BJT放大电路失真类型及抑制失真的方法＊

元增民

(长沙大学机电工程系，湖南 长沙 410003)

BJT放大电路失真类型及抑制失真的方法＊

元增民

(长沙大学机电工程系，湖南 长沙 410003)

BJT放大器谐波失真分为削波失真和非线性失真，非线性失真分为非线性分流失真及非线性分压失真.工作点设置在临界位置可以避免单向削波失真.有效抑制非线性失真的因素除了负反馈之外，还有信号源内阻及多级反相放大.

BJT放大电路;临界工作点;削波失真;非线性失真;负反馈;多级反相放大

1 BJT放大电路失真类型

1.1 削波失真

因工作点设置不当或信号幅度超限致使晶体管截止或饱和，正弦电压波头被削平，称为削波失真.随着信号幅度增大，工作点设置不当时正弦电压只有正波头或负波头被削平，发生单向削波失真;工作点设置合理时，则正、负波头都被削平，发生双向削波失真.削波失真属于硬伤.削波失真一旦发生就难以弥补.设置合理的工作点［1－7］是避免削波失真的唯一措施.

1.2 非线性失真

对线性电阻，输入是正弦波电压，则输出电流亦是正弦波.电阻阻值变化时，输入是正弦波，则输出就会偏离正弦波.将放大器中输入正弦电压(电流)时输出电流(电压)偏离正弦波的现象叫做非线性失真.

BJT放大器中的非线性失真电压(电流)波形的基本特征是一个波头矮胖，另一个瘦长，见图3.非线性失真属于柔性失真.非线性失真可以用若干方法来抑制或补偿.

2 BJT放大电路非线性失真分析

图1是BJT输入特性曲线，其斜率叫做BJT的输入电阻.可看出，BJT输入电阻rbe在正弦信号电压瞬时变化过程中一直随着总电流变化.电流越大，rbe越小.

图1 BJT输入特性曲线

图2 基本共射放大器

按照基本共射放大器电压放大倍数计算公式

可从几何波形和解析两方面分析该放大器输出电压波形的非线性失真.

2.1 基本共射放大器非线性失真的波形分析

从晶体管输入特性曲线可看出，在正弦信号电压负半波，电流总量较小，rbe较大，结果使信号电流、基极电流交流分量、集电极电流交流分量的负半波都比较小，反相后反映为负载电压正半波矮胖;在正弦信号电压正半波，电流总量较大，rbe较小，使信号电流、基极电流交流分量、集电极电流交流分量的正半波都比较大，反相后反映为负载电压负半波瘦长，见图3.

就是说，基本共射放大器输入信号电压虽然是正弦波形，但由于BJT的非线性输入特性即rbe值的交变，输出电压畸变为上半部矮胖下半部瘦长的非正弦波形.正弦电压上下半波本来对称，非线性失真后上下半波不再对称，故BJT放大器非线性失真也叫做不对称失真.

非线性失真波形的所有谐波分量有效值Ui(i=1，2，……)的均方根值与基波有效值U0的比值称为总谐波失真(Total Harmonic Distortion)，简称THD

图3(a)、(b)所示非线性失真电压波形的THD各为5%、10%.THD达5%时，肉眼即可看出非线性失真.

图3 上矮下胖的非线性失真输出电压波形

2.2 基本共射放大器非线性失真的解析分析

两电阻相加，其中较大的一个无论对于串联分压还是对波形的影响所起的主导作用就都越大.式(1)第二个分数的分母说明，信号源线性内阻rs越大，对晶体管输入电阻rbe非线性的抑制作用就越大.实验表明，rs越大，输出电压的THD数值的确就越小.

只看式(1)第二个分数，似乎rs很大时基本共射放大器就不应再有非线性失真.实际上即使取rs→∞，输出电压还是总存在微量非线性失真.Multisim仿真时将正弦电压信号源改为正弦电流信号源，即能实现rs→∞的要求.由此认定这是基极偏置电阻Rb与BJT输入电阻rbe对正弦信号源电流的非线性分流造成的.实际因为Rb≫rbe，所以非线性分流失真也是微量的.

式(1)第一个分数即代表Rb与rbe的非线性交流分流作用.交流电流信号源的输出电流本来是正弦波，但是经过Rb与rbe的非线性分流后，两个分支电流硬是各自产生不同的非线性失真.因此理论上只有Rb和rs都是无穷大，基本共射放大器非线性失真才能彻底消除.

发现这个机理后，我们在Multisim平台上把直流电压源经电阻Rb提供偏置改为由直流电流源直接偏置，即相当于使Rb→∞.用直流电流源直接偏置，并由交流信号源直接输入正弦信号电流，基本共射放大器输出电压就是纯正弦波，THD=0，证实了确有非线性分流失真.

信号源内阻rs的有限造成非线性分压失真，基极偏置电阻Rb的有限造成非线性分流失真.BJT放大器非线性输入失真由非线性分压失真和非线性分流失真组成.

3 影响BJT放大电路非线性失真的因素

3.1 信号源内阻

在共射(CE)、共集(CC)和共基(CB)三种基本BJT放大器中，信号源内阻rs都有利于抑制管子的非线性.

3.2 BJT放大器接法

从基本共基放大器源电压放大倍数计算公式

可看出，CB放大器中rbe的非线性作用只有CE放大器的1/β.若β=100，则信号源内阻相同时，CB放大器输出电压的非线性只有CE放大器的1%.所以说CB放大器不仅具有频带宽的长处，而且具有线性好的优点.

