元增民

(長(zhǎng)沙大學(xué)機(jī)電工程系，湖南 長(zhǎng)沙 410003)

BJT放大電路失真類型及抑制失真的方法＊

元增民

(長(zhǎng)沙大學(xué)機(jī)電工程系，湖南 長(zhǎng)沙 410003)

BJT放大器諧波失真分為削波失真和非線性失真，非線性失真分為非線性分流失真及非線性分壓失真.工作點(diǎn)設(shè)置在臨界位置可以避免單向削波失真.有效抑制非線性失真的因素除了負(fù)反饋之外，還有信號(hào)源內(nèi)阻及多級(jí)反相放大.

BJT放大電路;臨界工作點(diǎn);削波失真;非線性失真;負(fù)反饋;多級(jí)反相放大

1 BJT放大電路失真類型

1.1 削波失真

因工作點(diǎn)設(shè)置不當(dāng)或信號(hào)幅度超限致使晶體管截止或飽和，正弦電壓波頭被削平，稱為削波失真.隨著信號(hào)幅度增大，工作點(diǎn)設(shè)置不當(dāng)時(shí)正弦電壓只有正波頭或負(fù)波頭被削平，發(fā)生單向削波失真;工作點(diǎn)設(shè)置合理時(shí)，則正、負(fù)波頭都被削平，發(fā)生雙向削波失真.削波失真屬于硬傷.削波失真一旦發(fā)生就難以彌補(bǔ).設(shè)置合理的工作點(diǎn)［1－7］是避免削波失真的唯一措施.

1.2 非線性失真

對(duì)線性電阻，輸入是正弦波電壓，則輸出電流亦是正弦波.電阻阻值變化時(shí)，輸入是正弦波，則輸出就會(huì)偏離正弦波.將放大器中輸入正弦電壓(電流)時(shí)輸出電流(電壓)偏離正弦波的現(xiàn)象叫做非線性失真.

BJT放大器中的非線性失真電壓(電流)波形的基本特征是一個(gè)波頭矮胖，另一個(gè)瘦長(zhǎng)，見圖3.非線性失真屬于柔性失真.非線性失真可以用若干方法來(lái)抑制或補(bǔ)償.

2 BJT放大電路非線性失真分析

圖1是BJT輸入特性曲線，其斜率叫做BJT的輸入電阻.可看出，BJT輸入電阻rbe在正弦信號(hào)電壓瞬時(shí)變化過程中一直隨著總電流變化.電流越大，rbe越小.

圖1 BJT輸入特性曲線

圖2 基本共射放大器

按照基本共射放大器電壓放大倍數(shù)計(jì)算公式

可從幾何波形和解析兩方面分析該放大器輸出電壓波形的非線性失真.

2.1 基本共射放大器非線性失真的波形分析

從晶體管輸入特性曲線可看出，在正弦信號(hào)電壓負(fù)半波，電流總量較小，rbe較大，結(jié)果使信號(hào)電流、基極電流交流分量、集電極電流交流分量的負(fù)半波都比較小，反相后反映為負(fù)載電壓正半波矮胖;在正弦信號(hào)電壓正半波，電流總量較大，rbe較小，使信號(hào)電流、基極電流交流分量、集電極電流交流分量的正半波都比較大，反相后反映為負(fù)載電壓負(fù)半波瘦長(zhǎng)，見圖3.

就是說(shuō)，基本共射放大器輸入信號(hào)電壓雖然是正弦波形，但由于BJT的非線性輸入特性即rbe值的交變，輸出電壓畸變?yōu)樯习氩堪窒掳氩渴蓍L(zhǎng)的非正弦波形.正弦電壓上下半波本來(lái)對(duì)稱，非線性失真后上下半波不再對(duì)稱，故BJT放大器非線性失真也叫做不對(duì)稱失真.

非線性失真波形的所有諧波分量有效值Ui(i=1，2，……)的均方根值與基波有效值U0的比值稱為總諧波失真(Total Harmonic Distortion)，簡(jiǎn)稱THD

圖3(a)、(b)所示非線性失真電壓波形的THD各為5%、10%.THD達(dá)5%時(shí)，肉眼即可看出非線性失真.

圖3 上矮下胖的非線性失真輸出電壓波形

2.2 基本共射放大器非線性失真的解析分析

兩電阻相加，其中較大的一個(gè)無(wú)論對(duì)于串聯(lián)分壓還是對(duì)波形的影響所起的主導(dǎo)作用就都越大.式(1)第二個(gè)分?jǐn)?shù)的分母說(shuō)明，信號(hào)源線性內(nèi)阻rs越大，對(duì)晶體管輸入電阻rbe非線性的抑制作用就越大.實(shí)驗(yàn)表明，rs越大，輸出電壓的THD數(shù)值的確就越小.

