基于二極管的放大器非線性失真信號設(shè)計(jì)

韋劍

（南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州，225127）

標(biāo)準(zhǔn)失真信號發(fā)生器是一種可用于失真度測試儀，功率表，交流數(shù)字式電壓表等儀器儀表檢定的設(shè)備。它可以產(chǎn)生檢定中所需的失真信號，并具有失真度調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)范圍大、失真度準(zhǔn)確度高、輸出電平范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，以滿足儀器儀表檢定的要求。標(biāo)準(zhǔn)失真信號發(fā)生器是一種被廣泛應(yīng)用于通信設(shè)備的研制、生產(chǎn)、檢定、維護(hù)保障的測試設(shè)備。關(guān)于失真信號產(chǎn)生的方法多種多樣[1-3]，其中在模擬電子技術(shù)學(xué)習(xí)中，晶體管放大電路的非線性失真是最常見的失真信號，主要包括：底部失真，頂部失真，雙向失真和交越失真。本文在介紹分析晶體管放大電路如何產(chǎn)生上述四種失真信號的基礎(chǔ)上，提出了一種利用快恢復(fù)二極管產(chǎn)生晶體管放大電路四種失真信號的方法，并通過Multisim14.0 軟件的仿真分析驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 晶體管放大電路的非線性失真

晶體管放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)（Q 點(diǎn)）的位置及其穩(wěn)定性對晶體管放大電路的性能是非常重要的，分壓式負(fù)反饋共射放大電路可以很好的解決環(huán)境溫度變化帶來的靜態(tài)工作點(diǎn)漂移問題，成為最常用的一種晶體管放大電路。為了獲得最大不失真的動(dòng)態(tài)輸出電壓，Q 點(diǎn)通常選在輸出特性曲線上交流負(fù)載線中點(diǎn)附近[4,5]。

當(dāng)共射放大電路中靜態(tài)工作點(diǎn)位置設(shè)置的不合適時(shí)，輸出波形就可能出現(xiàn)失真。如圖1 中Q1 點(diǎn)所示，由于靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置的偏高，當(dāng)基極電流ib 較大時(shí)，使晶體管進(jìn)入飽和區(qū)，集電極電流ic 不隨基極電流ib 的增大而增大，集電極電流ic 出現(xiàn)失真，使輸出電壓uce 波形會(huì)在負(fù)半周出現(xiàn)削底，即為底部失真，由于這種失真是因?yàn)殡娐愤M(jìn)入飽和區(qū)引起的，因此又稱為“飽和失真”。 如圖1 中Q2 點(diǎn)所示，由于靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置的偏低，由于輸入電壓正弦信號使ube波形負(fù)半周進(jìn)入截止區(qū)，使得基極電流ib 波形在負(fù)半周削底，同時(shí)集電極電流ic 和輸出電壓uce 的波形也由于進(jìn)入截止區(qū)而出現(xiàn)失真。由圖可知，輸出電壓uce 的正半周出現(xiàn)削頂，即為頂部失真，由于這種失真是因?yàn)殡娐愤M(jìn)入截止區(qū)引起的，因此又稱為“截止失真”。

圖1 Q 點(diǎn)不合適產(chǎn)生的飽和失真和截止失真

在晶體管放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)位置設(shè)置合適的情況下，即Q 點(diǎn)選在輸出特性曲線上交流負(fù)載線中點(diǎn)位置時(shí)，但當(dāng)輸入信號過大或者放大倍數(shù)過高時(shí)，由于輸出信號受到電源電壓的限制，就會(huì)可能同時(shí)出現(xiàn)飽和失真和截止失真，即為雙向失真[6]。

由于共射放大電路帶負(fù)載能力較弱，為增強(qiáng)輸出的帶負(fù)載能力，通常放大電路的輸出級采用互補(bǔ)推挽放大電路，如圖2(a)所示。當(dāng)輸入信號較小時(shí)，達(dá)不到晶體管發(fā)射結(jié)的開啟電壓，晶體管不導(dǎo)通。當(dāng)輸入信號為正弦波時(shí)，在正、負(fù)半周交替過零時(shí)，兩個(gè)晶體管的發(fā)射結(jié)均不導(dǎo)通，輸出信號不再是完整的正弦波，如圖2(b)所示，即為交越失真。

圖2 互補(bǔ)推挽乙類功放產(chǎn)生的交越失真

2 二極管非線性失真電路設(shè)計(jì)與分析

依據(jù)晶體管非線性失真產(chǎn)生原因，可以通過改變晶體管放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的位置，提高放大倍數(shù)，采用互補(bǔ)推挽放大電路實(shí)現(xiàn)上述的四種失真波形，但是該方法設(shè)計(jì)過程復(fù)雜，計(jì)算量大，且成本較高。本文提出了一種利用二極管實(shí)現(xiàn)上述四種失真波形的簡便方法，設(shè)計(jì)過程簡單，且成本低。

