什么是放大电路的非线性失真?非线性失真如何消除?

一、什么是放大电路的非线性失真？

定义：非线性失真是指放大电路的输出信号与输入信号之间不能保持严格的线性比例关系，从而导致输出波形发生畸变，产生了输入信号中所没有的新的频率成分。

一个简单的比喻：
想象一个完美的放大器就像一个“比例尺”，输入信号变大多少倍，输出信号就严格跟着变大多少倍，波形完全一致，只是幅度变了。
而一个有非线性失真的放大器，就像一把“弹性不匀的橡皮尺”，输入信号在不同幅度时，被“拉伸”的程度不一样，导致出来的形状（波形）发生了扭曲。

产生的根本原因：
所有实际的放大器件（如晶体管BJT、FET、电子管、运算放大器等）其特性都不是理想的直线。它们的转移特性曲线（输出随输入变化的关系）都是非线性的，只是程度不同。
例如：

• BJT：其集电极电流 IcIc 与基极-发射极电压 VbeVbe 是指数关系，Ic=Is?e(Vbe/VT)Ic=Is?e(Vbe/VT)。

• FET：其漏极电流 IdId 与栅-源电压 VgsVgs 是平方关系，Id=k?(Vgs?Vth)2Id=k?(Vgs?Vth)2。

当输入信号的幅度较大，工作范围进入了这些器件的非线性区域时，就会产生明显的非线性失真。

主要表现形式：
非线性失真主要表现为两种形式：

1. 谐波失真

   • 现象：当输入一个纯净的正弦波（单一频率 ff）时，由于放大器的非线性，输出信号中不仅包含了原来的频率 ff（基波），还产生了许多新的频率成分，这些新频率是基波频率的整数倍（2f,3f,4f,...2f,3f,4f,...），称为谐波。

   • 危害：这些额外的谐波使得输出声音听起来沙哑、刺耳（在音频系统中），或导致数据传输的错误。

2. 互调失真

   • 现象：当输入信号由两个或以上不同频率（f1f1 和 f2f2）的信号组成时，非线性特性会使这些信号相互“调制”，产生出原始信号中没有的和频（f1+f2f1+f2）、差频（f1?f2f1?f2）及其他组合频率（如 2f1?f22f1?f2, 2f2?f12f2?f1）成分。

   • 危害：互调失真产生的这些新频率成分可能落在工作频带内，形成难以滤除的干扰噪声，对通信系统的危害尤其大。

二、非线性失真如何消除或减小？

完全消除非线性失真是不可能的，但可以通过一系列电路技术和设计方法来将其减小到可接受的水平。以下是主要的方法：

1. 引入负反馈
这是常用、有效的方法。

• 原理：将输出信号的一部分“反向”送回到输入端，与原始输入信号相减。负反馈虽然会降低放大器的整体增益，但却能极大地改善一系列性能，其中包括线性度。

• 效果：它有效地“平均”了放大器的非线性特性，迫使系统按照反馈网络的线性特性来工作，从而显著减小谐波失真和互调失真。几乎所有的高性能放大器都大量采用负反馈技术。

2. 选择合适的静态工作点

• 原理：对于晶体管放大器，静态工作点（Q点）的设置至关重要。如果Q点设置不当（过高或过低），即使输入信号很小，也容易进入饱和区或截止区，产生严重的截止失真或饱和失真（都属于非线性失真）。

• 方法：将Q点设置在放大区中间（甲类放大），可以为输入信号提供的动态范围，使其尽可能不触及非线性严重的截止区和饱和区。

3. 使用线性好的放大器件

• 选择：在某些对线性度要求极高的场合，可以选择天生线性度更好的器件。例如，JFET通常比BJT的线性度更好；MOSFET在一定的条件下也有较好的线性；电子管的特性曲线线性区较长，这也是其备受Hi-Fi音频爱好者青睐的原因之一。

4. 采用推挽放大电路（互补对称放大）

• 原理：常用于功率放大级。它利用两个特性对称的晶体管（一个NPN，一个PNP），分别放大输入信号的正半周和负半周，然后在输出端合成一个完整的波形。

• 效果：两个管子的非线性可以相互补偿，偶次谐波失真（如2f）可以被极大地抵消，从而改善了整体线性度。乙类或甲乙类功放都采用这种结构。

5. 前馈技术

• 原理：这是一种更的技术，主要用于超高频、微波等对线性度要求极高的领域。它通过一个辅助电路，提取主放大器产生的失真分量，然后经过放大后，以相反的相位注入到输出端，从而与主通路中的失真分量相互抵消。

• 特点：性能优于负反馈，尤其适用于高频电路（负反馈在高频下可能不稳定），但电路非常复杂，成本高。

6. 减小输入信号幅度

• 原理：直接的方法。确保输入信号的幅度足够小，始终让放大器工作在其特性曲线的线性区域内。这是“治本”但也是不实用的方法，因为放大器的任务就是放大信号。

7. 采用差分放大电路

• 原理：差分放大器具有对称结构，对温漂和共模干扰有很强的抑制能力，同时其传输特性在小信号范围内也具有较好的线性度。它是构成高性能集成运放的单元。