非線性失真
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非線性失真亦稱波形失真、非線性畸變，表現為輸出信號與輸入信號不成線性關係，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。[1]
- 中文名:非線性失真
- 外文名:Nonlinear distortion
- 所屬技術:電信科學
- 亦 稱:波形失真、非線性畸變
目錄
定義
在雙端口網絡或傳輸線上，輸入與輸出之間為非線性關係時出現的信號失真。
解析
一個理想的放大器，其輸出信號應當如實的反映輸入信號，即他們儘管在幅度上不同，時間上也可能有延遲，但波形應當是相同的。但是，在實際放大器中，由於種種原因，輸出信號不可能與輸入信號的波形完全相同，這種現象叫做失真。放大器產生失真的原因主要有2個：
①放大器件的工作點進入了特性曲線的非線性區，使輸入信號和輸出信號不再保持線性關係，這樣產生的失真稱為非線性失真。
②放大器的頻率特性不好，對輸入信號中不同頻率成分的增益不同或延時不同，這樣產生的失真稱為線性失真。[2]
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產生的原因
在共發射極放大電路中，設輸入信號Vi為正弦波，並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。如果由於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。這種由於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。這種失真是由於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應位於交流負載線的中點,並要求輸入信號幅度不要過大。
交越失真（Crossover distortion）是乙類推挽放大器（class Bamplifier）所特有的失真。在推挽放大器中，由2隻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，由於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。當輸入信號電壓小於死區電壓Vr時，兩隻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。這種失真是由於2隻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於死區電壓。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，它是由於推挽管特性不對稱，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，常用非線性失真係數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。
危害
失真對音質的影響極大。當音響設備存在非線性失真時，會造成聲音真實感變差。音響系統的非線性失真包括削波失真、諧波失真、互調失真以及瞬態失真等，音箱過載時，也同樣會聲音產生非線性失真。非線性失真存在於音響系統的各個環節中，無論採取何種技術措施，想要完全消除它是不可能的。
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解決辦法
1.甲乙類放大器
即classAB Amplifier。
2.VbeMultiplier
Vbemultiplier可解決thermalrunaway問題，因為Vbe隨溫度變化呈負反饋。
減小失真
當放大器輸入一個正弦信號時，由於放大器本身的非線性以及靜態工作點選擇不適當就會使輸出變為一個非正弦信號，產生了非線性失真。使正負半周不對稱。引入負反饋以後可減小放大器的非線性失真。
放大電路中，由於晶體管等器件的非線性，當輸入信號幅度較大時，放大電路的輸出波形將產生失真。輸入信號Ui為正弦波，輸出信號Uo變成了上大下小的失真波形。引入負反饋後，輸出波形有所改善，如圖1中Uof所示。以電壓串聯負反饋為例，由於反饋網絡是線性網絡，所以，反饋電壓波形與輸出電壓波形一樣，也是上大下小。該波形與原輸入波形（正弦波）迭加，結果使淨輸入電壓波形產生了「預失真」，即Ube變成了上小下大。「預失真」正好抵消了部分因晶體管特性引起的非線性失真，從而使輸出波形比較接近正弦波並得到改善。
需要指出的是，由於負反饋的引入，在減小非線性失真的同時，降低了輸出幅度，而且對輸入信號的固有失真，負反饋是無能為力的。
非線性失真產生的主要原因來自2方面：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。由於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。
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，常用非線性失真係數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。
其次，由於放大電路中有隔直流電容、射極旁路電容、結電容和各種寄生電容，使得它對不同頻率的輸入信號所產生的增益及相移是不同的。這樣，當輸入信號是非正弦波時，即使電路工作在線性區，也會產生失真，稱為線性失真。 另外一種說法：
通常放大器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，後者稱為相位失真，兩者統稱頻率失真。頻率失真是由電路的線性電抗元件引起的，故稱線性失真，其特徵是輸出信號中不產生輸入信號沒有的新的頻率分量。
非線性失真：是由放大器件的非線性或者負載的非線性而引起的波形失真稱為非線性失真。非線性失真的特徵是產生新的頻率分量，即產生輸入信號的單頻分量為基波分量的高次諧波分量。[3]
視頻
非線性失真測試