非线性失真属于柔性失真。非线性失 真可以用若干方法来抑制或补偿。 (a)负载波形图 2.3.2不对称失真理论分析 图2-9 是三极管输入特性曲线, (b)三极管基极电压波形 图2-8 根据仿真结果图2-8(a)可以得到,通过负反馈法可以解决交越 失真的影响,同时可以增加电路的稳定性。 根据图2-8(b)仿真结果还可得,由于负反馈的作用,三极管基 极公共结点处的电压波形已经不再是正弦波,而是在绝对值等于 0.6V 处发生跃变,保证了基极结点处电压绝对值不会低于三极管PN 结压降,从而保证三极管时刻处于导通状态,这也证明了上面负反馈 原理分析的正确性。 其斜率叫做三极管的输入电阻。可看出,三极管输入电阻?be 在正弦信号电压瞬时变化过程中一直随着总电流变化。电流越 越小。从晶体管输入特性曲线可看出,在正弦信号电压负半波,电流总 量较小,?be 较大,结果使信号电流、基极电流交流分量、集电极 电流交流分量的负半波都比较小,反相后反映为负载电压正半波矮胖; 在正弦信号电压正半波,电流总量较大,?be 较小,使信号电流、 基极电流交流分量、集电极电流交流分量的正半波都比较大,反相后 反映为负载电压负半波瘦长,见图2-10。 图2-9 就是说,基本共射放大器输入信号电压虽然是正弦波形,但由于 三极管的非线性输入特性即?be值的交变,输出电压畸变为上半部 矮胖下半部瘦长的非正弦波形。正弦电压上下半波本来对称,不对称 失真后上下半波不再对称。 2.3 不对称失真 2.3.1 不对称失真概念 对线性电阻,输入是正弦波电压, 则输出电压也是正弦波。电阻阻值变化时,输入是正弦波,则输 出就会偏 放大电路失真现象的研究非线性失真波形的所有谐波分量有效值U (i=1,2,? )的均方根值与基波有效值?0 的比值称为总谐波失真(Total Harmonic Distortion), 简称THD。 123THD=0 在没有负反馈的情况下,如果放大电路对正半周的放大能力强, 那么当放大电路输入端加上正弦输入信号?,经过放大使A 放大倍数大,B半周的放大倍数小,因而输出波形产生了失真,即A 半周的波形大于B 半周的波形。 引入负反馈后,也就是在这种失真的输出信号中取出一部分信号 送回到输入端,那么相应地反馈信号?也是A 半周波形比B 大。由于反馈信号?与原来的输入信号?是反相的,因此反馈信号对原来的输入信号起削弱作用,在A 半周,削弱作用要强一些,在 两个半周的波形之间的差别比没有负反馈时要小,从而改善了非线性失真的程度。 但是传统的用负反馈改善不对称失真有很大的局限性。首先,负 反馈改善波形失真的实质是利用失真减小失真,但不能完全消除失真。 其次,负反馈只能减小反馈环内的失真,如输入信号本身就是失真的, 负反馈则不能改善失真。下面我们探讨另一种改善不对称失真的方法。 图2-10(a)、(b)所示不对称失真电压波形的THD 各为5% 10%。THD达5%时,肉眼即可看出不对称失真。 (a)THD=5%的不对称失真 (b)THD=10%的不对称失真 图2-10 2.3.3 传统负反馈改善方案 2.3.4 多级反相放大改善方案 在放大器中加入负反馈电路之后,负反馈电路能够减小放大器非 线性失真。原理图如图2-11 所示。 首先以双级反相放大分析。第一个三极管输入信号纯正弦,输出 上矮胖下瘦长波形作为第二个三极管的输入。矮胖的上半波在第二个 三极管中得到较多放大,瘦长的下半波得到较少放大,非线性失真明 显压低,线性度自然得到补偿和提高。具体电路图设计以及Multisim 仿真将在第3 部分给出。 图2-11 放大电路失真现象的研究2.4 线性失真 2.4.1 线性失真理论分析 线性失真的概念在第1 部分中已经简单介绍,下面从理论上具体 分析线性失真产生的机理。 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为一低通滤波器。如果不忽略低频截止 频率影响,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。这种情况下产生的失真, 我们称作幅度失真。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,这种情况下产生的失真,我们称为相位失 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。 2.4.2 线性失真电路设计及改善方案仿真 线性失真是由于输入信号含有不 同频率分量造成的,仿真时采用单管共射电路,输入信号为方波, 方波在时域上有跃变的值,所以方波中的高频分量大,经过放大电路 容易看出线性失真情况。设计电路图如图2-12 所示。仿真结果如图 2-13 所示。 图2-12 放大电路失真现象的研究 图2-13 改善线性失真的方案就是展宽通频带。具体采用的方法有两种: 一种就是加入负反馈,加入负反馈后,通频带展宽的倍数等于反馈深度的大小,但负反馈展宽频带的同时会使增益减小;第二种就是采用 组合电路法,可以在共射电路前插入低阻输出的共集电路组成共集- 共射电路,也可以在共射电路后插入低阻输入的共基电路组成共射- 共基电路。下面以共射-共基电路为例,进行改善线性失真的仿真。 计电路如图2-14所示。仿真结果如图2-15 所示。 大局限性,且不能完全消除失真,我们寻求另一种解决方案。用 双极反相放大电路可以很好地改善不对称失真,设计电路如图3-1 图2-14图3-1 电路设计为双级共射反相放大电路,参数设置如图中所示,注意 信号源电压一定要小,因为双极放大倍数很高,若信号源输入电压过 大,输出将出现双向失真,这里选取的输入电压为有效值0.1V。 示波器通道A 测量第一个三极管的输出,通道B 测量第二个三极 管的输出,到得波形如图3-2 所示。上半部分为第一个三极管的输出, 肉眼可以看出有不对称失真,这是三极管非线性造成的;下半部分为 第二个三极管的输出,可以看出很大程度的改善了不对称失真。 图2-15 由图2-15 可以看出,方波的线性失真得到了一定的改善。 图3-2 双级反相放大电路也可以扩展为多级反相放大电路,随着级数增 加,改善不对称失真的程度越高,同时增益也大大提高。