基于二極管的放大器非線性失真信號設計

韋劍

（南京郵電大學通達學院，江蘇揚州，225127）

標準失真信號發生器是一種可用于失真度測試儀，功率表，交流數字式電壓表等儀器儀表檢定的設備。它可以產生檢定中所需的失真信號，并具有失真度調節動態范圍大、失真度準確度高、輸出電平范圍寬等優點，以滿足儀器儀表檢定的要求。標準失真信號發生器是一種被廣泛應用于通信設備的研制、生產、檢定、維護保障的測試設備。關于失真信號產生的方法多種多樣[1-3]，其中在模擬電子技術學習中，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生上述四種失真信號的基礎上，提出了一種利用快恢復二極管產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工作點（Q 點）的位置及其穩定性對晶體管放大電路的性能是非常重要的，分壓式負反饋共射放大電路可以很好的解決環境溫度變化帶來的靜態工作點漂移問題，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態輸出電壓，Q 點通常選在輸出特性曲線上交流負載線中點附近[4,5]。

當共射放大電路中靜態工作點位置設置的不合適時，輸出波形就可能出現失真。如圖1 中Q1 點所示，由于靜態工作點設置的偏高，當基極電流ib 較大時，使晶體管進入飽和區，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 出現失真，使輸出電壓uce 波形會在負半周出現削底，即為底部失真，由于這種失真是因為電路進入飽和區引起的，因此又稱為“飽和失真”。 如圖1 中Q2 點所示，由于靜態工作點設置的偏低，由于輸入電壓正弦信號使ube波形負半周進入截止區，使得基極電流ib 波形在負半周削底，同時集電極電流ic 和輸出電壓uce 的波形也由于進入截止區而出現失真。由圖可知，輸出電壓uce 的正半周出現削頂，即為頂部失真，由于這種失真是因為電路進入截止區引起的，因此又稱為“截止失真”。

圖1 Q 點不合適產生的飽和失真和截止失真

在晶體管放大電路靜態工作點位置設置合適的情況下，即Q 點選在輸出特性曲線上交流負載線中點位置時，但當輸入信號過大或者放大倍數過高時，由于輸出信號受到電源電壓的限制，就會可能同時出現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載能力較弱，為增強輸出的帶負載能力，通常放大電路的輸出級采用互補推挽放大電路，如圖2(a)所示。當輸入信號較小時，達不到晶體管發射結的開啟電壓，晶體管不導通。當輸入信號為正弦波時，在正、負半周交替過零時，兩個晶體管的發射結均不導通，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 互補推挽乙類功放產生的交越失真

2 二極管非線性失真電路設計與分析

依據晶體管非線性失真產生原因，可以通過改變晶體管放大電路靜態工作點的位置，提高放大倍數，采用互補推挽放大電路實現上述的四種失真波形，但是該方法設計過程復雜，計算量大，且成本較高。本文提出了一種利用二極管實現上述四種失真波形的簡便方法，設計過程簡單，且成本低。

二極管是最早誕生的半導體器件之一，其應用非常廣泛。利用二極管和電阻、電容、電感等元器件進行合理的連接，構成不同功能的電路，可以實現對交流電整流、對調制信號檢波、限幅和鉗位以及對電源電壓的穩壓等多種功能。二極管最基本的特點是具有單向導電性，且正向導通時存在導通電壓UD(on)，硅二極管正常工作的導通電壓為0.6~0.8V。

■2.1 二極管非線性失真電路設計與分析

采用二極管實現頂部失真電路如圖3(a)所示，當輸入信號電壓ui

圖3 二極管實現頂部失真電路及輸入輸出波形

■2.2 二極管底部失真設計

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

圖4 二極管實現底部失真電路及輸入輸出波形

■2.3 二極管雙向失真設計

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

圖5 二極管實現雙向失真電路及輸入輸出波形

■2.4 二極管交越失真設計

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

圖6 二極管實現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時間trr 較短的1N4149 開關二極管，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 二極管實現四種失真信號的仿真電路

圖8 二極管實現四種失真信號的仿真波形

通過仿真軟件的光標測量和傅里葉分析，分別測量仿真電路四種失真輸出波形的峰峰值和失真度，假設開關二極管1N4149 正向導通電壓UD(on)= 0.6V時，理論計算出仿真電路輸出失真波形峰峰值，測量和計算結果如表1 所示。從峰峰值的對比結果可以看出，理論計算結果和仿真結果基本相符。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果

4 結束語

本文主要利用二極管具有單向導電性和導通死區電壓的特點，設計了一種基于二極管的放大電路非線性失真信號發生電路。該設計能夠產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，并通過仿真軟件驗證了設計方案的可行性。另外，可以通過將原電路中的每個二極管改成兩個或者三個二極管的串聯，即改變每條二極管支路總的導通電壓，從而可以改變輸出失真波形的峰峰值和失真度。本文的設計可以快速，便捷的產生非線性失真信號，為生產制作標準失真信號發生器提供了一種新的參考方法。