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运放波形失真的原因及对策
运放波形失真的原因有很多，以下是一些常见的原因及相应的对策：
1. 输入信号幅度过大：当输入信号的幅度超过运放的输入范围时，会导致波形失真。
解决方法是调整输入信号的幅度，使其保持在运放的输入范围内。
2. 电源电压不足：电源电压过低可能导致运放无法正常工作，从而产生波形失真。
解决方法是提高电源电压，确保运放能够正常工作。
3. 放大器增益过高：当运放的增益设置过高时，输出信号可能超过其输出范围，从而导致波形失真。
解决方法是适当降低放大器增益。
4. 运放性能较差：如果使用的运放性能较差，如转换速率较低，可能无法满足高频信号的放大需求，从而导致波形失真。
解决方法是更换性能更好的运放，如高速宽带运放OP37或LM4562。
5. 源电阻引起的失真：运放输入端的源电阻可能导致信号失真。
解决方法是通过测量和观察确定失真类型，并调整电路中的电阻以改善失真情况。
6. 非线性输入电阻和非线性输入电容：运放的输入电阻和输入电容的非线性特性可能导致波形失真。
解决方法是选择具有良好线性特性的运放，或采用其他技术手段改善输入端的特性。
7. 输出负载过大：当输出负载电阻过大时，可能导致运放的输出波形失真。
解决方法是减小输出负载电阻。
8. 工作点偏离：运放的工作点偏离理想状态可能导致波形失真。
解决方法是调整运放的工作点，使其处于线性工作区域。
总之，要解决运放波形失真问题，需要对电路进行仔细分析，找出失真的具体原因，并采取相应的措施进行调整。
在实际操作中，还可以通过优化电路设计、选用高性能元件等方法来降低波形失真。
功率放大器的常见故障
功率放大器是音响设备中不可或缺的部件，负责将弱电信号变成强电信号，从而驱动扬声器发出优美的声音。
然而，功率放大器在长时间使用中会出现各种各样的故障，如电路故障、电源故障、温度过高等，以下是常见故障与解决方法：
1.电路故障：
首先要检查电路板上元器件的焊接是否牢固、接触是否好，并且要开机观察是否有烧焦、变色等现象。
如果出现这些情况，要及时更换故障元器件或者修补焊点，确保电路板正常工作。
2.电源故障：
电源故障是音响设备中十分常见的问题，一般表现为音箱没声、杂音、声音失真等情况。
此时，我们需要检查电源开关是否损坏，电源线是否接触良好，是否有电源漏电等情况。
3.温度过高：
功率放大器在长时间使用后，由于电路发热，会出现温度过高的情况。
这时候可以采取降温措施，如定期清洁电路板、加装散热器、增大风扇转速等措施。
4.非线性失真：
非线性失真是功率放大器常见的问题之一，一般是因为元器件的特性跟与其管脚、引脚连接不良导致的。
要解决这个问题，可以采用更换更优质的元器件，或者重新连接引脚等方式。
总之，对于功率放大器故障的解决，关键在于发现问题的根源，并采取适当的措施予以解决，这不仅需要经验、技术，也需要对音响设备能够全面深入的了解。
如果您对功率放大器不是很了解，建议尽早寻求技术人员的帮助。
基础知识音频放大器失真分析及评价傅焕章现代音频放大器在高保真方面已取得相当好的性能。
在评测音频放大器性能时,有多项技术指标,而在这些指标中,/失真度0是影响音质的最重要因素之一。
本文就/失真度0的定义,分类、产生机理及对音质的影响作些基本的定性分析和评价。
理想的放大器应能放大任意形状的信号,应对变化极快和变化极慢的信号均能很好地作出响应。
评价一个放大电路的优劣,应从它的稳态特性和瞬态特性两方面加以考察。
根据电路基本理论,瞬态是由两个原因即电路的初始条件和输入信号的突然变化所引起的结果。
如果电路工作正常,则瞬态将逐渐消逝。
稳态只是输入的结果,因而它的波形跟输入波形密切相关。
从放大电路的稳态特性对信号失真分类,可以归纳为两大类:线性失真和非线性失真。
线性失真可分为两种失真:频率失真和相位失真。
频率失真 放大器的输入信号一般都含有丰富的频率成分,也就是信号的频谱分布很宽广。
如果放大电路的通频带不够宽,使不同频率的信号得不到同样的放大时,输出波形就会变形。
这种波形失真称为/频率失真0。
频率失真是放大电路中存在电抗引起的。
图1如图1所示,假如一个输入信号由基波和二次谐波组成,如果基波的放大倍数较大,而二次谐波的放大倍数较小,则输出电压中振幅的比例与放大前不同了,于是输出电压波形产生了失真。
在音频放大器中,频率失真使音质变坏,如高音频增益过大,则使声音显得尖锐不柔和,若低音频增益过大,则声音显得低沉混浊。
这就要求放大电路有足够宽的通频带,在通频带内的频响曲线是平坦的。
现代放大器由于电路设计和元器件制造的进步,使频率失真的影响可以忽略。
相位失真 如果放大电路在放大过程中改变了原有信号中各频率相互的相位关系,使输出波形不再与输入波形相同,这种失真称为相位失真。
相位失真是放大电路中电抗的相移引起的。
