放大器失真

放大器失真有多種形式，例如由削波（Clipping）引起的幅度失真（Amplitude Distortion）、頻率失真（Frequency Distortion）和相位失真（Phase Distortion）。

要使信號放大器正常工作且輸出信號無任何失真，其基極（Base）或柵極（Gate）端子需要某種形式的直流偏置（DC Bias）。設置直流偏置的目的是讓放大器能對輸入信號的整個周期進行放大，且偏置靜態工作點（Q-point）應盡可能設置在負載線的中間位置。

偏置靜態工作點的設置會使放大器呈現 “甲類（Class-A）” 放大組態，其中最常見的結構為：雙極型晶體管（Bipolar Transistors）采用 “共射極（Common Emitter）” 組態，單極型場效應管（Unipolar FET Transistors）采用 “共源極（Common Source）” 組態。

放大器提供的功率增益、電壓增益或電流增益（即放大倍數），等于輸出信號峰值與輸入信號峰值的比值（輸出 ÷ 輸入）。

然而，若放大器電路設計不當，導致偏置靜態工作點在負載線上的位置錯誤，或向放大器輸入過大的信號，最終輸出信號可能無法精確復現原始輸入信號的波形。換句話說，放大器會出現通常所說的 “放大器失真”。請參考下方的共射極放大器電路（注：原文提及 “下方電路”，此處基于文本描述還原核心場景）：

共射極放大器

輸出信號波形產生失真，可能源于以下原因：

· 偏置電平不當，導致放大器無法對信號的整個周期進行放大；

· 輸入信號過大，導致放大器中的晶體管受電源電壓限制（無法正常工作）；

· 在整個輸入信號頻率范圍內，放大器的放大作用并非線性（即不同頻率信號的放大倍數不一致）。

這意味著在信號波形的放大過程中，出現了某種形式的 “放大器失真”。

放大器的設計初衷，是將小電壓輸入信號放大為幅度大得多的輸出信號。這意味著對于所有輸入頻率的信號，輸出信號始終是輸入信號乘以某個固定系數或數值（即增益）后的結果。前文已提及，這個乘法系數被稱為晶體管的 β 值（Beta 值）。

共射極或共源極類型的晶體管電路，在處理小交流輸入信號時表現良好，但存在一個主要缺點：雙極型放大器偏置靜態工作點的計算位置，依賴于所有晶體管的 β 值 —— 而即使是同一型號的晶體管，其 β 值也會存在差異。換句話說，由于制造過程中固有的公差，同一型號的不同晶體管，其靜態工作點未必相同。

這種情況下，放大器會因自身的非線性特性而產生失真，這類失真被稱為 “幅度失真”。通過精心選擇晶體管和偏置元件，可幫助減小放大器失真的影響。

由幅度失真引起的放大器失真

當頻率波形的峰值被衰減時，會產生幅度失真。這種失真源于靜態工作點的偏移，導致放大器無法對信號的整個周期進行放大。輸出波形的這種非線性特性如下所示（注：原文提及 “下方波形圖”，此處基于文本描述補充核心信息）：

由偏置不當引起的幅度失真

若晶體管的偏置點設置正確，輸出波形應與輸入波形形狀相同，僅幅度更大（即被放大）。若偏置不足，導致靜態工作點位于負載線的下半部分，輸出波形會如右側所示 —— 輸出波形的負半周被 “截止”（cut-off）或 “削波”（clipped）；同理，若偏置過大，導致靜態工作點位于負載線的上半部分，輸出波形會如左側所示 —— 正半周被 “截止” 或 “削波”。

此外，當偏置電壓設置過小時，在信號負半周期間，晶體管無法充分導通，輸出信號會受電源電壓限制；當偏置過大時，在信號正半周期間，晶體管會進入飽和狀態，輸出電壓幾乎降至零。

即便偏置電壓設置正確，若輸入信號經電路增益放大后幅度過大，輸出波形仍可能產生失真。此時，輸出電壓信號的正半周和負半周都會被削波，不再呈現正弦波形狀 —— 這種情況即使在偏置正確時也會發生。這類幅度失真被稱為 “削波失真”，是放大器輸入 “過驅動”（over-driving）的結果。

當輸入信號幅度過大時，削波現象會變得十分明顯，迫使輸出波形超出電源電壓范圍（即 “電源軌”），導致波形的峰值（正半周）和谷值（負半周）被 “削平” 或 “截去”。為避免這種情況，必須將輸入信號的最大值限制在特定水平，以防止上述削波效應（如前文波形所示）。

由削波引起的幅度失真

幅度失真會大幅降低放大器電路的效率。無論是因偏置不當還是輸入過驅動導致的輸出波形 “平頂”，都不會對所需頻率下輸出信號的強度產生任何貢獻。

盡管如此，一些著名的吉他手和搖滾樂隊實際上偏愛極具辨識度的 “高失真” 或 “過驅動” 音色 —— 通過將輸出波形向正負電源軌嚴重削波來實現。此外，對正弦波的削波程度不斷加大，會使放大器失真達到極高水平，最終輸出波形近似 “方波”，這種波形可用于電子合成器或數字合成器電路中。

前文已提及，對于直流信號，放大器的增益水平會隨信號幅度變化；而除了幅度失真外，交流信號在放大器電路中還可能產生其他類型的失真，例如 “頻率失真” 和 “相位失真”。

由頻率失真引起的放大器失真

頻率失真是晶體管放大器中常見的另一種失真類型，當放大器的放大倍數隨頻率變化時，就會產生這種失真。實際放大器需要放大的輸入信號，通常包含被稱為 “基波頻率”（Fundamental Frequency）的目標信號波形，以及疊加在基波上的若干不同頻率信號 —— 這些信號被稱為 “諧波”（Harmonics）。

正常情況下，這些諧波的幅度僅為基波幅度的一小部分，因此對輸出波形幾乎無影響；但如果諧波頻率的幅度相對于基波頻率增大，輸出波形就會產生失真。例如，參考下方波形（注：原文提及 “下方波形圖”，此處基于文本描述補充核心信息）：

由諧波引起的頻率失真

在上述示例中，輸入波形包含基波頻率和二次諧波信號，右側為最終輸出波形。當基波頻率與二次諧波疊加時，會導致輸出信號失真，這種情況即為頻率失真。諧波的頻率始終是基波頻率的整數倍，在本簡易示例中，我們使用的是二次諧波。

因此，二次諧波的頻率為基波頻率的 2 倍（2*?或 2?），三次諧波為 3?，四次諧波為 4?，依此類推。在含有電容、電感等電抗元件的放大器電路中，由諧波引起的頻率失真始終存在發生的可能。

由相位失真引起的放大器失真

相位失真（又稱延遲失真，Delay Distortion）是一種非線性晶體管放大器特有的失真類型，當輸入信號與輸出信號之間存在時間延遲時，會產生這種失真。

假設在基波頻率下，輸入與輸出之間的相位變化為零，那么最終的相位角延遲將等于諧波與基波之間的相位差。這種時間延遲取決于放大器的結構，且在放大器的帶寬范圍內，會隨頻率的升高而逐漸增大。例如，參考下方波形（注：原文提及 “下方波形圖”，此處基于文本描述補充核心信息）：

由延遲引起的相位失真

除高端音頻放大器外，大多數實際應用中的放大器都會存在某種形式的失真 —— 通常是 “頻率失真”“相位失真” 與幅度失真的組合。在音頻放大器或功率放大器等多數應用場景中，除非失真程度過大或過于嚴重，否則一般不會對放大器的工作性能或輸出音質產生明顯影響。