放大器失真

放大器失真有多種形式，例如由削波（Clipping）引起的幅度失真（Amplitude Distortion）、頻率失真（Frequency Distortion）和相位失真（Phase Distortion）。

要使信號(hào)放大器正常工作且輸出信號(hào)無任何失真，其基極（Base）或柵極（Gate）端子需要某種形式的直流偏置（DC Bias）。設(shè)置直流偏置的目的是讓放大器能對輸入信號(hào)的整個(gè)周期進(jìn)行放大，且偏置靜態(tài)工作點(diǎn)（Q-point）應(yīng)盡可能設(shè)置在負(fù)載線的中間位置。

偏置靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置會(huì)使放大器呈現(xiàn) “甲類（Class-A）” 放大組態(tài)，其中最常見的結(jié)構(gòu)為：雙極型晶體管（Bipolar Transistors）采用 “共射極（Common Emitter）” 組態(tài)，單極型場效應(yīng)管（Unipolar FET Transistors）采用 “共源極（Common Source）” 組態(tài)。

放大器提供的功率增益、電壓增益或電流增益（即放大倍數(shù)），等于輸出信號(hào)峰值與輸入信號(hào)峰值的比值（輸出 ÷ 輸入）。

然而，若放大器電路設(shè)計(jì)不當(dāng)，導(dǎo)致偏置靜態(tài)工作點(diǎn)在負(fù)載線上的位置錯(cuò)誤，或向放大器輸入過大的信號(hào)，最終輸出信號(hào)可能無法精確復(fù)現(xiàn)原始輸入信號(hào)的波形。換句話說，放大器會(huì)出現(xiàn)通常所說的 “放大器失真”。請參考下方的共射極放大器電路（注：原文提及 “下方電路”，此處基于文本描述還原核心場景）：

共射極放大器

輸出信號(hào)波形產(chǎn)生失真，可能源于以下原因：

· 偏置電平不當(dāng)，導(dǎo)致放大器無法對信號(hào)的整個(gè)周期進(jìn)行放大；

· 輸入信號(hào)過大，導(dǎo)致放大器中的晶體管受電源電壓限制（無法正常工作）；

· 在整個(gè)輸入信號(hào)頻率范圍內(nèi)，放大器的放大作用并非線性（即不同頻率信號(hào)的放大倍數(shù)不一致）。

這意味著在信號(hào)波形的放大過程中，出現(xiàn)了某種形式的 “放大器失真”。

放大器的設(shè)計(jì)初衷，是將小電壓輸入信號(hào)放大為幅度大得多的輸出信號(hào)。這意味著對于所有輸入頻率的信號(hào)，輸出信號(hào)始終是輸入信號(hào)乘以某個(gè)固定系數(shù)或數(shù)值（即增益）后的結(jié)果。前文已提及，這個(gè)乘法系數(shù)被稱為晶體管的 β 值（Beta 值）。

共射極或共源極類型的晶體管電路，在處理小交流輸入信號(hào)時(shí)表現(xiàn)良好，但存在一個(gè)主要缺點(diǎn)：雙極型放大器偏置靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算位置，依賴于所有晶體管的 β 值 —— 而即使是同一型號(hào)的晶體管，其 β 值也會(huì)存在差異。換句話說，由于制造過程中固有的公差，同一型號(hào)的不同晶體管，其靜態(tài)工作點(diǎn)未必相同。

這種情況下，放大器會(huì)因自身的非線性特性而產(chǎn)生失真，這類失真被稱為 “幅度失真”。通過精心選擇晶體管和偏置元件，可幫助減小放大器失真的影響。

由幅度失真引起的放大器失真

當(dāng)頻率波形的峰值被衰減時(shí)，會(huì)產(chǎn)生幅度失真。這種失真源于靜態(tài)工作點(diǎn)的偏移，導(dǎo)致放大器無法對信號(hào)的整個(gè)周期進(jìn)行放大。輸出波形的這種非線性特性如下所示（注：原文提及 “下方波形圖”，此處基于文本描述補(bǔ)充核心信息）：

由偏置不當(dāng)引起的幅度失真

若晶體管的偏置點(diǎn)設(shè)置正確，輸出波形應(yīng)與輸入波形形狀相同，僅幅度更大（即被放大）。若偏置不足，導(dǎo)致靜態(tài)工作點(diǎn)位于負(fù)載線的下半部分，輸出波形會(huì)如右側(cè)所示 —— 輸出波形的負(fù)半周被 “截止”（cut-off）或 “削波”（clipped）；同理，若偏置過大，導(dǎo)致靜態(tài)工作點(diǎn)位于負(fù)載線的上半部分，輸出波形會(huì)如左側(cè)所示 —— 正半周被 “截止” 或 “削波”。

此外，當(dāng)偏置電壓設(shè)置過小時(shí)，在信號(hào)負(fù)半周期間，晶體管無法充分導(dǎo)通，輸出信號(hào)會(huì)受電源電壓限制；當(dāng)偏置過大時(shí)，在信號(hào)正半周期間，晶體管會(huì)進(jìn)入飽和狀態(tài)，輸出電壓幾乎降至零。