只看式(1)第二個(gè)分?jǐn)?shù)，似乎rs很大時(shí)基本共射放大器就不應(yīng)再有非線性失真.實(shí)際上即使取rs→∞，輸出電壓還是總存在微量非線性失真.Multisim仿真時(shí)將正弦電壓信號(hào)源改為正弦電流信號(hào)源，即能實(shí)現(xiàn)rs→∞的要求.由此認(rèn)定這是基極偏置電阻Rb與BJT輸入電阻rbe對(duì)正弦信號(hào)源電流的非線性分流造成的.實(shí)際因?yàn)镽b?rbe，所以非線性分流失真也是微量的.

式(1)第一個(gè)分?jǐn)?shù)即代表Rb與rbe的非線性交流分流作用.交流電流信號(hào)源的輸出電流本來(lái)是正弦波，但是經(jīng)過Rb與rbe的非線性分流后，兩個(gè)分支電流硬是各自產(chǎn)生不同的非線性失真.因此理論上只有Rb和rs都是無(wú)窮大，基本共射放大器非線性失真才能徹底消除.

發(fā)現(xiàn)這個(gè)機(jī)理后，我們?cè)贛ultisim平臺(tái)上把直流電壓源經(jīng)電阻Rb提供偏置改為由直流電流源直接偏置，即相當(dāng)于使Rb→∞.用直流電流源直接偏置，并由交流信號(hào)源直接輸入正弦信號(hào)電流，基本共射放大器輸出電壓就是純正弦波，THD=0，證實(shí)了確有非線性分流失真.

信號(hào)源內(nèi)阻rs的有限造成非線性分壓失真，基極偏置電阻Rb的有限造成非線性分流失真.BJT放大器非線性輸入失真由非線性分壓失真和非線性分流失真組成.

3 影響B(tài)JT放大電路非線性失真的因素

3.1 信號(hào)源內(nèi)阻

在共射(CE)、共集(CC)和共基(CB)三種基本BJT放大器中，信號(hào)源內(nèi)阻rs都有利于抑制管子的非線性.

3.2 BJT放大器接法

從基本共基放大器源電壓放大倍數(shù)計(jì)算公式

可看出，CB放大器中rbe的非線性作用只有CE放大器的1/β.若β=100，則信號(hào)源內(nèi)阻相同時(shí)，CB放大器輸出電壓的非線性只有CE放大器的1%.所以說(shuō)CB放大器不僅具有頻帶寬的長(zhǎng)處，而且具有線性好的優(yōu)點(diǎn).

從射極輸出器源電壓放大倍數(shù)計(jì)算公式

可看出CC放大器中rbe非線性不僅受到rs的抑制，而且受到負(fù)反饋等效電阻βR'L的抑制，CC放大器線性更好.

3.3 負(fù)反饋

負(fù)反饋對(duì)射極輸出器非線性的抑制作用已經(jīng)討論.

從分壓偏置共射放大器源電壓放大倍數(shù)計(jì)算公式

可看出，該放大器中rbe的非線性不僅受到rs的抑制，而且受到負(fù)反饋等效電阻βRe1的抑制，其線性較好.

3.4 多級(jí)反相放大

首先以兩級(jí)反相放大分析.一放輸入信號(hào)純正弦，輸出上矮胖下瘦長(zhǎng)波形作為二放輸入.矮胖的上半波在二放中得到較多放大，瘦長(zhǎng)的下半波得到較少放大，非線性失真明顯壓低，線性度自然得到補(bǔ)償和提高.

在Multisim平臺(tái)上取rs=0，見圖5中R1，以驗(yàn)證rs=0情況下雙級(jí)反相放大對(duì)非線性失真的補(bǔ)償效果.

表1第1列為信號(hào)幅度，第2列為所測(cè)輸出電壓峰－峰值，第3列系由第1、2列數(shù)據(jù)計(jì)算的電壓放大倍數(shù)，第4、5列各為所測(cè)一放、二放輸出電壓的THD值，末列系根據(jù)第4、5列THD值計(jì)算的失真度衰減比.

