低频放大器的非线性失真

低频放大器的功用是将微弱的音频信号放大成为具有足够功率的音频信号。显然，放大后的信号应该和原有的信号完全一样。但是实际上任何放大器的输出信号总是和输入信号有差别的，不过差别的程度大小不同罢了。放大器输出和输入有差别的现象，称为放大器的失真或畸变。

放大器失真的种类可分频率失真，相位失真和非线性失真。所谓频率失真是指输入的音频信号经放大器放大后，由于放大器对各种频率的信号放大的程度不一致（放大系数随频率变化），使组成信号中的基波和二次、三次等谐波分量按不同的倍数放大所造成的失真。这种失真表现在输入信号音品（音色）的改变。相位失真是指输入的音频信号经放大器放大后，基波和二次、三次等谐波间的相位发生了位移而引起的失真。人类的耳朵对频率失真的感觉是不太灵敏的。相位失真就示波器或无线电传真中的放大器来说，对它要求很严格，对语言、音乐放大器关系不大。至于非线性失真，它严重地影响了放大器的放大质量（在语言、音乐放大器中表现为声音模糊不清、沙哑），所以需要尽量减小。本文也就针对这种失真在下面加以讨论。

放大器输出波形和输入波形不成比例的这种失真叫做非线性失真。输出波形和输入波形不成比例的实质是什么呢？为了讨论简单起见，在图1中放大器的输入端加一个正弦波电压，经过放大器放大后，输出的却是一个非正弦波电压。我们知道，任何非正弦波都可以看作是由一个基本正弦波与一些高次谐波的合成波。图1所画的输出波形是一个由基本正弦波和二次谐波的合成波，显然，这个二次谐波是放大器输入端所没有的。因此放大器的非线性失真就是说：在放大器的输出端除了输入端原有的频率分量之外，还包含有放大器输入端原来所没有的高次谐波分量。

为什么放大器会产生非线性失真呢？主要原因是放大器里的电子管的工作点选择得不正确。图2示某电子管在它的特性曲线上不同的工作点的工作情况。当工作点选择在特性曲线平直部分的中点a时（图2a），屏流变动的波形和栅压变动的波形一致，也就是说输出变化和输入变化一致，放大器没有失真。如果工作点选择在b点（图2b），则在输入波的正半周时，屏流变动较大，负半周时，屏流变动较小（甚至有时屏流可能被完全截止）。这时，栅压和屏流间的比例被破坏而产生失真。如果工作点向上移到c点（图2c），那末情形恰巧和图2b相反，在输入波的正半周时屏流的变化较小，负半周时变化较大。因为在正半周时，栅极电位将超过阴极电位，栅回路中会产生栅流。产生栅流后就要消耗电力，如果没有足够的功率来维持，棚极电压就不能从0点升起，屏流也不能增加。于是上下波形不再一致，产生了失真。

可以看出，电子管上所加偏压的大小是放大器是否产生非线性失真的极其重要的因素。当然，输入信号的大小也极重要，输入过大，正半周时可能产生栅流；负半周时又可能运用到特性曲线的弯曲部分。除此以外，放大器中还有其它非线性元件，像偶合变压器、偶合扼流圈等，也是放大器产生非线性失真的根源，这里就不多谈了。

放大器的非线性失真，用什么来表示呢？由前面的说明已经知道，非线性失真的实质是放大器输出端出现了输入端所没有的谐波分量。显然，出现的谐波分量愈多，失真就愈厉害。因此就用输出部分中全部谐波分量的总和和基波分量的比值来表示非线性失真的程度。这个数值叫做放大器的非线性失真系数，通常都用百分数来表示，算式是

式中的U\(_{1}\)代表基波的分量（电压值），U2、U\(_{3}\)代表二次、三次谐波的分量（电压值）。四次以上的谐波分量实际上是很小的，所以一般都略去不计。

