放大电路非线性失真的Multisim仿真分析*

计铭杰，卫 宏

(南京林业大学信息科学技术学院，江苏 南京 210037)

0 引言

在电子信息和自动化领域中常需要将一些小信号放大，以便于测量并计算，因此，晶体管放大电路是电子技术的核心。在晶体管放大电路的设计过程中，各元件参数的合理配置对放大过程起着决定性作用，其性能方面涉及的参数也十分繁杂，包括频率特性、静态工作点、电压放大倍数等，静态工作点的调整影响着动态参数，而动态参数又恰恰能反作用于静态工作点[1]，所以二者的平衡调节也至关重要。利用Multisim软件进行晶体管放大器电路的设计与仿真，可以直观地观察到不同参数对放大电路性能指标的影响，以及非线性失真产生的情况及其电流谐波总畸变率THD的变化。

1 非线性失真的产生

1.1 静态工作点的定义

基本放大电路的静态[2]指的是无输入交流信号，结合三极管的特性曲线，静态时BJT各电极的直流电流及各电极间的直流电压，基极电流IBQ、集电极电流ICQ、基-射电压UBEQ、集-射电压UCEQ定义为静态工作点。由于放大电路中的放大性能受它的静态值的影响非常明显，因此在分析放大电路的放大性能之前，必须要先求解三极管的静态工作点。

1.2 截止失真

当静态工作点Q偏低时，在交流信号负半周峰值附近的部分时间内进入截止区，晶体管b-e间电压Ube小于开启电压，晶体管截止，使iB、iC、uCE、uce的波形失真，都出现底部截止的波形。从而，因晶体管截止而产生的失真称为截止失真。

1.3 饱和失真

当静态工作点偏高时，UBEQ、IBQ过大，则BJT会在交流信号线ube正半周峰值靠近附近的某段时间内进入饱和区，引起iB、iC、uCE、uce的波形失真。此时，当基极电流增大时，导致集电极电流的波形产生顶部失真。从而，因晶体管饱和而产生的失真称为饱和失真。

1.4 饱和截止失真

即使静态工作点选择合适,但如果输入信号幅度过大,超出了信号变化范围，始终处在线性放大区之外，输出波形也会同时产生出现饱和失真和截止失真的情况，将这种失真称为双向失真[3]。

1.5 交越失真

交越失真是乙类推挽放大器所特有的失真，在推挽电路中，两只晶体管射极相连，分别在输入信号的正、负半周导通，交替工作，对正、负半周信号进行放大，电路实现双向跟随。但乙类放大器是不提供给晶体管静态偏置的，由于晶体管的输入特性图解曲线在UBE小于开启电压时IB接近为零，晶体管基本不导通，即存在死区电压Ur。当|UBE|

1.6 THD的测量

总谐波失真(THD)是信号的重要参数之一，它表征了信号偏离正弦波的程度，是衡量运算放大器、功率放大器等器件及函数信号发生器等仪器的重要指标，在这里，我们将它代替为非线性失真系数r，来肉眼观察非线性失真情况[11]。THD主要有基波抑制、频谱分析及正弦波形拟合等测量方法[12]。

2 技术方案比较

将小信号电源进行放大通常可以通过用晶体管作差分放大电路，有效地抑制了共模信号，还可以合理地控制放大倍数。集成运算放大器LM358差分放大电路集成芯片具有增益高、输入电阻大、输出电阻小、共模抑制比大等特点,具有线性应用和非线性应用两种应用环境。电路放大器的线性度直接关系到模拟电路的失真特性[5-7]，所以在选择差分放大电路时，采用集成性更佳、稳定性更好的LM358芯片来取代经典差分放大电路。

经过差分放大电路后，信号经过电容通入晶体管放大电路，在晶体管放大电路的选择上，基极分压式射级偏置电路优于固定偏置电路。它具有良好的电流负反馈调节，当温度升高引起静态电流ICQ增加时，发射极直流电位UEQ也增加。由于基极电位UBQ基本固定不变，因此外加在发射极上的电压UBEQ=UBQ-UEQ将自动减小，使IBQ跟着减小，结果抑制了ICQ的增加，使ICQ基本维持不变，达到自动稳定静态工作点的目的。当温度降低时，各电量向相反方向变化，Q点稳定[8]。通过负反馈调节，在温度变化时基极分压式射级偏置电路有效地稳定静态工作点各个参数。