图2如图2所示,假如一个输入信号由基波和二次谐波组成,如果放大后的二次谐波相位滞后了一个相角,结果输出电压波形产生变形。
放大器的非线性失真The document was prepared on January 2, 2021放大器的非线性失真非线性失真是模拟电路中影响电路性能的重要因素之一.本章先从非线性的定义入手,确定量化非线性的一个度量标准,然后研究放大器的非线性失真及其差动电路与反馈系统中的非线性,并介绍一些线性化的技术.概述非线性的定义电路非线性是指输出信号与输入信号之比不为一个常量,体现在输出与输入之间的关系不是一条具有固定斜率的直线,或体现为小信号增益随输入信号电平的变化而变化.放大器的非线性定义：当输入为正弦信号时,由于放大器管子的非线性,使输出波形不是一个理想的正弦信号,输出波形产生了失真,这种由于放大器管子参数的非线性所引起的失真称为非线性失真.由于非线性失真会使输出信号中产生高次谐波成分,所以又称为谐波失真.非线性的度量方法1 泰勒级数系数表示法：用泰勒级数展开法对所关心的范围内输入输出特性用泰勒展开来近似：)()()()(33221 +++=t x t x t x t y ααα 对于小的x ,y t≈α1x ,表明α1是x ≈0附近的小信号增益,而α2,α3等即为非线性的系数,所以确定式中的α1,α2等系数就可确定.2 总谐波失真THD 度量法：即输入信号为一个正弦信号,测量其输出端的谐波成分,对谐波成分求和,并以基频分量进行归一化来表示,称为“总谐波失真”THD .把xt=Acosωt 代入式中,则有：+++++=+++=)]3cos(cos 3[4)]2cos(1[2cos cos cos cos )(332213332221t t A t A t A t A t A t A t y ωωαωαωαωαωαωα由上式可看出,高阶项产生了高次谐波,分别称为偶次与奇次谐波,且n 次谐波幅度近似正比于输入振幅的n 次方.例如考虑一个三阶非线性系统,其总谐波失真为：2331233222)43()4()2(THD A A A A αααα++= 3 采用输入/输出特性曲线与理想曲线即直线的最大偏差来度量非线性.在所关心的电压范围0 V i,max 内,画一条通过实际特性曲线二个端点的直线,该直线就为理想的输入/输出特性曲线,求出它与实际的特性曲线间的最大偏差ΔV ,并对最大输出摆幅V o,max 归一化.即在如图所示.V图 非线性的确定单级放大器的非线性1 由于管子特性引起的非线性以共源放大器为例来说明单级放大器的非线性,如图所示是带电阻负载的共源放大器.V S +v sVo图 共源放大器图中V S 为M 1管的直流工作点,即栅源电压,而v s 则为输入的交流小信号,假定输入的交流小信号为：t cos V v m s ω= 则根据饱和萨氏方程可得其漏极电流为： 2)cos (t V V V K I m th GS N D ω+-=上式中I D0为直流输出,所以在输出端的交流信号可表示为：+++-=)]2cos(1[21cos )(22t V K t V V V K I m N m th GS N d ωω输出信号的基波与二次谐波的幅度之比为：)(42th GS mV V V A A -=ωω 由上式可以看出MOS 放大器的非线性失真是由于输出电流与输入电压的平方关系引起的,当V m 很小时,二次谐波可以忽略.2 由放大器传输特性引起的非线性带电阻负载的共源放大器的传输特性如图所示.V图 带电阻负载的共源放大器的传输特性由上图可以看出,放大器的非线性失真与输入信号大小、直流工作点偏置点有关.一般放大器的最大输出幅度是指无失真的输出.所以当偏置点不同时同一放大器的输出幅度是不同的.由于V o ＝V DD －I D R ,而放大器的电压增益为：A v =－g m R ,所以当电源电压为常数时,随着电阻R 值的增大,放大器的增益增加,但输出幅度的动态范围减小.差分电路的非线性对于差分电路,由于输入与输出间表现出一种“奇对称”的关系,即f －x=－fx ,所以对式的泰勒展开式进行简化,应只有奇次项,所有的偶次项系数为零,即输入为差分信号时差分放大器不存在偶次谐波,从而减少了非线性.V图 相同电压增益的单端放大器与差分放大器对于如图所示的差分放大器,其小信号电压增益为：)(2 R V V K R g A th GS N m v -=≈ 与共源放大器一样,假设输入信号为V m cosωt .则有：21D D o I I I -= 21GS GS id V V V -=根据饱和萨氏方程有：22221)(4 2idth GS id N id NS idN D D V V V V K V K I V K I I --=-=-从式可以看出,只有当N S id K I V /2≤时,I D1、I D2才有意义,而当V id 较小时,△I D ＝I D1－I D2和V id 才是线性的.所以一般认为在满足N S id K I V /±≤时,差分放大器是线性的.