韦剑
（南京邮电大学通达学院，江苏扬州，225127）
标准失真信号发生器是一种可用于失真度测试仪，功率表，交流数字式电压表等仪器仪表检定的设备。它可以产生检定中所需的失真信号，并具有失真度调节动态范围大、失真度准确度高、输出电平范围宽等优点，以满足仪器仪表检定的要求。标准失真信号发生器是一种被广泛应用于通信设备的研制、生产、检定、维护保障的测试设备。关于失真信号产生的方法多种多样[1-3]，其中在模拟电子技术学习中，晶体管放大电路的非线性失真是最常见的失真信号，主要包括：底部失真，顶部失真，双向失真和交越失真。本文在介绍分析晶体管放大电路如何产生上述四种失真信号的基础上，提出了一种利用快恢复二极管产生晶体管放大电路四种失真信号的方法，并通过Multisim14.0 软件的仿真分析验证了该方法的可行性。
1 晶体管放大电路的非线性失真
晶体管放大电路静态工作点（Q 点）的位置及其稳定性对晶体管放大电路的性能是非常重要的，分压式负反馈共射放大电路可以很好的解决环境温度变化带来的静态工作点漂移问题，成为最常用的一种晶体管放大电路。为了获得最大不失真的动态输出电压，Q 点通常选在输出特性曲线上交流负载线中点附近[4,5]。
当共射放大电路中静态工作点位置设置的不合适时，输出波形就可能出现失真。如图1 中Q1 点所示，由于静态工作点设置的偏高，当基极电流ib 较大时，使晶体管进入饱和区，集电极电流ic 不随基极电流ib 的增大而增大，集电极电流ic 出现失真，使输出电压uce 波形会在负半周出现削底，即为底部失真，由于这种失真是因为电路进入饱和区引起的，因此又称为“饱和失真”。 如图1 中Q2 点所示，由于静态工作点设置的偏低，由于输入电压正弦信号使ube波形负半周进入截止区，使得基极电流ib 波形在负半周削底，同时集电极电流ic 和输出电压uce 的波形也由于进入截止区而出现失真。由图可知，输出电压uce 的正半周出现削顶，即为顶部失真，由于这种失真是因为电路进入截止区引起的，因此又称为“截止失真”。
图1 Q 点不合适产生的饱和失真和截止失真
在晶体管放大电路静态工作点位置设置合适的情况下，即Q 点选在输出特性曲线上交流负载线中点位置时，但当输入信号过大或者放大倍数过高时，由于输出信号受到电源电压的限制，就会可能同时出现饱和失真和截止失真，即为双向失真[6]。
由于共射放大电路带负载能力较弱，为增强输出的带负载能力，通常放大电路的输出级采用互补推挽放大电路，如图2(a)所示。当输入信号较小时，达不到晶体管发射结的开启电压，晶体管不导通。当输入信号为正弦波时，在正、负半周交替过零时，两个晶体管的发射结均不导通，输出信号不再是完整的正弦波，如图2(b)所示，即为交越失真。
图2 互补推挽乙类功放产生的交越失真
2 二极管非线性失真电路设计与分析
依据晶体管非线性失真产生原因，可以通过改变晶体管放大电路静态工作点的位置，提高放大倍数，采用互补推挽放大电路实现上述的四种失真波形，但是该方法设计过程复杂，计算量大，且成本较高。本文提出了一种利用二极管实现上述四种失真波形的简便方法，设计过程简单，且成本低。
二极管是最早诞生的半导体器件之一，其应用非常广泛。利用二极管和电阻、电容、电感等元器件进行合理的连接，构成不同功能的电路，可以实现对交流电整流、对调制信号检波、限幅和钳位以及对电源电压的稳压等多种功能。二极管最基本的特点是具有单向导电性，且正向导通时存在导通电压UD(on)，硅二极管正常工作的导通电压为0.6~0.8V。
■2.1 二极管非线性失真电路设计与分析
采用二极管实现顶部失真电路如图3(a)所示，当输入信号电压ui 图3 二极管实现顶部失真电路及输入输出波形 采用二极管实现底部失真电路如图4(a)所示，当输入信号电压ui≥-UD(on)时，二极管截止，输出电压uo 将跟随输入电压而变化；当输入信号电压ui 图4 二极管实现底部失真电路及输入输出波形 采用二极管实现双向失真电路如图5(a)所示，当输入信号电压ui<-UD(on)时，VD1 导通，VD2 截止，输出电压uo 将保持为 -UD(on)；当输入信号电压ui>UD(on)时，VD1截止，VD2 导通，输出电压uo 将保持为UD(on)；当输入信号电压 -UD(on)≤ui≤UD(on)时，VD1 截止，VD2 截止，输出电压uo 将跟随输入电压而变化。当输入为正弦波时，输出电压波形如图5(c)所示，输出波形出现了双向失真。 图5 二极管实现双向失真电路及输入输出波形 采用二极管实现交越失真电路在图6 所示，当输入信号电压ui>UD(on)时，则VD1 导通，VD2 截止，输出电压uo=ui-UD(on)，当输入信号ui<-UD(on)时，则VD1 截止，VD2 导 通，输 出 电 压uo=ui+UD(on)，当 输 入 信 号 电 压ui<-UD(on)时，则VD1 截止，VD2 截止，输出电压为零。当输入为正弦波时，输出电压波形如图6(c)所示，输出波形出现了底部失真。 图6 二极管实现交越失真电路及输入输出波形 利用Multisim14.0 软件建立如图7 所示的仿真电路，输入信号均为频率1kHz，有效值2V 的正弦信号，二极管选用反向恢复时间trr 较短的1N4149 开关二极管，并采用四通道示波器XSC1 观察四路输出波形如图8 所示，示波器显示的四路输出波形有明显的顶部失真，底部失真，双向失真和交越失真。 图7 二极管实现四种失真信号的仿真电路 图8 二极管实现四种失真信号的仿真波形 通过仿真软件的光标测量和傅里叶分析，分别测量仿真电路四种失真输出波形的峰峰值和失真度，假设开关二极管1N4149 正向导通电压UD(on)= 0.6V时，理论计算出仿真电路输出失真波形峰峰值，测量和计算结果如表1 所示。从峰峰值的对比结果可以看出，理论计算结果和仿真结果基本相符。其中，双向失真的峰峰值最小，仿真值与理论值的误差最大，交越失真的失真度最小。 表1 四种失真信号的峰峰值和失真度仿真结果 本文主要利用二极管具有单向导电性和导通死区电压的特点，设计了一种基于二极管的放大电路非线性失真信号发生电路。该设计能够产生放大器常见的四种非线性失真信号：顶部失真，底部失真，双向失真和交越失真，并通过仿真软件验证了设计方案的可行性。另外，可以通过将原电路中的每个二极管改成两个或者三个二极管的串联，即改变每条二极管支路总的导通电压，从而可以改变输出失真波形的峰峰值和失真度。本文的设计可以快速，便捷的产生非线性失真信号，为生产制作标准失真信号发生器提供了一种新的参考方法。
■2.2 二极管底部失真设计
■2.3 二极管双向失真设计
■2.4 二极管交越失真设计
3 二极管非线性失真电路仿真与分析
4 结束语