即便偏置電壓設(shè)置正確，若輸入信號(hào)經(jīng)電路增益放大后幅度過大，輸出波形仍可能產(chǎn)生失真。此時(shí)，輸出電壓信號(hào)的正半周和負(fù)半周都會(huì)被削波，不再呈現(xiàn)正弦波形狀 —— 這種情況即使在偏置正確時(shí)也會(huì)發(fā)生。這類幅度失真被稱為 “削波失真”，是放大器輸入 “過驅(qū)動(dòng)”（over-driving）的結(jié)果。

當(dāng)輸入信號(hào)幅度過大時(shí)，削波現(xiàn)象會(huì)變得十分明顯，迫使輸出波形超出電源電壓范圍（即 “電源軌”），導(dǎo)致波形的峰值（正半周）和谷值（負(fù)半周）被 “削平” 或 “截去”。為避免這種情況，必須將輸入信號(hào)的最大值限制在特定水平，以防止上述削波效應(yīng)（如前文波形所示）。

由削波引起的幅度失真

幅度失真會(huì)大幅降低放大器電路的效率。無論是因偏置不當(dāng)還是輸入過驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致的輸出波形 “平頂”，都不會(huì)對所需頻率下輸出信號(hào)的強(qiáng)度產(chǎn)生任何貢獻(xiàn)。

盡管如此，一些著名的吉他手和搖滾樂隊(duì)實(shí)際上偏愛極具辨識(shí)度的 “高失真” 或 “過驅(qū)動(dòng)” 音色 —— 通過將輸出波形向正負(fù)電源軌嚴(yán)重削波來實(shí)現(xiàn)。此外，對正弦波的削波程度不斷加大，會(huì)使放大器失真達(dá)到極高水平，最終輸出波形近似 “方波”，這種波形可用于電子合成器或數(shù)字合成器電路中。

前文已提及，對于直流信號(hào)，放大器的增益水平會(huì)隨信號(hào)幅度變化；而除了幅度失真外，交流信號(hào)在放大器電路中還可能產(chǎn)生其他類型的失真，例如 “頻率失真” 和 “相位失真”。

由頻率失真引起的放大器失真

頻率失真是晶體管放大器中常見的另一種失真類型，當(dāng)放大器的放大倍數(shù)隨頻率變化時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生這種失真。實(shí)際放大器需要放大的輸入信號(hào)，通常包含被稱為 “基波頻率”（Fundamental Frequency）的目標(biāo)信號(hào)波形，以及疊加在基波上的若干不同頻率信號(hào) —— 這些信號(hào)被稱為 “諧波”（Harmonics）。

正常情況下，這些諧波的幅度僅為基波幅度的一小部分，因此對輸出波形幾乎無影響；但如果諧波頻率的幅度相對于基波頻率增大，輸出波形就會(huì)產(chǎn)生失真。例如，參考下方波形（注：原文提及 “下方波形圖”，此處基于文本描述補(bǔ)充核心信息）：

由諧波引起的頻率失真

在上述示例中，輸入波形包含基波頻率和二次諧波信號(hào)，右側(cè)為最終輸出波形。當(dāng)基波頻率與二次諧波疊加時(shí)，會(huì)導(dǎo)致輸出信號(hào)失真，這種情況即為頻率失真。諧波的頻率始終是基波頻率的整數(shù)倍，在本簡易示例中，我們使用的是二次諧波。

因此，二次諧波的頻率為基波頻率的 2 倍（2*?或 2?），三次諧波為 3?，四次諧波為 4?，依此類推。在含有電容、電感等電抗元件的放大器電路中，由諧波引起的頻率失真始終存在發(fā)生的可能。

由相位失真引起的放大器失真

相位失真（又稱延遲失真，Delay Distortion）是一種非線性晶體管放大器特有的失真類型，當(dāng)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)之間存在時(shí)間延遲時(shí)，會(huì)產(chǎn)生這種失真。

假設(shè)在基波頻率下，輸入與輸出之間的相位變化為零，那么最終的相位角延遲將等于諧波與基波之間的相位差。這種時(shí)間延遲取決于放大器的結(jié)構(gòu)，且在放大器的帶寬范圍內(nèi)，會(huì)隨頻率的升高而逐漸增大。例如，參考下方波形（注：原文提及 “下方波形圖”，此處基于文本描述補(bǔ)充核心信息）：

由延遲引起的相位失真

除高端音頻放大器外，大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中的放大器都會(huì)存在某種形式的失真 —— 通常是 “頻率失真”“相位失真” 與幅度失真的組合。在音頻放大器或功率放大器等多數(shù)應(yīng)用場景中，除非失真程度過大或過于嚴(yán)重，否則一般不會(huì)對放大器的工作性能或輸出音質(zhì)產(chǎn)生明顯影響。