任何模拟信号只要存在一定程度的非线性,都会产生谐波失真。模拟信号失真时,信号在时域中的外观会发生变化,表现为波形压缩或完全偏移。谐波模拟信号中的谐波失真已是老生常谈,但调制信号或方波/锯齿波中也明显存在各类谐波失真,其中一个常见的例子是功率放大器,它们在运行时通常接近饱和点。谐波失真对信号的影响取决于产生失真的元件,甚至是信号的测量方式。那么问题来了,如何厘清信号中谐波失真的类型?有没有方法直接测量或计算?本文将举例介绍不同类型的谐波失真,以及产生的原因。
谐波失真类型
一般来说,通过观察波形,可以发现五种类型的谐波失真:
1. 振幅失真
2. 频率失真
3. 相位失真
4. 互调失真
5. 交叉失真
除了非线性产生的非线性失真外,上述类型的谐波失真只出现在宽带信号或离散频率相加的信号上。
1. 振幅失真与频率失真
这两个术语有时会互相替代,但一般所指并非同类。二者在时域上看似相似,但在频域上却完全不同。在时域测量中,振幅失真与频率失真区别如下:
振幅失真:当电路或设备产生的输出信号的幅值是输入幅值的非线性函数时,就会出现这种情况。振幅失真是由非线性引起的,可以在谐波信号或宽带信号中观察到。这种现象有时被称为削波失真,因为它发生在饱和器件(如放大器)中。
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由于饱和,振幅失真通常表现为削波
频率失真:当电路或设备导致输入信号中不同频率器件的电压/电流发生不同程度的变化时,就会出现频率失真。频率失真只能在宽带信号中观察到。当伯德图的幅值为非线性时,滤波器通常会出现频率失真。
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伯德图中幅值曲线的形状会导致宽带信号中出现频率失真
在实际器件中,振幅失真可能只在特定频率范围内产生;为了加以区分,这种现象可称为“非线性频率失真”,此时还应该说明非线性在实际器件和电路中的重要性。
2. 相位失真
当滤波器的传递函数(伯德图)的相位是频率的非线性函数时,滤波器就会产生相位失真。此时输出波形会出现失真,但不一定是因为波形出现了削波或其他幅值效应,而是因为群速度和相速度不是恒定值,因此组成信号的不同频率会以不同的速度传播。
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伯德图相位曲线中的非线性区域会因色散而产生相位失真
3. 互调失真
当频率调制信号或其他宽带信号馈入非线性器件时,会出现互调失真。具体来讲,当输入接近饱和状态时,互调失真就会常见于功率放大器,此时,构成输入信号的离散频率相加会产生和/差谐波。
最突出的一组和/差谐波是三阶互调。这些谐波最有可能出现在放大器的线性输入区,且最接近输入信号功率谱的频带边缘。在时域中,互调失真表现为频率略高于输入信号载波频率的低振幅噪声。
4. 交叉失真
在推挽式晶体管放大器中,特别是在使用三极管(Bipolar Junction Transistor,BJT)的放大器中,信号可能会出现交叉失真。当一对晶体管中有一个进入截止区时,输出信号会短暂降至零,此时就会发生交叉失真。实际上,当输入信号处于低电平时,放大器中的两个晶体管都没有开启,因此即使输入信号不为零,输出信号也为零。下面是一个简单的时域示例。
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推挽(B 类)放大器中的交叉失真
如何发现谐波失真
在测量或仿真中很容易发现上述类型的谐波失真:只需比较相关器件或电路的输入和输出信号即可。如果两者在时域和频域上不是线性函数关系,则说明存在某种失真。在设计阶段,仿真工具可以让电路中可能出现的谐波失真问题无处遁形。
在设计低失真的真实器件系统时,Cadence 的系统分析工具集可以帮助设计人员发现信号中的各类谐波失真,从而采取有效措施。
PSpice 仿真工具可用于生成所需的仿真,识别和优化低谐波失真电路,并利用内置建模应用对实际电路进行仿真。