从射极输出器源电压放大倍数计算公式

可看出CC放大器中rbe非线性不仅受到rs的抑制，而且受到负反馈等效电阻βR'L的抑制，CC放大器线性更好.

3.3 负反馈

负反馈对射极输出器非线性的抑制作用已经讨论.

从分压偏置共射放大器源电压放大倍数计算公式

可看出，该放大器中rbe的非线性不仅受到rs的抑制，而且受到负反馈等效电阻βRe1的抑制，其线性较好.

3.4 多级反相放大

首先以两级反相放大分析.一放输入信号纯正弦，输出上矮胖下瘦长波形作为二放输入.矮胖的上半波在二放中得到较多放大，瘦长的下半波得到较少放大，非线性失真明显压低，线性度自然得到补偿和提高.

在Multisim平台上取rs=0，见图5中R1，以验证rs=0情况下双级反相放大对非线性失真的补偿效果.

表1第1列为信号幅度，第2列为所测输出电压峰－峰值，第3列系由第1、2列数据计算的电压放大倍数，第4、5列各为所测一放、二放输出电压的THD值，末列系根据第4、5列THD值计算的失真度衰减比.

图5 Multisim平台上的双级共射反相放大电路

表1 双级共射反相放大电路补偿失真实验数据

仿真实验时除了取rs=0，其他参数没有特意选配，就获得了使双级反相放大器输出电压的非线性失真度THD降低80%左右的好效果.可以估计，实际信号源内阻rs≠0、其他参数选配得当时，THD还能进一步降低.

图6是信号源电动势Esm=0.4mV时输出电压波形.可看出一放输出虽明显失真，但二放输出失真仍然很小.

图6 双级共射反相放大电路仿真实验I/O波形

还取rs=0测试了三级反相放大每级THD值，见表2.

表2 三级共射反相放大电路补偿失真实验数据

可见三级反相放大补偿非线性失真的效果比两级反相放大更好.总之，采用多级反相放大，能在负反馈较浅甚至不用负反馈条件下获得较好的线性度.

4 总结

BJT放大器谐波失真分为削波失真和非线性失真.设置工作点避免单向削波失真，使放大器输出范围最大，为纠正非线性失真打下基础.抑制非线性失真应在不考虑削波失真的条件下进行，设置工作点应在不考虑非线性失真的条件下进行.不考虑非线性失真时放大器各处信号电压都是正弦波.人们提取正弦电压幅度很正常，使用三角函数工具进行偏置分析计算［6］也很自然.

信号源内阻、负反馈及迭次反相放大都能减小BJT非线性失真，改善放大器线性.信号源内阻及负反馈基于抑制管子非线性的机理去减少放大器输出电压的非线性失真，迭次反相放大基于补偿机制去减少放大器输出电压的非线性失真.比较看，信号源内阻及负反馈只是有利于尽可能忠实地放大信号，对输入信号的非线性失真无能为力，而且负反馈会压低增益，大环路负反馈还可能加剧互调失真，因此负反馈深度不宜过大，而理论上负反馈就不能彻底抑制非线性失真.迭次反相放大不用任何代价就能补偿输入信号的非线性失真，且有可能补偿到零.

总之，负反馈只能在一定程度上抑制管子的非线性失真，而迭次反相放大能获得极佳的高保真效果.

不宜以晶体管非线性衡量放大器的非线性［7］，也不宜以某一级放大器的非线性来衡量多级放大器的非线性.设计放大器，不要纠结某一级的非线性失真，更不要纠结管子的非线性失真，而应着眼于全局，灵活运用信号源内阻、负反馈及多级反相放大等措施，将末级的非线性失真度THD压低到最小数值，设计出优秀的放大器.

FET放大器非线性失真与BJT虽然不尽相同，但是先解决削波失真［8］后考虑非线性失真的大方向不会变.

［1］高伟.甲类放大器最佳静态工作点的选定［J］.大学物理，1998，(5):15－17.

［2］赖家胜.三极管放大电路基极偏置电阻的估算［J］.柳州师专学报，2002，(2):95－96.

［3］元增民.电阻性甲类放大器效率和负载最大功率的分析计算［J］.长沙大学学报，2006，(2):32－35.

［4］Yuan Z，Yuan X.Amplifier bias stability design on output range temp coefficient［A］.The Proceedings of the 1stInternational Conference on Electronic Engineering and Automatic Control［C］.Zibo:ICEEAC，2010.

［5］元增民.BJT放大电路工作点设计要求与整定方法［J］.长沙大学学报，2011，(2):10－12.

［6］元增民.模拟电子技术［M］.北京:中国电力出版社，2009.

［7］Yuan Z，Yuan X.Querying the validity of small－signal amplifier［A］.The Proceedings of the 1stInternational Conference on Electronic Engineering and Automatic Control［C］.Zibo:ICEEAC，2010.

［8］元增民.栅极无偏置JFET放大电路工作点设计整定方法［J］.长沙大学学报，2011，(5):26－29.

TN722.1+1

A

1008－4681(2012)02－0029－03

2011－10－08

元增民(1957－)，男，河北沙河人，长沙大学机电工程系教授，硕士.研究方向:半导体电子学.

(作者本人校对)