二極管是最早誕生的半導(dǎo)體器件之一，其應(yīng)用非常廣泛。利用二極管和電阻、電容、電感等元器件進(jìn)行合理的連接，構(gòu)成不同功能的電路，可以實(shí)現(xiàn)對交流電整流、對調(diào)制信號檢波、限幅和鉗位以及對電源電壓的穩(wěn)壓等多種功能。二極管最基本的特點(diǎn)是具有單向?qū)щ娦裕艺驅(qū)〞r(shí)存在導(dǎo)通電壓UD(on)，硅二極管正常工作的導(dǎo)通電壓為0.6~0.8V。

■2.1 二極管非線性失真電路設(shè)計(jì)與分析

采用二極管實(shí)現(xiàn)頂部失真電路如圖3(a)所示，當(dāng)輸入信號電壓ui

圖3 二極管實(shí)現(xiàn)頂部失真電路及輸入輸出波形

■2.2 二極管底部失真設(shè)計(jì)

采用二極管實(shí)現(xiàn)底部失真電路如圖4(a)所示，當(dāng)輸入信號電壓ui≥-UD(on)時(shí)，二極管截止，輸出電壓uo 將跟隨輸入電壓而變化；當(dāng)輸入信號電壓ui

圖4 二極管實(shí)現(xiàn)底部失真電路及輸入輸出波形

■2.3 二極管雙向失真設(shè)計(jì)

采用二極管實(shí)現(xiàn)雙向失真電路如圖5(a)所示，當(dāng)輸入信號電壓ui<-UD(on)時(shí)，VD1 導(dǎo)通，VD2 截止，輸出電壓uo 將保持為 -UD(on)；當(dāng)輸入信號電壓ui>UD(on)時(shí)，VD1截止，VD2 導(dǎo)通，輸出電壓uo 將保持為UD(on)；當(dāng)輸入信號電壓 -UD(on)≤ui≤UD(on)時(shí)，VD1 截止，VD2 截止，輸出電壓uo 將跟隨輸入電壓而變化。當(dāng)輸入為正弦波時(shí)，輸出電壓波形如圖5(c)所示，輸出波形出現(xiàn)了雙向失真。

圖5 二極管實(shí)現(xiàn)雙向失真電路及輸入輸出波形

■2.4 二極管交越失真設(shè)計(jì)

采用二極管實(shí)現(xiàn)交越失真電路在圖6 所示，當(dāng)輸入信號電壓ui>UD(on)時(shí)，則VD1 導(dǎo)通，VD2 截止，輸出電壓uo=ui-UD(on)，當(dāng)輸入信號ui<-UD(on)時(shí)，則VD1 截止，VD2 導(dǎo) 通，輸 出 電 壓uo=ui+UD(on)，當(dāng) 輸 入 信 號 電 壓ui<-UD(on)時(shí)，則VD1 截止，VD2 截止，輸出電壓為零。當(dāng)輸入為正弦波時(shí)，輸出電壓波形如圖6(c)所示，輸出波形出現(xiàn)了底部失真。

圖6 二極管實(shí)現(xiàn)交越失真電路及輸入輸出波形

3 二極管非線性失真電路仿真與分析

利用Multisim14.0 軟件建立如圖7 所示的仿真電路，輸入信號均為頻率1kHz，有效值2V 的正弦信號，二極管選用反向恢復(fù)時(shí)間trr 較短的1N4149 開關(guān)二極管，并采用四通道示波器XSC1 觀察四路輸出波形如圖8 所示，示波器顯示的四路輸出波形有明顯的頂部失真，底部失真，雙向失真和交越失真。

圖7 二極管實(shí)現(xiàn)四種失真信號的仿真電路

圖8 二極管實(shí)現(xiàn)四種失真信號的仿真波形

通過仿真軟件的光標(biāo)測量和傅里葉分析，分別測量仿真電路四種失真輸出波形的峰峰值和失真度，假設(shè)開關(guān)二極管1N4149 正向?qū)妷篣D(on)= 0.6V時(shí)，理論計(jì)算出仿真電路輸出失真波形峰峰值，測量和計(jì)算結(jié)果如表1 所示。從峰峰值的對比結(jié)果可以看出，理論計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果基本相符。其中，雙向失真的峰峰值最小，仿真值與理論值的誤差最大，交越失真的失真度最小。

表1 四種失真信號的峰峰值和失真度仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

本文主要利用二極管具有單向?qū)щ娦院蛯?dǎo)通死區(qū)電壓的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于二極管的放大電路非線性失真信號發(fā)生電路。該設(shè)計(jì)能夠產(chǎn)生放大器常見的四種非線性失真信號：頂部失真，底部失真，雙向失真和交越失真，并通過仿真軟件驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。另外，可以通過將原電路中的每個(gè)二極管改成兩個(gè)或者三個(gè)二極管的串聯(lián)，即改變每條二極管支路總的導(dǎo)通電壓，從而可以改變輸出失真波形的峰峰值和失真度。本文的設(shè)計(jì)可以快速，便捷的產(chǎn)生非線性失真信號，為生產(chǎn)制作標(biāo)準(zhǔn)失真信號發(fā)生器提供了一種新的參考方法。