線性失真定義

　　線性失真時，輸出信號中不會有輸入信號中所沒有的新的頻率分量，各個頻率的輸出波形也不會變化。這種幅度的失真或者相位的失真是由該電路的線性電抗元件對不同頻率的響應不同而引起的，所以叫線性失真。由于是射頻器件對不同頻率的信號處理結果上的偏差，又叫頻率失真。線性失真主要是由濾波器等無源器件產生的。

　　線性失真說明

　　現象類比：一個單位的采購人員為了向領導表現自己的采購能力強，經常說自己能買到打折的好東西。領導委托他買粉筆，買回來后他說：“我的人緣超好，原價100元的粉筆，給我打了9折，才90元（其實本身就值90元）。”又一次買回來桌椅板凳，他說：“原價10000元的東西，給我打了7折，才7000元（其實本身就值7000元）。”同一類東西，他獲得的折扣一樣（類似射頻器件對同一個頻率的信號，輸入和輸出滿足一定的線性對應關系）；不同的東西，他獲得的折扣又不一樣（類似射頻器件對不同頻率的信號，輸入和輸出的線性對應關系不一樣），如圖1所示。一次領導委托他給災區捐款500元，回來后他眉飛色舞地給大家描述：“又給我打折了，我們要捐500，打8折，只收400！”大家無語。

圖一

　　線性失真就是射頻器件輸出的幅值變化特性和相位偏移特性對不同頻率的輸入有很大的不同。很多射頻信號，由很多不同的頻率分量組成，輸出端的合成信號在幅值和相位上與輸入相比就會有一定程度的失真。如圖2所示。

　　在設計或選擇無源射頻器件的時候，要重點關注它的頻率使用范圍，在這個范圍內對不同頻率的信號輸入和輸出的線性關系應盡量一致，以減小線性失真的影響。

　　通常放大電路的輸入信號是多頻信號，如果放大電路對信號的不同頻率分量具有不同的增益幅值或者相對相移發生變化，就使輸出波形發生失真，前者稱為幅度失真，后者稱為相位失真，兩者統稱為頻率失真。注意：頻率失真是由電路的線性電抗元件引起的，故又稱線性失真，其特征是輸出信號中不產生輸入信號中所沒有的新的頻率分量。

　　所有的放大器，在理論上都不可能成為無失真傳輸系統。放大器，如果忽略低頻截止頻率的影響（因為高頻截止頻率往往遠遠低頻截止頻率）為一低通濾波器。如果不忽略低頻截止頻率影響（因為低頻對音頻來說很重要），則為一帶通濾波器。由于晶體管為一電阻電容的混合參數所構成的器件（如各種形式參數模型所反應），由于電容的容抗中含有頻率參數，不同的頻率對應于不同的容抗，所以放大器不可能做到對其通頻帶內的所有信號放大倍數為常數。

　　這樣，也就不滿足本段開始所述的條件

　　1、而且電容的電壓和電流并非同相位，所以不同的頻率就對應著不同的相移，就不能滿足條件

　　2、不滿足條件1的失真，我們稱做幅度失真（幅頻失真），不滿足條件2的失真，我們稱為相位失真（相頻失真）。

　　根據傅立葉分析的基本理論，任何一周期信號都可以分解為其直流分量，基波分量和個次諧波分量的加權。所謂諧波，就是頻率為基波整數倍的余弦信號。若為基波的N倍，即稱為N次諧波。可見，如果一個系統對不同頻率分量的放大倍數不同，那么對不同的諧波分量將有不同的放大倍數。當一個信號通過系統之后，各諧波分量的幅度發生了改變，加權后將不能真實反應原信號。這樣產生的失真，既為幅度失真。再者，從相位的角度來考慮，如果原信號的各次諧波通過這個系統，產生了不同的相移（表現在時域既為不同的延遲），則系統輸出的各次諧波加權之后，也不能真實反應原信號，這樣產生的失真，既為相位失真。這兩種失真，僅僅是各次諧波的幅度、相位產生了變化，但系統并沒有產生新的諧波頻率，所以稱為線性失真。降低線性失真的方法，可以展寬放大器的通頻帶，使其在工作頻率內（如音頻為20HZ-20KHZ）近似滿足無失真傳輸條件。但是，受晶體管特性影響（如截止頻率Ft）無限制展寬通頻帶是不可能的，而且在展寬通頻帶的同時，會帶來其它弊端，尤其是會引入噪聲。如熱噪等，其都和頻帶寬度相關。前人實驗表明，人耳對相頻失真表現得不敏感，但人眼對相頻特性及其敏感，所以不同的放大器，頻帶寬度視要求而定。