圖5 Multisim平臺(tái)上的雙級(jí)共射反相放大電路

表1 雙級(jí)共射反相放大電路補(bǔ)償失真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)除了取rs=0，其他參數(shù)沒有特意選配，就獲得了使雙級(jí)反相放大器輸出電壓的非線性失真度THD降低80%左右的好效果.可以估計(jì)，實(shí)際信號(hào)源內(nèi)阻rs≠0、其他參數(shù)選配得當(dāng)時(shí)，THD還能進(jìn)一步降低.

圖6是信號(hào)源電動(dòng)勢(shì)Esm=0.4mV時(shí)輸出電壓波形.可看出一放輸出雖明顯失真，但二放輸出失真仍然很小.

圖6 雙級(jí)共射反相放大電路仿真實(shí)驗(yàn)I/O波形

還取rs=0測(cè)試了三級(jí)反相放大每級(jí)THD值，見表2.

表2 三級(jí)共射反相放大電路補(bǔ)償失真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

可見三級(jí)反相放大補(bǔ)償非線性失真的效果比兩級(jí)反相放大更好.總之，采用多級(jí)反相放大，能在負(fù)反饋較淺甚至不用負(fù)反饋條件下獲得較好的線性度.

4 總結(jié)

BJT放大器諧波失真分為削波失真和非線性失真.設(shè)置工作點(diǎn)避免單向削波失真，使放大器輸出范圍最大，為糾正非線性失真打下基礎(chǔ).抑制非線性失真應(yīng)在不考慮削波失真的條件下進(jìn)行，設(shè)置工作點(diǎn)應(yīng)在不考慮非線性失真的條件下進(jìn)行.不考慮非線性失真時(shí)放大器各處信號(hào)電壓都是正弦波.人們提取正弦電壓幅度很正常，使用三角函數(shù)工具進(jìn)行偏置分析計(jì)算［6］也很自然.

信號(hào)源內(nèi)阻、負(fù)反饋及迭次反相放大都能減小BJT非線性失真，改善放大器線性.信號(hào)源內(nèi)阻及負(fù)反饋基于抑制管子非線性的機(jī)理去減少放大器輸出電壓的非線性失真，迭次反相放大基于補(bǔ)償機(jī)制去減少放大器輸出電壓的非線性失真.比較看，信號(hào)源內(nèi)阻及負(fù)反饋只是有利于盡可能忠實(shí)地放大信號(hào)，對(duì)輸入信號(hào)的非線性失真無(wú)能為力，而且負(fù)反饋會(huì)壓低增益，大環(huán)路負(fù)反饋還可能加劇互調(diào)失真，因此負(fù)反饋深度不宜過大，而理論上負(fù)反饋就不能徹底抑制非線性失真.迭次反相放大不用任何代價(jià)就能補(bǔ)償輸入信號(hào)的非線性失真，且有可能補(bǔ)償?shù)搅?

總之，負(fù)反饋只能在一定程度上抑制管子的非線性失真，而迭次反相放大能獲得極佳的高保真效果.

不宜以晶體管非線性衡量放大器的非線性［7］，也不宜以某一級(jí)放大器的非線性來(lái)衡量多級(jí)放大器的非線性.設(shè)計(jì)放大器，不要糾結(jié)某一級(jí)的非線性失真，更不要糾結(jié)管子的非線性失真，而應(yīng)著眼于全局，靈活運(yùn)用信號(hào)源內(nèi)阻、負(fù)反饋及多級(jí)反相放大等措施，將末級(jí)的非線性失真度THD壓低到最小數(shù)值，設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的放大器.

FET放大器非線性失真與BJT雖然不盡相同，但是先解決削波失真［8］后考慮非線性失真的大方向不會(huì)變.

［1］高偉.甲類放大器最佳靜態(tài)工作點(diǎn)的選定［J］.大學(xué)物理，1998，(5):15－17.

［2］賴家勝.三極管放大電路基極偏置電阻的估算［J］.柳州師專學(xué)報(bào)，2002，(2):95－96.

［3］元增民.電阻性甲類放大器效率和負(fù)載最大功率的分析計(jì)算［J］.長(zhǎng)沙大學(xué)學(xué)報(bào)，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放大電路工作點(diǎn)設(shè)計(jì)要求與整定方法［J］.長(zhǎng)沙大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，(2):10－12.

［6］元增民.模擬電子技術(shù)［M］.北京:中國(guó)電力出版社，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.柵極無(wú)偏置JFET放大電路工作點(diǎn)設(shè)計(jì)整定方法［J］.長(zhǎng)沙大學(xué)學(xué)報(bào)，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，長(zhǎng)沙大學(xué)機(jī)電工程系教授，碩士.研究方向:半導(dǎo)體電子學(xué).

(作者本人校對(duì))