2024年5月9日发(作者：贯晴霞)
信号失真
信号
失真
Xie Meng-xian. (电子科大，成都市)
正弦波信号经过电路放大等处理之后，输出的信号波形偏离正弦波的情况，就称为信号
的（谐波）失真（harmonic distortion）。
谐波失真率
（
1
）谐波失真率
（harmonic distortion rate）
谐波失真的大小用谐波失真率来衡量，常用THD和KF表示。
当在输入某个正弦波信号时，若输出是基波和各次高频波的话，则定义总的谐波失真率
为：
THD = (
2次以上高频波电压有效值的均方值
)/(
输出基波电压
)×100 [%]
=
V
2
2
+V
3
2
+V
4
2
+....
V
1
×100[%]
对于各个高次谐波，可分别定义其谐波失真率，并采用KF
2
表示2次谐波失真率、KF3
表示3次谐波失真率、KF4表示4次谐波失真率、…。
由于总的谐波失真率THD表示的是2次谐波以上全部高次谐波所引起的失真，故测量
比较容易，即只要采用简单的滤波器即可分离开基波与高次谐波，从而立即得到THD。
（2）交叉失真（cross-over distortion）
交叉失真是出现于乙类推挽放大器（push-pull amplifier）中的一种谐波失真。对于乙类
推挽放大器，当电路的输出功率超过了其最大输出功率时，就会产生交叉失真。
有源器件的非线性特性是引起信号失真的根本原因。对于BJT，产生谐波失真的原因可
归结为两个方面：
①BJT的输入特性（I
B
-V
BE
特性）并不完全是线性的，而是指数函数式上升的曲线——
与pn结特性类似），因此，即使加在基极上的电压是正弦波，但输入的基极电流波也将是有
畸变的正弦波（即为非正弦波）——产生了失真，如图（a）所示；
②晶体管的电流放大系数β与集电极电流有关（在很小电流和很大电流时，β都会降低），
因此，把已经有所畸变的基极电流波再放大β倍之后、而得到的集电极电流的波形必将更加
偏离正弦波。
（a）输入非线性特性的影响 （b）无信号时的集电极偏置电流及其失真
对于晶体管乙类推挽放大器，其中两个晶体管是分别轮流放大信号的正、负半周。当每
一个晶体管的输出电流波形都有失真时，则合成起来的总输出的集电极电流的波形就必将出
。由该现更大的失真，如图（b）所示（集电极电流波形的畸变情况与无信号时的I
C
有关）
图见到，总输出电流波形的失真主要是出现在正、负半周波形的交叉连接处，故把这种失真
称之为交叉失真。
图（b）表明：在无信号时、集电极偏置电流=0时，失真较大；在无信号时、存在很小
的集电极偏置电流时，失真较小。因此，存在一定的偏置电流，将有利于降低交叉失真。
众所周知，乙类放大器本来就是一种无信号时、输出电流为0的放大器。因此，在使用
乙类放大器时，为了减小它的交叉失真，应该事先设定很小的集电极偏置电流。
（3）交调失真（cross modulation distortion）
交调失真即交叉干扰调制所造成的一种谐波失真，即是当两个不同频率的谐波信号同时
输入到有源器件时，其中一个信号对于另一个信号所产生的一种调制现象——使得另一个信
号偏离了正弦波形状，即产生了失真——交调失真。
交扰调制是电路中出现的一种干扰现象。在把射频信号与本振信号进行混频的高频电路
（混频器）中，交扰调制将会产生严重的不良影响，即造成输出差频信号出现失真，这是所
不希望存在的一种效应。
特别是在数字-模拟混合信号集成电路中，交调失真可能是一个重要、而又难以解决的
问题。因为在同一块Si片上，其中数字电路工作时所产生的开关噪声，会通过电源、地线
或者衬底，而传输到模拟电路中去，并从而造成模拟电路的性能恶化；其中影响最为严重的
是衬底所造成的耦合问题。因此，对于低噪声化集成电路的结构，就必须采取若干抑制衬底
噪声的措施；例如在版图设计时，可以着重考虑以下一些课题：数字电路与模拟电路的配置、
抑制（衬底接触电位）保护带的配置、阱屏蔽的配置；特别是，确保模拟差分电路的对称性
非常重要。
器件特性对交调失真的影响：交调失真所产生的不良效果与有源器件的转移特性（传输
特性）密切有关。一般，双极型晶体管的交调失真要大于场效应晶体管。
对于BJT，它的转移特性是指数函数形式，即为奇函数，因为把指数函数展开为级数时，
级数中只包含有奇次项：
e
x
= k
1
x
1
+k
3
x
3
+k
5
x
5
+k
7
x
7
+…+k
n
x
n
其中三次方项对于交扰调制的影响最大，该三次方项所产生的交调失真即称为三阶交调失真
（Third-order intermodulation distortion）。这种失真的存在是BJT的一个不足之处。
对于FET，它的转移特性是抛物线形式，即其展开的级数中不存在三次方以上的奇次项：
I
Dsat
= I
DSS
(1-V
GS
/V
p
)
2
因此，FET不存在三阶交调失真。
2024年5月9日发(作者：贯晴霞)
信号失真
信号
失真
Xie Meng-xian. (电子科大，成都市)
正弦波信号经过电路放大等处理之后，输出的信号波形偏离正弦波的情况，就称为信号
的（谐波）失真（harmonic distortion）。
谐波失真率
（
1
）谐波失真率
（harmonic distortion rate）
谐波失真的大小用谐波失真率来衡量，常用THD和KF表示。
当在输入某个正弦波信号时，若输出是基波和各次高频波的话，则定义总的谐波失真率
为：
THD = (
2次以上高频波电压有效值的均方值
)/(
输出基波电压
)×100 [%]
=
V
2
2
+V
3
2
+V
4
2
+....