如果|V id |<<V GS －V th ,则将式中的根号下的式子展开得：)(8cos cos )(2 )(81)(2)(41)(2233222221⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡---=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡---≈---=-th GS m m th GS N th GS idth GS id N th GS idth GS di N D D V V t V t V V V K V V V V V V K V V V V V V K I I ωω 利用三角函数的性质cos 3ωt=3cosωt+cos3ωt/4对式进行进一步的简化,有：)(32)3cos(cos )(323232321th GS m m th GS m m m D D V V t V g t V V V V g I I --⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=-ωω 由上式可以看出：差分放大器的非线性失真只包含有奇次谐波,而无偶次谐波分量,且当])(32[323th GS m m V V V V ->>时,其三次谐波分量与基次谐波分量的比值为： )(32/22th GS m V V V -.与式相比可发现：在提供相同的电压增益与输出摆幅的情况下,差动电路呈现的失真要比共源放大的失真要小得多.电路中器件引起的非线性前面介绍的者是假定无源组件为线性,但实际上,特别是在集成电路中,无源组件也都是非线性的.这里主要介绍电容以及用MOS 管作电阻的非线性. 1 电容的非线性电容的非线性主要体现在开关电容电路中,电容器对电压的依赖关系可能会引入相当大的非线性.如图所示的电容结构,则是一个非线性电容.图 一种非线性电容结构对于图中的电容,由于其电容值的大小与PX 二点的电压值即电容两端的电压有关,通常此电容可表示为：)1(2210 +++=V V C C αα 为了考虑电容非线性的影响,分析如图a 所示的开关电容电路.CV oV i0a b图 a 非线性电容的开关电容电路 b 输出曲线假设图中放大器输入电容C 1上有一初始电压为V i0,而输出电容C 2的初始电压为零,且C 1是一非线性电容,并假设C 1/C 2＝K 电路的死循环增益,C 1＝KC 01＋α1V ,则电容C 1上获得的电荷为：201000100112)1( 00i i V V V KC V KC dV V KC dV C Q i i αα+=+==⎰⎰而在放大模式终止时,电容C 2上的电荷为：2100222o o V V C V C dV C Q oα+==⎰而根据电荷守恒定理,Q 1＝Q 2,所以可令式与式相等,则可求得：)211(10120211i i o V K V K V ααα+++-=上式中平方根项下的后两项通常远小于1,因此可以对平方根项展开,有：20102)1(i i o V K K KV V α-+≈从上式可以看出输出电压V o 的非线性是由第二项产生的.2 MOS 管作为电阻的非线性如图所示,为一个有源滤波器,其中使用MOS 管作为其电阻,V VGV oV V o图 用MOS 管作为电阻的有源滤波器选择V G 的电压使MOS 管工作在线性区,因此根据萨氏方程有： DS DSth GS N d V )2V V V (K i --= 对上式进行泰勒展开得：+----=)(21))((22S D N S D th GS N d V V K V V V V K i 式中V D －V S ＝V DS ,则其等效电阻为：++--==)(21)(S D N th GS N DS d V V K V V K V i R 上式中第一项为线性电阻,第二项为非线性电阻,使滤波器电路产生非线性,所以用简单管子工作在非饱和区作电阻时使电路产生非线性,当V D ＋V S 很小时,非线性可以忽略.克服非线性的技术 原理在模拟电路中改善和克服非线性失真的方法基本上都是采用负反馈.其基本的工作原理如下：考虑放大器的非线性失真时,输出信号可以表示为：h v di v o v DA v A v 00+=式中D 为谐波失真系数,v h 为输入端的谐波信号.则一个反馈系统可用图表示.Dv图 反馈系统的对非线性的影响的原理框图由上图可得到：of v f v F v ⋅= f sf di v v v -= di v h v of v A Dv A v 00+=把式、代入式h v sf v v v of Dv A v A F A v 000)1(+=+即：vv hv vv sf v of F A Dv A F A v A v 000011+++=上式说明,非线性失真减小是用降低系统增益换来的,反馈放大器输入信号幅度与无反馈时相同,则负反馈放大器的输出信号缩小了1＋A v0F v 倍.