波形产生了“预失真”，即Ube变成了上小下大。“预失真”正好抵消了部分因晶体管特性引起的非线性失真，从而使输出波形比较接近正弦波并得到改善。

需要指出的是，由于负反馈的引入，在减小非线性失真的同时，降低了输出幅度，而且对输入信号的固有失真，负反馈是无能为力的。

非线性失真产生的主要原因来自2方面：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。

其次，由于放大电路中有隔直流电容、射极旁路电容、结电容和各种寄生电容，使得它对不同频率的输入信号所产生的增益及相移是不同的。这样，当输入信号是非正弦波时，即使电路工作在线性区，也会产生失真，称为线性失真。

另外一种说法：

通常放大器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，两者统称频率失真。频率失真是由电路的线性电抗元件引起的，故称线性失真，其特征是输出信号中不产生输入信号没有的新的频率分量。

非线性失真：是由放大器件的非线性或者负载的非线性而引起的波形失真称为非线性失真。非线性失真的特征是产生新的频率分量，即产生输入信号的单频分量为基波分量的高次谐波分量。

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