V
1
×100[%]
对于各个高次谐波，可分别定义其谐波失真率，并采用KF
2
表示2次谐波失真率、KF3
表示3次谐波失真率、KF4表示4次谐波失真率、…。
由于总的谐波失真率THD表示的是2次谐波以上全部高次谐波所引起的失真，故测量
比较容易，即只要采用简单的滤波器即可分离开基波与高次谐波，从而立即得到THD。
（2）交叉失真（cross-over distortion）
交叉失真是出现于乙类推挽放大器（push-pull amplifier）中的一种谐波失真。对于乙类
推挽放大器，当电路的输出功率超过了其最大输出功率时，就会产生交叉失真。
有源器件的非线性特性是引起信号失真的根本原因。对于BJT，产生谐波失真的原因可
归结为两个方面：
①BJT的输入特性（I
B
-V
BE
特性）并不完全是线性的，而是指数函数式上升的曲线——
与pn结特性类似），因此，即使加在基极上的电压是正弦波，但输入的基极电流波也将是有
畸变的正弦波（即为非正弦波）——产生了失真，如图（a）所示；
②晶体管的电流放大系数β与集电极电流有关（在很小电流和很大电流时，β都会降低），
因此，把已经有所畸变的基极电流波再放大β倍之后、而得到的集电极电流的波形必将更加
偏离正弦波。
（a）输入非线性特性的影响 （b）无信号时的集电极偏置电流及其失真
对于晶体管乙类推挽放大器，其中两个晶体管是分别轮流放大信号的正、负半周。当每
一个晶体管的输出电流波形都有失真时，则合成起来的总输出的集电极电流的波形就必将出
。由该现更大的失真，如图（b）所示（集电极电流波形的畸变情况与无信号时的I
C
有关）
图见到，总输出电流波形的失真主要是出现在正、负半周波形的交叉连接处，故把这种失真
称之为交叉失真。
图（b）表明：在无信号时、集电极偏置电流=0时，失真较大；在无信号时、存在很小
的集电极偏置电流时，失真较小。因此，存在一定的偏置电流，将有利于降低交叉失真。
众所周知，乙类放大器本来就是一种无信号时、输出电流为0的放大器。因此，在使用
乙类放大器时，为了减小它的交叉失真，应该事先设定很小的集电极偏置电流。
（3）交调失真（cross modulation distortion）
交调失真即交叉干扰调制所造成的一种谐波失真，即是当两个不同频率的谐波信号同时
输入到有源器件时，其中一个信号对于另一个信号所产生的一种调制现象——使得另一个信
号偏离了正弦波形状，即产生了失真——交调失真。
交扰调制是电路中出现的一种干扰现象。在把射频信号与本振信号进行混频的高频电路
（混频器）中，交扰调制将会产生严重的不良影响，即造成输出差频信号出现失真，这是所
不希望存在的一种效应。
特别是在数字-模拟混合信号集成电路中，交调失真可能是一个重要、而又难以解决的
问题。因为在同一块Si片上，其中数字电路工作时所产生的开关噪声，会通过电源、地线
或者衬底，而传输到模拟电路中去，并从而造成模拟电路的性能恶化；其中影响最为严重的
是衬底所造成的耦合问题。因此，对于低噪声化集成电路的结构，就必须采取若干抑制衬底
噪声的措施；例如在版图设计时，可以着重考虑以下一些课题：数字电路与模拟电路的配置、
抑制（衬底接触电位）保护带的配置、阱屏蔽的配置；特别是，确保模拟差分电路的对称性
非常重要。
器件特性对交调失真的影响：交调失真所产生的不良效果与有源器件的转移特性（传输
特性）密切有关。一般，双极型晶体管的交调失真要大于场效应晶体管。
对于BJT，它的转移特性是指数函数形式，即为奇函数，因为把指数函数展开为级数时，
级数中只包含有奇次项：
e
x
= k
1
x
1
+k
3
x
3
+k
5
x
5
+k
7
x
7
+…+k
n
x
n
其中三次方项对于交扰调制的影响最大，该三次方项所产生的交调失真即称为三阶交调失真
（Third-order intermodulation distortion）。这种失真的存在是BJT的一个不足之处。
对于FET，它的转移特性是抛物线形式，即其展开的级数中不存在三次方以上的奇次项：
I
Dsat
= I
DSS
(1-V
GS
/V
p
)
2
因此，FET不存在三阶交调失真。