为了便于比较,应将输出信号中的基波幅度调到与无反馈时相同,则有： s v v sf v F A v )1(0+= 把式代入到式中可得到：vv hv s v of F A Dv A v A v 0001++=由上式可以看出负反馈作用使放大器输出信号中的谐波成分减小了,若以D F表示,则有： vv F F A DD 01+=上式说明负反馈放大器非线性失真比无反馈放大器减小了1＋A v0F v 倍.上述情况也可以从放大器的传输特性曲线来理解.假定一个放大器一般放大器的开环传输特性曲线失真可以用分段线性近似,如图所示.图 传输特性曲线失真的分段线性近似表示法当v s ≤V s1时,放大器开环增益为A 1；当V s1＜v s ≤V s2时,放大器开环增益为A 2；当v s ＞V s2时,放大器开环增益为A 3.实际为传输特性的斜率,从此可以看出A 3为零,由于放大器随着输入信号的变化放大器增益的不一致,使输出波形将有失真.当放大器加反馈后该放大器闭环时的增益分别为假定反馈系数都为F v vvo v v F A A A 10111+=vvo v v F A A A 20221+=当反馈深度足够时,则有：A v1=1/F v ,A v2=1/F v ,A V3=0因为A 3＝0.由上述关系画出闭环放大器传输特性如图中虚线所示,可以看出放大器的增益降低了,但线性范围扩展了,只有当v s >V s2时输出信号被限幅,才会失真.所以负反馈放大器在输出信号中非线性失真减小,反馈越深,负反馈放大器线性工作范围越大缓冲器最大：它是全反馈,非线性失真也越小,当放大器进入饱和区后,输出波形限幅.当放大器输入信号本身包含有谐波成分时,负反馈是无法将这种谐波成分减小的,只有加滤波器.改善放大器非线性失真的实际电路1 共源放大器线性电阻源级负反馈如图a所示,这是一个串联负反馈电路,且反馈系数为F＝R S.VoViIa b图a带电阻负反馈的共源级 b不同反馈时的漏电流与Vi的关系负反馈减小了晶体管栅源之间施加的信号的摆幅,因此使得输入－输出特性具有更好的线性.忽略体效应,共源级的等效跨导为：1Smmm RggG+=当g m R S>>1时,则G m接近于1/R S,这是一个与输入无关的值.由图b可以发现R S越大,则ID越稳定.该电路的电压增益为：G m R,由于R S与R都是线性化的,因此A v也是线性的.并且该电路的线性范围直接取决于g m R S,g m R S越大则线性范围越大.例对于一个偏置电流为I0的共源级放大电路如图所示,其输入电压摆幅使漏电流由变化到.则MOS管的跨导发生变化,引起电路的非线性失真,计算以下三种情况下小信号电压增益的变化a R S＝0,b g m R S＝2的负反馈,c g m R S＝4,其中g m是I D＝I1时的跨导.解：假定M1工作于饱和区,则有DmIg∝.则：a当R S＝0时,即不存在负反馈时,有：4.06.0,,=lmhmggb 当g m R S＝2时,由式可得：4.06.00.89)6.021()4.021(4.06.0)4.01/(4.0)6.01/(6.0,,=++=++=SmmSmmlmhmRggRggGGc 同理,当g m R S ＝4时有：4.06.00.86 )6.041()4.041(4.06.0)4.01/(4.0)6.01/(6.0,,=++=++=S m m S m m lm h m R g g R g g G G由式与式可知：当g m R S ＝2时,线性度提高了11%；而当g m R S ＝4时,线性度提高了14%.2 差分放大器的线性负载共源放大器线性电阻源级负反馈,可直接应用到差分放大器中形成差分放大器的线性负载负反馈.如图a 、b 所示.a b图 差分对中使用的源级负反馈 a 一个电阻 b 两个电阻图a 、b 中的差分输入的半电路相同,如同图a 所示.因此其负反馈的作用也与带线性电阻负反馈的共源放大器的效果一样.在图a 中, V GS 抬高了I S R S /2电压值比不带反馈的放大器,而当V id ＝0时,电阻上通过I S /2的电流,因而提高反馈深度以提高线性范围与输出压摆之间是一矛盾的关系,另外,失调与噪声都存在负反馈作用,所以对失调与噪声都有改善.而图b 中,仅用一个电阻,且电阻2R S 上无电流流过,因此失调与噪声不存在负反馈作用,所以容易产生较大的失调和噪声.在MOS 差分运算放大器中,要求R S 能很精确,但是由于工艺原因,其电阻值存在着很大误差,所以一般在制造中采用工作在很深三极管区的MOS 管作为电阻,此时的电阻呈线性特征,当V DS 很小时有：R on3=1/2K N V GS -V th .如图所示.图 通过工作在深线性区的MOSFET 实现负反馈的差分对然而,当输入摆幅较大时,不能保证M 3处于深线性区,因此它的导通电阻将会增大,从而引入了非线性.