一、什么是放大電路的非線性失真？

定義：非線性失真是指放大電路的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間不能保持嚴(yán)格的線性比例關(guān)系，從而導(dǎo)致輸出波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生了輸入信號(hào)中所沒(méi)有的新的頻率成分。

一個(gè)簡(jiǎn)單的比喻：
想象一個(gè)完美的放大器就像一個(gè)“比例尺”，輸入信號(hào)變大多少倍，輸出信號(hào)就嚴(yán)格跟著變大多少倍，波形完全一致，只是幅度變了。
而一個(gè)有非線性失真的放大器，就像一把“彈性不勻的橡皮尺”，輸入信號(hào)在不同幅度時(shí)，被“拉伸”的程度不一樣，導(dǎo)致出來(lái)的形狀（波形）發(fā)生了扭曲。

產(chǎn)生的根本原因：
所有實(shí)際的放大器件（如晶體管BJT、FET、電子管、運(yùn)算放大器等）其特性都不是理想的直線。它們的轉(zhuǎn)移特性曲線（輸出隨輸入變化的關(guān)系）都是非線性的，只是程度不同。
例如：

• BJT：其集電極電流 IcIc 與基極-發(fā)射極電壓 VbeVbe 是指數(shù)關(guān)系，Ic=Is?e(Vbe/VT)Ic=Is?e(Vbe/VT)。

• FET：其漏極電流 IdId 與柵-源電壓 VgsVgs 是平方關(guān)系，Id=k?(Vgs?Vth)2Id=k?(Vgs?Vth)2。

當(dāng)輸入信號(hào)的幅度較大，工作范圍進(jìn)入了這些器件的非線性區(qū)域時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生明顯的非線性失真。

主要表現(xiàn)形式：
非線性失真主要表現(xiàn)為兩種形式：

1. 諧波失真

   • 現(xiàn)象：當(dāng)輸入一個(gè)純凈的正弦波（單一頻率 ff）時(shí)，由于放大器的非線性，輸出信號(hào)中不僅包含了原來(lái)的頻率 ff（基波），還產(chǎn)生了許多新的頻率成分，這些新頻率是基波頻率的整數(shù)倍（2f,3f,4f,...2f,3f,4f,...），稱為諧波。

   • 危害：這些額外的諧波使得輸出聲音聽(tīng)起來(lái)沙啞、刺耳（在音頻系統(tǒng)中），或?qū)е聰?shù)據(jù)傳輸?shù)腻e(cuò)誤。

2. 互調(diào)失真

   • 現(xiàn)象：當(dāng)輸入信號(hào)由兩個(gè)或以上不同頻率（f1f1 和 f2f2）的信號(hào)組成時(shí)，非線性特性會(huì)使這些信號(hào)相互“調(diào)制”，產(chǎn)生出原始信號(hào)中沒(méi)有的和頻（f1+f2f1+f2）、差頻（f1?f2f1?f2）及其他組合頻率（如 2f1?f22f1?f2, 2f2?f12f2?f1）成分。

   • 危害：互調(diào)失真產(chǎn)生的這些新頻率成分可能落在工作頻帶內(nèi)，形成難以濾除的干擾噪聲，對(duì)通信系統(tǒng)的危害尤其大。

二、非線性失真如何消除或減?。?/h3>

完全消除非線性失真是不可能的，但可以通過(guò)一系列電路技術(shù)和設(shè)計(jì)方法來(lái)將其減小到可接受的水平。以下是主要的方法：

1. 引入負(fù)反饋
這是常用、有效的方法。

• 原理：將輸出信號(hào)的一部分“反向”送回到輸入端，與原始輸入信號(hào)相減。負(fù)反饋雖然會(huì)降低放大器的整體增益，但卻能極大地改善一系列性能，其中包括線性度。

• 效果：它有效地“平均”了放大器的非線性特性，迫使系統(tǒng)按照反饋網(wǎng)絡(luò)的線性特性來(lái)工作，從而顯著減小諧波失真和互調(diào)失真。幾乎所有的高性能放大器都大量采用負(fù)反饋技術(shù)。

2. 選擇合適的靜態(tài)工作點(diǎn)

• 原理：對(duì)于晶體管放大器，靜態(tài)工作點(diǎn)（Q點(diǎn)）的設(shè)置至關(guān)重要。如果Q點(diǎn)設(shè)置不當(dāng)（過(guò)高或過(guò)低），即使輸入信號(hào)很小，也容易進(jìn)入飽和區(qū)或截止區(qū)，產(chǎn)生嚴(yán)重的截止失真或飽和失真（都屬于非線性失真）。

• 方法：將Q點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū)中間（甲類放大），可以為輸入信號(hào)提供的動(dòng)態(tài)范圍，使其盡可能不觸及非線性嚴(yán)重的截止區(qū)和飽和區(qū)。

3. 使用線性好的放大器件

• 選擇：在某些對(duì)線性度要求極高的場(chǎng)合，可以選擇天生線性度更好的器件。例如，JFET通常比BJT的線性度更好；MOSFET在一定的條件下也有較好的線性；電子管的特性曲線線性區(qū)較長(zhǎng)，這也是其備受Hi-Fi音頻愛(ài)好者青睞的原因之一。

4. 采用推挽放大電路（互補(bǔ)對(duì)稱放大）

• 原理：常用于功率放大級(jí)。它利用兩個(gè)特性對(duì)稱的晶體管（一個(gè)NPN，一個(gè)PNP），分別放大輸入信號(hào)的正半周和負(fù)半周，然后在輸出端合成一個(gè)完整的波形。

• 效果：兩個(gè)管子的非線性可以相互補(bǔ)償，偶次諧波失真（如2f）可以被極大地抵消，從而改善了整體線性度。乙類或甲乙類功放都采用這種結(jié)構(gòu)。

5. 前饋技術(shù)

• 原理：這是一種更的技術(shù)，主要用于超高頻、微波等對(duì)線性度要求極高的領(lǐng)域。它通過(guò)一個(gè)輔助電路，提取主放大器產(chǎn)生的失真分量，然后經(jīng)過(guò)放大后，以相反的相位注入到輸出端，從而與主通路中的失真分量相互抵消。

• 特點(diǎn)：性能優(yōu)于負(fù)反饋，尤其適用于高頻電路（負(fù)反饋在高頻下可能不穩(wěn)定），但電路非常復(fù)雜，成本高。

6. 減小輸入信號(hào)幅度

• 原理：直接的方法。確保輸入信號(hào)的幅度足夠小，始終讓放大器工作在其特性曲線的線性區(qū)域內(nèi)。這是“治本”但也是不實(shí)用的方法，因?yàn)榉糯笃鞯娜蝿?wù)就是放大信號(hào)。

7. 采用差分放大電路

• 原理：差分放大器具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)，對(duì)溫漂和共模干擾有很強(qiáng)的抑制能力，同時(shí)其傳輸特性在小信號(hào)范圍內(nèi)也具有較好的線性度。它是構(gòu)成高性能集成運(yùn)放的單元。

關(guān)鍵詞：放大電路