　　非線性失真的概念

　　非線性失真亦稱波形失真、非線性畸變，表現為音響系統輸出信號與輸入信號不成線性關系，由電子元器特性：曲線的非線性所引起，使輸出信號中產生新的諧波成分，改變了原信號頻譜，包括諧波失真、瞬態互調失真、互調失真等，非線性失真不僅會破壞音質，還有可能由于過量的高頻諧波和直流分量燒毀音箱高音揚聲器和低音揚聲器。

　　非線性失真產生的原因

　　①晶體管等特性的非線性；

　　②靜態工作等位置設置的不合適或輸入信號過大。由于放大器件工作在非線性區而產生的非線性失真有4種：飽和失真、截止失真、交越失真和不對稱失真。

　　在共發射極放大電路中，設輸入信號Vi為正弦波，并且工作點選擇在輸入特性曲線的直線部分，這樣它的輸入電流ib也將是正弦波。如果由于電路元件參數選擇不當，使靜態工作點（Q點）電流ICQ比較高，則對輸入電流的負半周，基極總電流iB和集電極總電流iC都減小，使集電極電壓VC升高，形成輸出電壓的正半周，這個輸出電壓仍然是正弦波，沒有失真。但是在輸入電流的正半周中，當iB由iBQ=30μA增加到40μA時，iCQ隨之由ICQ增大到iCmax，這樣形成的輸出電壓的負半周的底部被削，不再是正弦波，產生了失真。這種由于放大器件工作到特性曲線的飽和區產生的失真，稱為飽和失真。

　　相反，如果靜態工作點電流ICQ選擇的比較低，在輸入電流正半周時，輸出電壓無失真。但是，在輸入電流的負半周，晶體管將工作到截止區，從而使輸出電壓的正半周的頂部被削，產生了失真。這種失真是由于放大器工作到特性曲線的截止區產生的，稱為截止失真。

　　如果所使用的放大器件是PNP型的，則飽和失真時將出現削頂，而截止失真將出現削底。若輸入信號幅度過大，有可能同時出現飽和失真和截止失真。不難看出，為避免產生這2種失真，靜態工作點Q應位于交流負載線的中點，并要求輸入信號幅度不要過大。

　　交越失真（Crossoverdistortion）是乙類推挽放大器（classBamplifier）所特有的失真。在推挽放大器中，由2只晶體管分別在輸入信號的正、負半周內導通，對正、負半周信號進行放大。而乙類放大器的特點是不給晶體管建立靜態直流偏置，使其導通的時間恰好為信號的半個周期。但是，由于晶體管的輸入特性曲線在VBE較小時是彎曲的，晶體管基本上不導通，即存在死區電壓Vr=0.7V。當輸入信號電壓小于死區電壓Vr時，兩只晶體管基本上都不導通。這樣，當輸入信號為正弦波時，輸出信號將不再是正弦波，即產生了交越失真。這種失真是由于2只晶體管在交替工作時“交接”不好而產生的，稱為交越失真。消除交越失真的辦法是給晶體管建立起始靜態偏置，使它的基極電壓始終不小于死區電壓。為了不使電路的效率明顯降低，起始靜態偏置電流不應太大。這樣就把乙類推挽放大器變成了經常使用的甲乙類推挽放大器。不對稱失真也是推挽放大器所特有的失真，它是由于推挽管特性不對稱，而使輸入信號的正、負半周不對稱，這種失真稱為不對稱失真。消除辦法是選用特性對稱的推挽管。尤其是在OTL與OCL電路中，互補管應選用同一種材料的，就是說都選用鍺管，或者都選用硅管，以保證其輸入特性的對稱。

　　當電路有非線性失真時，輸入正弦信號，輸出將變成非正弦信號。而該非正弦信號是由基波和一系列諧波組成的，這就是非線性失真的特點。一個電路非線性失真的大小，常用非線性失真系數r來衡量。r的定義為：輸出信號中諧波電壓幅度與基波電壓幅度的百分比。顯然r的值越小，電路的性能也就越好。

　　線性失真和非線性失真的區別

　　1）產生的原因不同，線性失真是由于電路中存在線性元件，其阻抗隨頻率的不同而不同，從而導致這么大電器對不同頻率的信號分量的放大倍數與延遲時間不同而引起的。而非線性失真是由于引進非線性元件或進入非線性區域而引起的。

　　2）產生的結果不同，線性失真可能使不同頻率信號分量的大小及相對時間關系發生變化，但決不會產生輸入信號所沒有的新的頻率成分。而非線性失真的主要特征是產生了輸入信號所沒的的新的頻率的成分。

　　3）另外線性失真是在波形畸變上出現了對稱的失真，這種失真一般出現在有深度負反饋的功率放大器中；其結果會產生多于的偶次諧波分量。而非線性失真則是波形畸變是不對稱的，這種失真是一種指數型失真，一般出現在三極管單管甲類放大電路中，其結果會產生多余的奇次諧波分量.