当图中的电阻R S 用两个工作于深线性区的NMOS 管来实现时,就构成了如图所示的电路.图 用两个工作在线性区的MOSFET 负反馈的差分对当V id ＝0时,M 3与M 4都处在深线性区.假设V id 为负值,即V G1＜V G2,由于V D4＝V G4－V GS2,晶体管M 4处在线性区,而M 4则因为其漏极电压大于栅源电压,最终将进入饱和区.因此,即使一个负反馈器件进入饱和区,电路仍能保持相对线性.在设计时,令W/L 1,2≈7W/L 3,4,则可得到较宽的线性范围.但是在图中,当M 3、M 4进入饱和区时,电阻增加,在管子上的压降增大,使电路脱离了线性区.3 改变输入对管的输入特性来克服放大器的非线性强制输入对管始终工作在深的线性区,如图所示,图中运放A 1、A2使得：V A ＝V B ≈V b,且不受输入电平变化的影响,而且要求V b <<V GS1－V th1,因此输入对管M 1、M 2始终工作于深线性区.13V b图 输入器件工作在线性区的差分对该电路的特点为：1 由于M 1、M 2工作于深线性区,故它们的跨导较小,且为：g m1=g m2=2K N1V DS =2K N1V b . 所以这种线性范围的扩大是以增益的降代为代价的.2 因为M 1、M 2的工作状态与V i 的共模电平有关,所以输入共模电平必须严格控制,并跟踪V b ,以便确定I D1和I D2.3 M 3,M 4与两个辅助放大器在输出端会产生很大的噪声.4 利用器件特性的互补法其思路是将放大器看作由一个电压－电流V/I转换器后面再接一个电流－电压I/V转换器构成.这样在理想情况下,电压－电流转换时的非线性用其后的电流－电压的非线性相互抵消,从而产生线性的放大器.但在实际中,由于存在着各种其它非理想效应都会在电路中产生非线性,从而减小了放大器的线性工作范围.。
放大器产生误差的原因放大器是现代电子设备中必不可少的一个部件，它可以将输入信号放大到合适的电平，以便于后续的处理和传输。
然而，在放大器的工作中，常常会出现误差，这些误差可能会对整个系统的性能产生负面影响。
本文将从几个方面分析放大器产生误差的原因。
一、放大器内部噪声放大器内部噪声是放大器产生误差的主要原因之一。
噪声是指在信号处理过程中出现的随机波动，它会将输入信号与输出信号混合在一起，从而降低系统的信噪比。
放大器内部噪声主要来自于电子元件的热噪声、激励噪声以及杂散噪声等。
这些噪声会在放大器的输入端和输出端产生误差，因此放大器的噪声系数是衡量放大器质量的一个重要指标。
二、放大器的非线性失真放大器的非线性失真也是一个常见的误差源。
非线性失真是指当输入信号的幅度变化较大时，放大器的输出信号与输入信号不再呈线性关系，从而导致输出信号出现失真。
这种失真会使得信号的波形发生变形，从而影响系统的性能。
非线性失真主要来自于放大器元件的非线性特性，如晶体管的饱和和截止效应等。
三、放大器的温度漂移放大器的温度漂移也是一种常见的误差源。
温度漂移是指当放大器的温度发生变化时，放大器的增益和偏置电压也会发生变化，从而导致输出信号的误差。
这种误差主要来自于放大器元件的温度敏感性，如晶体管的热漂移等。
四、放大器的功率限制放大器的功率限制也是一种常见的误差源。
功率限制是指当输入信号的功率超过放大器的最大输出功率时，放大器会出现压缩失真或截止失真，从而导致输出信号的失真。
这种误差主要来自于放大器元件的功率限制，如晶体管的最大功率承受能力等。
放大器在工作中会有各种误差，这些误差会对系统的性能产生影响。
因此，设计和选择合适的放大器是非常重要的。
同时，在实际应用中，还需要采取一些措施来降低误差，如使用低噪声放大器、线性化电路、温度补偿技术等。
解决共发射极放大器截止失真的方法一、共发射极放大器截止失真的表现。
1.1 首先呢，咱得知道啥是截止失真。
在共发射极放大器里啊，截止失真就是输出信号的波形底部被削平了，就像一个好好的山峰，底部突然被齐刷刷地砍掉了一样，看着特别别扭。
这就好比一个人唱歌，本来该有低音部分的，结果低音全没了，那这歌听起来就不完整，难受得很。
1.2 这种失真主要是因为晶体管工作的时候啊，基极电流太小了。
就好像是给一个机器提供的动力不足，它不能正常运转，结果就把信号给搞成这种残缺的样子了。
二、解决截止失真的方法。
2.1 增加基极电流是个很关键的办法。
这就像是给一个饿瘪了的人多喂点食物一样。
咱们可以通过调整基极偏置电阻来实现。
比如说，把偏置电阻的值减小一点，这样就能够让更多的电流流入基极。
这就如同把水龙头的阀门拧大一点，水流就变大了，电流也是这个道理。
2.2 检查电路中的元件参数也是非常重要的一步。
有时候啊，元件的参数不准确就像是一个团队里有人不按规矩出牌一样，会把整个事情搞砸。
可能是电阻的实际阻值和标称阻值差太多了，或者是电容有漏电之类的问题。
这时候就得像个细心的侦探一样，把每个元件都排查一遍，找出那些“捣蛋鬼”，然后换上合适的元件。
2.3 还有一个办法就是合理选择晶体管的工作点。
