放大器失真
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放大器失真1、概述2、放大器因幅度失真而产生失真3、削波导致的幅度失真4、谐波引起的频率失真5、相位失真导致的放大器失真
放大器失真可以采取许多形式，例如幅度、频率和相位失真，由于剪裁引起。
1、概述
放大器要正确运行且不产生输出信号失真，需要在其基极或栅极上施加一定的直流偏置。直流偏置的作用是使放大器能够在整个周期内放大输入信号，同时将偏置“Q点”设置在负载线的中间位置附近。
偏置Q点的设置将使我们得到“A类”放大配置，其中最常见的是双极晶体管的“共射”配置，或者是单极场效应晶体管的“共源”配置。
放大器提供的功率、电压或电流增益（放大倍数）是输出峰值与输入峰值的比值（输出 ÷ 输入）。
然而，如果我们错误地设计放大器电路，将偏置Q点设置在负载线上的错误位置，或者给放大器施加过大的输入信号，那么输出信号可能不会完全复制原始输入信号的波形。换句话说，放大器将出现常见的“放大器失真”问题。考虑下面的共发射极放大器电路。
输出信号波形失真可能发生以下原因：
由于偏置电平不正确，整个信号周期内可能不会发生放大。输入信号可能过大，导致放大器晶体管受到电源电压的限制。放大可能不是输入整个频率范围内的线性信号。
这意味着在信号波形的放大过程中，发生了某种形式的放大器失真。
放大器基本上是设计用来将小电压输入信号放大为更大的输出信号，这意味着输出信号在所有输入频率下都会不断地乘以某个因子或值，称为增益，这个乘积因子之前我们已经看到被称为晶体管的Beta值。
共发射极或共源型晶体管电路对于小的交流输入信号工作良好，但存在一个主要缺点，即双极放大器的偏置Q点的计算位置取决于所有晶体管的相同Beta值。然而，这个Beta值会因为相同类型的晶体管而有所不同，换句话说，一个晶体管的Q点不一定与同类型的另一个晶体管的Q点相同，这是由于固有的制造公差。
因此，放大器失真发生，因为放大器不是线性的，会导致一种称为幅度失真的放大器失真。仔细选择晶体管和偏置元件可以帮助减小放大器失真的影响。
2、放大器因幅度失真而产生失真
幅度失真发生在频率波形的峰值被衰减时，由于Q点的偏移和放大可能不会在整个信号周期内发生，从而导致失真。输出波形的这种非线性如下所示。
如果晶体管的偏置点正确，输出波形应该与输入波形相同，只是更大（放大）。如果偏置不足，Q 点位于负载线的下半部分，那么输出波形将像右侧的那个一样，负半部分被“截断”或剪切。同样，如果偏置过大，Q 点位于负载线的上半部分，输出波形将像左侧的那个一样，正半部分被“截断”或剪切。
此外，当偏置电压设置得太小时，在周期的负半部分，晶体管不会完全导通，因此输出由电源电压确定。当偏置过大时，周期的正半部分会使晶体管饱和，输出几乎降至零。
即使设置了正确的偏置电压水平，由于电路增益放大了大幅输入信号，输出波形仍有可能变形。输出电压信号在波形的正负部分都被剪切，不再呈现正弦波形，即使偏置是正确的。这种幅度失真称为剪切，是过度驱动放大器输入的结果。
当输入幅度过大时，剪切效应变得明显，强制输出波形信号超过电源电压的上下限，波形信号的峰值（正半部分）和谷值（负半部分）被“剪切掉”。为避免这种情况，输入信号的最大值必须限制在不会产生剪切效应的水平上，如上图所示。
3、削波导致的幅度失真
当频率波形的峰值衰减时，就会发生幅度失真，导致由于Q点偏移而导致失真，并且在整个信号周期内可能不会发生放大。输出波形的非线性如下所示。
如果晶体管的偏置点正确，输出波形应该与输入波形相同，只是更大（放大）。如果偏置不足，Q 点位于负载线的下半部分，那么输出波形将像右侧的那个一样，负半部分被“截断”或剪切。同样，如果偏置过大，Q 点位于负载线的上半部分，输出波形将像左侧的那个一样，正半部分被“截断”或剪切。
此外，当偏置电压设置得太小时，在周期的负半部分，晶体管不会完全导通，因此输出由电源电压确定。当偏置过大时，周期的正半部分会使晶体管饱和，输出几乎降至零。
即使设置了正确的偏置电压水平，由于电路增益放大了大幅输入信号，输出波形仍有可能变形。输出电压信号在波形的正负部分都被剪切，不再呈现正弦波形，即使偏置是正确的。这种幅度失真称为剪切，是过度驱动放大器输入的结果。
当输入幅度过大时，剪切效应变得显著，强制输出波形信号超过电源电压的上下限，波形信号的峰值（正半部分）和谷值（负半部分）变得扁平或“剪切掉”。为避免这种情况，输入信号的最大值必须限制在不会产生剪切效应的水平上，如上图所示。
4、谐波引起的频率失真
在上面的示例中，输入波形由一个基频和一个二次谐波信号组成。生成的输出波形显示在右侧。当基频与二次谐波结合使输出信号失真时，就会发生频率失真。因此，谐波是基频的倍数，在我们的简单示例中，使用了二次谐波。
因此，谐波的频率是基波的两倍，即
2
∗
ƒ
2*ƒ
2∗ƒ 或
2
ƒ
2ƒ
2ƒ。那么三次谐波将是
3
ƒ
3ƒ
3ƒ，四次谐波是
4
ƒ
4ƒ
4ƒ，依此类推。在包含电容或电感等电抗元件的放大器电路中，谐波引起的频率失真始终是可能的
5、相位失真导致的放大器失真
相位失真或延迟失真是一种放大器失真，当输入信号与其在输出端出现之间存在时间延迟时，就会在非线性晶体管放大器中发生。
如果我们说输入和输出之间的相位变化在基频下为零，则产生的相位角延迟将是谐波和基波之间的差值。该时间延迟将取决于放大器的结构，并将随着放大器带宽内的频率逐渐增加。例如，考虑以下波形：
除了高端音频放大器外，大多数实用的放大器都会有某种形式的放大器失真，即“频率失真”和“相位失真”以及幅度失真的组合。在大多数应用中，例如在音频放大器或功率放大器中，除非放大器失真过大或严重，否则通常不会影响放大器的运行或输出声音。