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        諧波失真的五大類型

        發布時間:2023-11-04 責任編輯:lina

        【導讀】任何模擬信號只要存在一定程度的非線性,都會產生諧波失真。模擬信號失真時,信號在時域中的外觀會發生變化,表現為波形壓縮或完全偏移。諧波模擬信號中的諧波失真已是老生常談,但調制信號或方波/鋸齒波中也明顯存在各類諧波失真,其中一個常見的例子是功率放大器,它們在運行時通常接近飽和點。


        本文要點:

        • “諧波失真”通常表示在時域中觀察到的波形失真。

        • 諧波失真可從功率譜或時域波形中觀察到,有多種表現形式。

        • 不同形式的非線性會產生不同類型的諧波失真。


        任何模擬信號只要存在一定程度的非線性,都會產生諧波失真。模擬信號失真時,信號在時域中的外觀會發生變化,表現為波形壓縮或完全偏移。諧波模擬信號中的諧波失真已是老生常談,但調制信號或方波/鋸齒波中也明顯存在各類諧波失真,其中一個常見的例子是功率放大器,它們在運行時通常接近飽和點。


        諧波失真對信號的影響取決于產生失真的元件,甚至是信號的測量方式。那么問題來了,如何厘清信號中諧波失真的類型?有沒有方法直接測量或計算?本文將舉例介紹不同類型的諧波失真,以及產生的原因。


        諧波失真類型

        一般來說,通過觀察波形,可以發現五種類型的諧波失真:


        1. 振幅失真

        2. 頻率失真
        3. 相位失真
        4. 互調失真
        5. 交叉失真除了非線性產生的非線性失真外,上述類型的諧波失真只出現在寬帶信號或離散頻率相加的信號上。


        1. 振幅失真與頻率失真


        這兩個術語有時會互相替代,但一般所指并非同類。二者在時域上看似相似,但在頻域上卻完全不同。在時域測量中,振幅失真與頻率失真區別如下:


        振幅失真:當電路或設備產生的輸出信號的幅值是輸入幅值的非線性函數時,就會出現這種情況。振幅失真是由非線性引起的,可以在諧波信號或寬帶信號中觀察到。這種現象有時被稱為削波失真,因為它發生在飽和器件(如放大器)中。


        諧波失真的五大類型

        由于飽和,振幅失真通常表現為削波


        頻率失真:當電路或設備導致輸入信號中不同頻率器件的電壓/電流發生不同程度的變化時,就會出現頻率失真。頻率失真只能在寬帶信號中觀察到。當伯德圖的幅值為非線性時,濾波器通常會出現頻率失真。


        諧波失真的五大類型

        伯德圖中幅值曲線的形狀會導致寬帶信號中出現頻率失真


        在實際器件中,振幅失真可能只在特定頻率范圍內產生;為了加以區分,這種現象可稱為“非線性頻率失真”,此時還應該說明非線性在實際器件和電路中的重要性。


        2. 相位失真


        當濾波器的傳遞函數(伯德圖)的相位是頻率的非線性函數時,濾波器就會產生相位失真。此時輸出波形會出現失真,但不一定是因為波形出現了削波或其他幅值效應,而是因為群速度和相速度不是恒定值,因此組成信號的不同頻率會以不同的速度傳播。


        諧波失真的五大類型

        伯德圖相位曲線中的非線性區域會因色散而產生相位失真


        3. 互調失真


        當頻率調制信號或其他寬帶信號饋入非線性器件時,會出現互調失真。具體來講,當輸入接近飽和狀態時,互調失真就會常見于功率放大器,此時,構成輸入信號的離散頻率相加會產生和/差諧波。


        最突出的一組和/差諧波是三階互調。這些諧波最有可能出現在放大器的線性輸入區,且最接近輸入信號功率譜的頻帶邊緣。在時域中,互調失真表現為頻率略高于輸入信號載波頻率的低振幅噪聲。


        4. 交叉失真


        在推挽式晶體管放大器中,特別是在使用三極管(Bipolar Junction Transistor,BJT)的放大器中,信號可能會出現交叉失真。當一對晶體管中有一個進入截止區時,輸出信號會短暫降至零,此時就會發生交叉失真。實際上,當輸入信號處于低電平時,放大器中的兩個晶體管都沒有開啟,因此即使輸入信號不為零,輸出信號也為零。下面是一個簡單的時域示例。


        諧波失真的五大類型

        推挽(B 類)放大器中的交叉失真


        如何發現諧波失真


        在測量或仿真中很容易發現上述類型的諧波失真:只需比較相關器件或電路的輸入和輸出信號即可。如果兩者在時域和頻域上不是線性函數關系,則說明存在某種失真。在設計階段,仿真工具可以讓電路中可能出現的諧波失真問題無處遁形。


        在設計低失真的真實器件系統時,Cadence 的系統分析工具集可以幫助設計人員發現信號中的各類諧波失真,從而采取有效措施。


        PSpice 仿真工具可用于生成所需的仿真,識別和優化低諧波失真電路,并利用內置建模應用對實際電路進行仿真。


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