这就像是给一个运动员找一个最适合他发挥的场地一样。
工作点选得不合适，就容易出现截止失真这种情况。
要根据输入信号的幅度大小等因素来确定一个合适的工作点，让晶体管工作在一个比较理想的状态下，这样就能避免截止失真这个“小怪兽”出现啦。
三、实际操作中的注意事项。
3.1 在调整基极电流的时候啊，可不能盲目地增大。
就像吃饭一样，吃太多也会撑坏的。
如果基极电流过大，就会产生饱和失真，那可就是按下葫芦浮起瓢，刚解决了截止失真，又出现新的问题了。
所以得小心翼翼地调整，找到那个刚刚好的平衡点。
3.2 在检查元件参数的时候呢，一定要使用合适的测量工具。
可不能马马虎虎、敷衍了事。
模拟电子技术研讨论文放大电路失真现象的研究学院：电子信息工程学院专业：通信工程学号：学生：指导教师：***2013年5月目录引言 (3)1.失真类型及产生原因 (3)1.1非线性失真 (3)1.2线性失真 (3)2.各类失真现象分析 (4)2.1截止、饱和和双向失真 (4)2.1.1截止、饱和失真理论分析 (4)2.1.2饱和失真的Mutisim仿真 (4)2.1.3双向失真分析及改善方案 (5)2.2交越失真 (5)2.2.1交越失真理论分析 (5)2.2.2传统交越失真改善方案 (6)2.2.3基于负反馈的改善方案 (6)2.3不对称失真 (7)2.3.1不对称失真概念 (7)2.3.2不对称失真理论分析 (7)2.3.3传统负反馈改善方案 (8)2.3.4多级反相放大改善方案 (8)2.4线性失真 (9)2.4.1线性失真理论分析 (9)2.4.2线性失真电路设计及改善方案仿真 (9)3.用双级反相放大改善不对称失真的电路设计 (10)4.总结 (11)【参考文献】 (12)放大电路失真现象的研究（北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044）摘要：失真问题是模拟电子技术中的一个重要问题，系统化解决失真问题，能够给放大电路在工程中的设计提供便利。
本文简单地介绍了失真的类型，系统地介绍了各类失真现象产生的原因，同时设计了各类失真电路，给出了各类失真的改善方案，对部分失真问题进行了仿真实验。
关键词：非线性失真、线性失真、三极管放大电路、负反馈、Multisim仿真引言在放大电路中，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。
但在实际电路中，由于种种原因，输入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。
在工程上，电路的失真影响着放大电路的正常使用，在理论上对各种失真现象的原理的研究，有利于工程上快速检测出放大电路失真的原因，从而完善放大电路的设计。
基本放大电路失真度
１、信号在传输过程中，可能产生线性和非线性两种失真。
线性失真又称为频率失真，是由于器件内部电抗效应和外部电抗元件的存在，而使得电路对同一信号中不同的频率重量的传输系数不同或相位移不同而引起的。
非线性失真是由于器件的非线性引起的。
两种失真的区分在于非线性失真使得电路的输出信号中产生了不同于输入信号的新的频率成分，而线性失真则不会产生新的频率成分。
２、线性失真用电路的频率特性表示，失真度的测量是指非线性失真的程度的测量。
衡量非线性失真的大小，常用非线性失真系数(失真度)表示，它的定义为：
式中U1为基波重量电压有效值。
U2，U3，…，UN分别为二次、三次……N次谐波重量电压有效值。
由于在实际工作中测量被测信号的基波电压有效值比较困难，而一般测量被测信号的电压有效值比较简单，因此，常用的测试非线性失真的大小的仪器——失真度测试仪——测出的非线性失真系数为0。
即o为被测信号中各次谐波电压有效值与被测信号电压有效值之比的百分数。
和o的关系为：
当00％时，＝0，当00％时，则应按上式计算信号的失真。
失真度既可以表征电路的特性，又可以表征非正弦信号与正弦信号的差别，用失真度来表征一个正弦振荡器的输出波形的好坏就是一个例子。
一般，人耳对音乐能觉察0.7％左右的失真度；对语言能辨别3％～5％的失真度。
对于音频设备，常要求失真度在0.5％～0.8％以下。
15 放大器失真问：我看了你们的放大器产品说明，对失真技术指标我有些弄不懂。
有的放大器是用二次和三次谐波失真，另外一些用总谐波失真(THD)或总谐波失真加噪声(THD+N)，还有的用两个单一频率互调失真(IMD)和三阶互调失真，能否请你解释一下?答：因为放大器是应用范围很广的常用器件，所以为了满足应用需要不断研制出一些新的放大器，因而自然会涉及到一些专用指标。
正如你所指出的那样，失真可以用各种方法来定义，对于特殊的应用，技术指标与用户对失真的定义有关。
尽管有一些指标主要与规定的频率范围和应用场合有关，但还是有一些失真指标是相当通用的。
实际上存在着一些标准化的基本定义，所以让我们首先讨论一下。