下面再来谈谈怎样测定一具放大器的非线性失真系数。

精确测量系数K的方法是用谐波分析器或非线性失真测量器。前者是用谐波分析器分别将放大器输出中的基波和各个谐波单独的提出来，然后分别测量它们的电压值，再根据测得的结果按照前式算出非线性失真系数。非线性失真测量器是由一只滤波器和一只电子管电压表组成。放大器的输出通过滤波器接到电子管电压表上。最初滤波器不起作用，电子管电压表指示放大器输出的总电压值。此时调整仪器，使电子管电压表指示在满刻度（以此为零点），然后调整滤波器，使输出中的基波滤掉，滤波器的末端就只剩谐波分量，电子管电压表的指示也就下降（离开另点），当然谐波分量愈多，指示也就下降得愈多（离开另点愈远）。电子管电压表以百分数刻度就可直接读出非线性失真系数，用不着计算。这两种仪器比较特殊，一般也可用阴极射线示波器近似地估计出非线性失真系数，方法是当放大器的输入端输入一个正弦波电压（用音频振荡器），将输出端接到示波器的纵向偏转端子，根据示波器显示的波形来估计非线性失真系数。图3示非线性失真系数分别为8％（1）、12％（2）、15％（3）和20％（4）时的失真波形，可供参考。但人眼对非线性失真系数在8％以下时不易判断。所以它只适宜在调整一般放大器时采用，对一具放大器进行货量鉴定是不适用的。

放大器大多是由几个放大级组成的。整个放大器的放大系数是各级放大系数的乘积，而非线性失真系数则是各级非线性失真系数的总和。但实际上因为末级放大级屏流变动的波幅最大（即电子管在特性曲线上运用的范围最长），所以末级放大级的非线性失真最大。前面各级的非线性失真和它比较起来就可以略去不计。因而整个放大器的非线性失真系数只需按末级放大级的非线性失真系烽来确定。那末要减小放大器的非线性失真，最主要的也就是要减小末级放大级的非线性失真。前面已经谈到，非线性失真是输出中含有输入的高次谐波。怎样减小放大器的非线性失真也就是说怎样消除输出中的高次谐波。其方法有：

a.末级功率放大采用推挽电路：当功率放大级用两只电子管并联运用时，输出的功率为单只的两倍。但这时输出中的高次谐波分量也为单只的两倍。倘两只电子管在反相的情况下工作——采用推挽电路，输出中的高次谐波分量就大为减少。图4表示两只电子管在接成推挽放大时的工作情形。因两管在反相情况下工作（相差180°），所以两管的特性曲线位置相互颠倒。从图上可以看出，当两只电子管在单管工作时，屏流波形和栅极输入波形比较起来畸变很大，分解一下，里面含有二次谐波，但两管输出中的二次谐波恰好反相，且因两管的特性一致，二次谐波分量是一样的。所以两管在综合运用时，二次谐波就抵消了，因而综合的输出波形和输入波形就很近似，非线性失真就减小了。这里必须指出，推挽放大只能减小含有偶次谐波的非线性失真。如果输出中含有奇次谐波，因两管的奇次谐波是同相的，不能抵消（而是相加）。所以推挽电路对输出含有奇次谐波的非线性失真是无能为力的。好在放大器的非线性失真主要还是由于输出里最大的二次谐波所致。由于推挽电路能减小含有偶次谐波的非线性失真，所以一般需要用两管以上才能获得足够输出功率的放大器几乎全都采用推挽电路。各种功率放大管在接成推挽运用时的非线性失真系数，可从电子管手册中查到。

b．采用负回授：放大器采用推挽电路只能使输出中的偶次谐波减小，要使奇次谐波减小，则可采用负回授。所谓负回授就是将放大器输出的一小部分电压返回到它的输入端，且使返回的电压和输入的电压相位相反。由于从放大器输出端回授到输入端的电压中也含有放大器在放大过程中所产生的奇次谐波电压，于是它们在放大器里相互抵消了一部分，非线性失真就减小了。但是负回授对输入端原已含有的奇次谐波分量不起减小作用的。(·炎·)