【導(dǎo)讀】任何模擬信號(hào)只要存在一定程度的非線性，都會(huì)產(chǎn)生諧波失真。模擬信號(hào)失真時(shí)，信號(hào)在時(shí)域中的外觀會(huì)發(fā)生變化，表現(xiàn)為波形壓縮或完全偏移。諧波模擬信號(hào)中的諧波失真已是老生常談，但調(diào)制信號(hào)或方波/鋸齒波中也明顯存在各類諧波失真，其中一個(gè)常見(jiàn)的例子是功率放大器，它們?cè)谶\(yùn)行時(shí)通常接近飽和點(diǎn)。
本文要點(diǎn)：
“諧波失真”通常表示在時(shí)域中觀察到的波形失真。
諧波失真可從功率譜或時(shí)域波形中觀察到，有多種表現(xiàn)形式。
不同形式的非線性會(huì)產(chǎn)生不同類型的諧波失真。
任何模擬信號(hào)只要存在一定程度的非線性，都會(huì)產(chǎn)生諧波失真。模擬信號(hào)失真時(shí)，信號(hào)在時(shí)域中的外觀會(huì)發(fā)生變化，表現(xiàn)為波形壓縮或完全偏移。諧波模擬信號(hào)中的諧波失真已是老生常談，但調(diào)制信號(hào)或方波/鋸齒波中也明顯存在各類諧波失真，其中一個(gè)常見(jiàn)的例子是功率放大器，它們?cè)谶\(yùn)行時(shí)通常接近飽和點(diǎn)。
諧波失真對(duì)信號(hào)的影響取決于產(chǎn)生失真的元件，甚至是信號(hào)的測(cè)量方式。那么問(wèn)題來(lái)了，如何厘清信號(hào)中諧波失真的類型？有沒(méi)有方法直接測(cè)量或計(jì)算？本文將舉例介紹不同類型的諧波失真，以及產(chǎn)生的原因。
諧波失真類型
一般來(lái)說(shuō)，通過(guò)觀察波形，可以發(fā)現(xiàn)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(diào)失真
5. 交叉失真除了非線性產(chǎn)生的非線性失真外，上述類型的諧波失真只出現(xiàn)在寬帶信號(hào)或離散頻率相加的信號(hào)上。
振幅失真與頻率失真
這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)有時(shí)會(huì)互相替代，但一般所指并非同類。二者在時(shí)域上看似相似，但在頻域上卻完全不同。在時(shí)域測(cè)量中，振幅失真與頻率失真區(qū)別如下：
振幅失真：當(dāng)電路或設(shè)備產(chǎn)生的輸出信號(hào)的幅值是輸入幅值的非線性函數(shù)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)這種情況。振幅失真是由非線性引起的，可以在諧波信號(hào)或?qū)拵盘?hào)中觀察到。這種現(xiàn)象有時(shí)被稱為削波失真，因?yàn)樗l(fā)生在飽和器件（如放大器）中。
由于飽和，振幅失真通常表現(xiàn)為削波
頻率失真：當(dāng)電路或設(shè)備導(dǎo)致輸入信號(hào)中不同頻率器件的電壓/電流發(fā)生不同程度的變化時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)頻率失真。頻率失真只能在寬帶信號(hào)中觀察到。當(dāng)伯德圖的幅值為非線性時(shí)，濾波器通常會(huì)出現(xiàn)頻率失真。
伯德圖中幅值曲線的形狀會(huì)導(dǎo)致寬帶信號(hào)中出現(xiàn)頻率失真
在實(shí)際器件中，振幅失真可能只在特定頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生；為了加以區(qū)分，這種現(xiàn)象可稱為“非線性頻率失真”，此時(shí)還應(yīng)該說(shuō)明非線性在實(shí)際器件和電路中的重要性。
2. 相位失真
當(dāng)濾波器的傳遞函數(shù)（伯德圖）的相位是頻率的非線性函數(shù)時(shí)，濾波器就會(huì)產(chǎn)生相位失真。此時(shí)輸出波形會(huì)出現(xiàn)失真，但不一定是因?yàn)椴ㄐ纬霈F(xiàn)了削波或其他幅值效應(yīng)，而是因?yàn)槿核俣群拖嗨俣炔皇呛愣ㄖ担虼私M成信號(hào)的不同頻率會(huì)以不同的速度傳播。
伯德圖相位曲線中的非線性區(qū)域會(huì)因色散而產(chǎn)生相位失真
3. 互調(diào)失真
當(dāng)頻率調(diào)制信號(hào)或其他寬帶信號(hào)饋入非線性器件時(shí)，會(huì)出現(xiàn)互調(diào)失真。具體來(lái)講，當(dāng)輸入接近飽和狀態(tài)時(shí)，互調(diào)失真就會(huì)常見(jiàn)于功率放大器，此時(shí)，構(gòu)成輸入信號(hào)的離散頻率相加會(huì)產(chǎn)生和/差諧波。
最突出的一組和/差諧波是三階互調(diào)。這些諧波最有可能出現(xiàn)在放大器的線性輸入?yún)^(qū)，且最接近輸入信號(hào)功率譜的頻帶邊緣。在時(shí)域中，互調(diào)失真表現(xiàn)為頻率略高于輸入信號(hào)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(hào)可能會(huì)出現(xiàn)交叉失真。當(dāng)一對(duì)晶體管中有一個(gè)進(jìn)入截止區(qū)時(shí)，輸出信號(hào)會(huì)短暫降至零，此時(shí)就會(huì)發(fā)生交叉失真。實(shí)際上，當(dāng)輸入信號(hào)處于低電平時(shí)，放大器中的兩個(gè)晶體管都沒(méi)有開(kāi)啟，因此即使輸入信號(hào)不為零，輸出信號(hào)也為零。下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的時(shí)域示例。
推挽（B 類）放大器中的交叉失真
如何發(fā)現(xiàn)諧波失真
在測(cè)量或仿真中很容易發(fā)現(xiàn)上述類型的諧波失真：只需比較相關(guān)器件或電路的輸入和輸出信號(hào)即可。如果兩者在時(shí)域和頻域上不是線性函數(shù)關(guān)系，則說(shuō)明存在某種失真。在設(shè)計(jì)階段，仿真工具可以讓電路中可能出現(xiàn)的諧波失真問(wèn)題無(wú)處遁形。
在設(shè)計(jì)低失真的真實(shí)器件系統(tǒng)時(shí)，Cadence 的系統(tǒng)分析工具集可以幫助設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)信號(hào)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(shí)別和優(yōu)化低諧波失真電路，并利用內(nèi)置建模應(yīng)用對(duì)實(shí)際電路進(jìn)行仿真。
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