谐波失真是这样度量的：在规定的电路中，用一个频谱上是很纯的正弦波加到放大器上，然后观察输出的频谱。
在输出端观察到的失真大小通常与下面几个参数有关：待测放大器在小信号和大信号条件下的非线性、输入信号的幅值和频率、放大器输出端施加的负载、放大器的电源电压、印制线路板的布局、接地和电源去耦等。
因此你可以看出，任何关于失真的技术指标如果没有确切规定的测试条件是完全没有意义的。
谐波失真的测量可以根据频谱分析仪的输出频谱，观察二次、三次、四次…等谐波相对基波信号的幅值来完成。
谐波失真通常表示成一个比率，其单位为%，ppm,dB 或dBC。
例如00015%的失真相当于15 ppm 或-96 5 dBC。
单位 dBC仅仅表示谐波电平比“载波”频率(即基波)低多少 dB。
谐波失真可以用每一个分量来分别表示(通常仅仅用二次和三次谐波)。
或者把它们所有分量组合成一个方和根(rss)，从而给出总谐波失真(THD)为：THD=V22+V23+V24+…V2nVS这里，VS=信号幅值(有效值V)V2=二次谐波幅值(有效值V)Vn=n次谐波幅值(有效值V)在THD中所含的谐波数目可能是不同的，但通常用前五次谐波就足够了。
你可以看出，在 rss算法中，倘若较高阶谐波是最大谐波的1/3至1/5，则可忽略该高阶项对THD的影响( 0102+0032=00109≈010)。
总谐波失真加噪声(THD+N)表达式与THD类似，仅在rss式中再加上噪声V noise 项，其中V noise 表示在测量频带范围内的噪声电压有效值。
THD+N = V22+V23+V24+…V2n+V2 noi se VS假如在测量频带范围内V nosie 是THD或最坏的谐波的几分之一，显然应该THD+N ≈THD。
假如你只知道THD是毫无用处的，你应当利用放大器的电压噪声和电流噪声指标能够相当精确地计算出THD+N(还要把与源电阻和反馈网络有关的热噪声计算进去)。
但是假如噪声电平有效值比谐波电平有效值明显地高许多，仅给出THD+N指标你还是不能计算出THD 的。
在音频应用中为了灵敏地测量噪声和失真常常使用某些专用设备。
为此首先使用一个带阻滤波器以滤掉基波信号，这样就可测量整个规定带宽范围内其它所有频率成分(包括谐波和噪声)的总有效值，它与基波的比值就是THD+N的技术指标。
问：在各种频率范围和应用过程中如何看失真指标?答：最好的方法在频谱的低频端开始直到我们所关心的频段，以便比较容易理解下面的方法。
音频放大器是开始讨论这个问题的最好实例。
这里最好选用音频带宽内(20 Hz～20 kHz) 低噪声和低失真的典型器件(如OP275)。
在音频应用中，通常用专用设备(如Audio Precisio n System One)测量THD+N。
在给定的输入频率(如1 kHz)条件下测量输出信号的幅度。
然后按上面所说的方法用带阻滤波器滤掉基波信号，测量剩余的频率成分(包括谐波和噪声)的有效值。
在可测量最高次谐波的带宽内(通常为100 kHz)测量谐波和噪声。
在整个频率范围内对于各种条件进行扫描测量，这里给出测得的OP275的THD+N曲线作为频率的函数，见图15 1 。
信号电平是3 V有效值，放大器被接成单位增益跟随器。
应注意到THD+N的值为00008%，相当于8 ppm 或-102 dBC。
OP275在1 kHz条件下输入电压噪声典型值为6 nV/Hz ，而在100 kHz带宽范围图15 1 OP275的THD+N与频率的关系内积分，则噪声电压有效值为19 μV。
对于3 V有效值信号，相应的信噪比为124 dB。
因为THD要比噪声电平大得多，所以THD起了主要作用。
问：我注意到最近ADI公司推出另一种低噪声、低失真放大器(AD 79 7)，它使用THD指标而不用THD+N。
实际指标是在20 kHz条件下为-120 dB。
这是什么意思?答：确实，我们不希望对此产生误解。
失真测量受使用的测量设备的限制，而有的噪声甚至比测量设备本底还低20 dB!这里测量AD797的THD是频率的函数，见图152。
图15 2 失真测量受测量设备的限制在使用频谱分析仪进行测量时，在进入分析仪之前，首先滤掉基波的正弦波频率，这是为了防止频谱分析仪引起的过激励失真。
测量前5次谐波并且按rss形式合成便得到THD图。
图1 52示出测量设备的“本底”约为-120 dB，因此在频率低于10 kHz时THD值可能更小。
为求得噪声，AD797的电压噪声谱密度(1nV/Hz)乘以测量带宽的平方根便可得到器件的本底噪声有效值。
例如对于100 kHz带宽，其本底噪声有效值为316 nV。
从而可以计算出3 V有效值的输出信号对应的信噪比为140 dB。
问：高频放大器的失真指标怎样?答：由于在高频时要求增加动态范围，所以现在大多数宽带放大器都有失真指标。
产品说明中可能给出二次和三次谐波分量的具体值，或者给出THD。