3 消除非线性失真的的措施

3.1 设置合理的偏置电阻以减小非线性失

在晶体管放大电路上，将Q点设置在直流负载线的中间位置，微信号波动范围相对较大，输入信号不易进入饱和区和截止区，则输出信号正常，此时容易输出正常的波形；在推挽电路中，将二极管的正向导通电压不经偏置电阻，满足三极管开启电压，则可以将三极管保持在微导通状态，达到消除交越失真的目的。

3.2 引入负反馈减小温度引起的非线性失真

分压偏置电流负反馈电路可以有效地减小温度对三极管放大倍数β的影响，UBQ仅有Rb1、Rb2的分压来决定，不受温度的影响[9]。

3.3 选择输入电压幅值来减小非线性失真

偏置电阻选择得当，对输入电压的幅值还是有一定的限制，超出这个限度，仍会造成非线性失真。

4 非线性失真仿真电路的设计

本设计通过开关S选择晶体管放大电路和OTL电路，通过LM358放大运放器可实现将小信号电压跟随和电压放大从而分别实现截止失真、饱和失真、交越失真和双向失真(如图1所示)。当S接晶体管放大电路时，通过调节Rb1电阻选择Q的静态工作点，来实现截止失真、饱和失真，再通过控制放大器的放大倍数来控制输入电压，将输入电压幅值超出晶体管信号变化范围，来产生双向失真；当S接OTL电路时，OTL电路选择特性对称的两个晶体管，而且OTL电路的电压跟随特性优越[10]，因此，在仿真中可以看到只受晶体管特性影响的失真情况，通过对变阻R的控制实现对静态偏置电压的控制，从而控制交越失真的产生。

图1 晶体管放大电路及其OTL电路

5 仿真测试结果与分析

5.1 仿真电路的准备与测试

在反相放大器中，输入电压为1 kHz、10 mVpp的正弦电压，将放大器选在电压跟随档。电压经过各线性电抗元件产生了线性失真(这种幅度的失真或者相位的失真是由该电路的线性电抗元件对不同频率的响应不同而引起的，所以叫线性失真)，小信号电压受到了干扰，幅值会受到一定的影响，但从THD来看，基波量远大于谐波量，在线性放大范围之内。所以将放大器倍数调节，令放大输出信号接近10 mV即可。

5.2 晶体管未失真的失真分析

输出电压与输入电压会存在一定的线性失真(图2所示)。将静态工作点调整得当，从数值上看，放大倍数约为50倍，从波形和THD值来看，输出波形良好，但经过晶体管放大，产生的谐波量增大，THD值增大无法避免，但仍在线性放大限度之内。

图2 晶体管放大未失真情况

5.3 底部失真和顶部失真的失真分析

在顶部失真和底部失真情况下(如图3,4所示)，因为经过反向放大，输出波形反向，将偏置电阻调小，基极的直流电压值为1.944 V，静态工作点处在饱和区，输出波形出现顶部截止，产生顶部失真，放大倍数约为30倍；将偏置电阻调大，基极的直流电压值降为644.263 mV，静态工作点处在截止区，输出波形出现底部截止，产生底部失真，放大倍数约为7倍，从THD来看，输出信号都产生了大量的谐波，这种情况下，会对实验结果造成很大的干扰，使结果不准确，要通过调试来避免这种情况的发生。

图3 顶部失真

图4 底部失真

5.4 双向失真的失真分析

在双向失真中(如图5)，将静态工作点调整得当，此时基极的直流电压值为1.412，再将放大器倍数加大，使输入晶体管电压增大，超出线性放大区，此时输出波形双向截止，产生了双向失真，放大倍数约为20倍，从整体上看，双向失真的THD值最大，产生的谐波最多，说明失真是最明显的。

图5 双向失真

5.5 交越失真的失真分析

为了实现交越失真，将偏置电阻调大，直至产生交越失真，此时放大倍数约为6倍，通过输出电压波形和THD值(如图6所示)看出，输出信号也产生大量的谐波，仅次于双向失真。

图6 交越失真

6 结语

结合Multisim仿真的进一步研究，可以发现：失真分为线性失真与非线性失真。输入电压经过隔直流电容、射极旁路电容、结电容和各种寄生电容等线性元件会产生线性失真，使得它对不同频率的输入信号所产生的增益及相移是不同的。而非线性失真是因为静态工作点和动态参数的变化产生的，且都会使晶体管放大倍数减小，让实验的结果产生严重偏差，得不到预想的结果，浪费实验成本。本次研究通过针对非线性失真的产生和影响进行分析，更深入地了解到不同的失真现象和失真对实验结果的影响，在实验参数的选型上注意本次实验的结果可以减小实验误差，提高实验效率。