假如定义THD指标，也只是前面几次谐波对结果起主要作用。
所以在高频条件下分别给出具体的失真分量比给出定义的THD更有用。
例如AD9620是600 MHz(典型-3 dB带宽)低失真单位增益缓冲器。
图153示出 AD9620在各种负载条件下二次和三次谐波失真随频率变化曲线。
图15 3 高频放大器用二次和三次谐波分量的具体值表示失真问：什么是两个单一频率互调分量?它与谐波失真有何差别?答：当两个单一频率信号都被加到同一个非线性放大器时，由于非线性作用使两个信号相互调制，把产生互调失真(IMD)形成的一些新频率的输出功率称作互调分量。
设两个音频频率为f1和f2，且f2＞f1，则2阶和3阶互调分量具有以下频率：2阶：f1+f2,f2-f13阶：2f1+f2,2f2+f1,2f2-f1,2f1-f2如果两个频率相当接近，则差频形式的3阶IMD分量2f2-f1和2f1-f2会出现特别麻烦，因为如图154所示，用滤波器滤掉它们是很困难的。
注意其它的2阶和3阶I MD 分量大致位于高频端或低频端(如果仅对f1和f2邻近频率感兴趣)，可以把它们滤掉。
两个单一频率的互调失真指标在射频应用中特别重要，它主要和通信接收机的设计有关。
I MD分量能够在有大信号的情况下屏蔽掉小信号。
虽然很少对工作在1 MHz以下的运算放大器规定IMD，但现在许多直流运算放大器都是宽带型的，它完全能够工作图15 4 当两个音频相当接近，滤掉2f2-f1和2f 1-f2很困难在射频范围。
因此对于快速运算放大器一般都注意IMD指标。
问：什么是2阶和3阶交点?它们的含意如何?答：通常它们与射频的应用有关，这些指标提供了表征放大器的IMD性能的质量因数。
交点功率越大，使IMD变大的输入电平越高，所以在给定的信号电平条件下IMD就越低。
它是这样推导出来的：把两个在频谱上很纯的信号加到同一个放大器上。
这里给出 (及外推出)单一频率信号输出功率(用dBm表示)以及2阶和3阶分量(相对单一频率)的相对幅值与输入信号功率的函数曲线，见图155。
假如你经过数学分析发现：如果放大器的非线性可以用一个简单的幂级数展开来近以表示，那么输入信号每增加1 dB，2阶IMD幅值会增加2 dB。
同样，输入信号每增加1 dB，3阶IMD幅值会增加3 dB。
如果从低电平的两个单一频率输入信号开始，并且只取几个IMD的数据点，你就能画(或外推)出2阶和3阶IMD的直线，如图155所示。
输出信号超过一定程度开始逐渐饱和，同时IMD分量明显增加。
假设你延长2阶和3阶IMD 直线，它们将与输出输入直线的延长线相交，这2个交点被称为2阶交点和3阶交点(second and third order intercept points)。
与这些交点相对应的投影在纵轴上的输出功率值通常可为放大器输出功率提供基准，用dBm表示。
因为已知3阶IMD的幅值斜率(3 dB/dB)，假如它的交点也知道，那么可以估计出任何输入( 或输出)电平的3阶IMD分量。
对于高阶交点，直线向右移(斜率相同)，图15.5中示出的是对于给定输入电平对应较低的3阶分量。
许多射频混频器和放大模块都有50 Ω的输入和输出阻抗。
输出功率就是器件传输到50 Ω负载上的功率。
输出功率可以这样计算：输出电压有效值VO的平方除以负载电阻RL 。
输出功率换算为dBm形式的公式为：输出功率=10log 10 V2ORL1mW dBm另一方面，由于运算放大器输出阻抗很低，所以对于大多数的射频应用来说，必须把运放的输出作为信号源接到负载端。
按照上述公式通过计算可以看出实际运放输出功率必须比传输到负载上的功率高3 dB。
在这类应用中习惯上根据实际传输到50 Ω负载上的功率而不是用实际运算放大器的输出功率来定义IMD分量。
另一个值得感兴趣的参数是1 dB压缩点(1dB compression point)，见图155。
在这点输出信号已开始受到限制并且相对理想的输入输出曲线衰减1 dB。
图156是AD9620缓冲放大器的3阶交点功率(third order intercept power)与输入频率的关系曲线。
图中的数据用来近似表示在各种频率和信号电平下3阶互调分量的实际值。
图交点功率与输入频率的关系假设运算放大器输出信号是以频率20 MHz峰峰值2 V加到100 Ω负载(其中50 Ω是放大器输出阻抗，50 Ω是负载)。
所以加到50 Ω负载上的电压是1V峰峰值，功率为，对应+4 dBm。
3阶交点在20 MHz 时从图查得是+40 dBm。
这里可采用图解法，如图所示。
对一个输出为+4 d Bm的信号，3阶IMD分量，根据从交点画出的斜率为3的外推直线，得到-6 dBm或者比信号低72 dBm。
这个分析假定了运放失真可以用简单的幂级数展开来表示。
遗憾的是运算放大器并非始终可以用这种简单方式(尤其在高频时)来表示，所以3阶交点指标主要是用来表示质量因数，而不能代替测量。
图分量图解法。
