本文要點：

“諧波失真”通常表示在時域中觀察到的波形失真。

諧波失真可從功率譜或時域波形中觀察到，有多種表現形式。

不同形式的非線性會產生不同類型的諧波失真。

任何模擬信號只要存在一定程度的非線性，都會產生諧波失真。模擬信號失真時，信號在時域中的外觀會發生變化，表現為波形壓縮或完全偏移。諧波模擬信號中的諧波失真已是老生常談，但調制信號或方波/鋸齒波中也明顯存在各類諧波失真，其中一個常見的例子是功率放大器，它們在運行時通常接近飽和點。

諧波失真對信號的影響取決于產生失真的元件，甚至是信號的測量方式。那么問題來了，如何厘清信號中諧波失真的類型？有沒有方法直接測量或計算？本文將舉例介紹不同類型的諧波失真，以及產生的原因。

諧波失真類型

一般來說，通過觀察波形，可以發現五種類型的諧波失真：

振幅失真

頻率失真

相位失真

互調失真

交叉失真

除了非線性產生的非線性失真外，上述類型的諧波失真只出現在寬帶信號或離散頻率相加的信號上。

1

振幅失真與頻率失真

這兩個術語有時會互相替代，但一般所指并非同類。二者在時域上看似相似，但在頻域上卻完全不同。在時域測量中，振幅失真與頻率失真區別如下：

振幅失真：當電路或設備產生的輸出信號的幅值是輸入幅值的非線性函數時，就會出現這種情況。振幅失真是由非線性引起的，可以在諧波信號或寬帶信號中觀察到。這種現象有時被稱為削波失真，因為它發生在飽和器件（如放大器）中。

由于飽和，振幅失真通常表現為削波

頻率失真：當電路或設備導致輸入信號中不同頻率器件的電壓/電流發生不同程度的變化時，就會出現頻率失真。頻率失真只能在寬帶信號中觀察到。當伯德圖的幅值為非線性時，濾波器通常會出現頻率失真。

伯德圖中幅值曲線的形狀會導致寬帶信號中出現頻率失真

在實際器件中，振幅失真可能只在特定頻率范圍內產生；為了加以區分，這種現象可稱為“非線性頻率失真”，此時還應該說明非線性在實際器件和電路中的重要性。

2

相位失真

當濾波器的傳遞函數（伯德圖）的相位是頻率的非線性函數時，濾波器就會產生相位失真。此時輸出波形會出現失真，但不一定是因為波形出現了削波或其他幅值效應，而是因為群速度和相速度不是恒定值，因此組成信號的不同頻率會以不同的速度傳播。

伯德圖相位曲線中的非線性區域會因色散而產生相位失真

3

互調失真

當頻率調制信號或其他寬帶信號饋入非線性器件時，會出現互調失真。具體來講，當輸入接近飽和狀態時，互調失真就會常見于功率放大器，此時，構成輸入信號的離散頻率相加會產生和/差諧波。

最突出的一組和/差諧波是三階互調。這些諧波最有可能出現在放大器的線性輸入區，且最接近輸入信號功率譜的頻帶邊緣。在時域中，互調失真表現為頻率略高于輸入信號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，信號可能會出現交叉失真。當一對晶體管中有一個進入截止區時，輸出信號會短暫降至零，此時就會發生交叉失真。實際上，當輸入信號處于低電平時，放大器中的兩個晶體管都沒有開啟，因此即使輸入信號不為零，輸出信號也為零。下面是一個簡單的時域示例。

推挽（B 類）放大器中的交叉失真

如何發現諧波失真

在測量或仿真中很容易發現上述類型的諧波失真：只需比較相關器件或電路的輸入和輸出信號即可。如果兩者在時域和頻域上不是線性函數關系，則說明存在某種失真。在設計階段，仿真工具可以讓電路中可能出現的諧波失真問題無處遁形。

在設計低失真的真實器件系統時，Cadence 的系統分析工具集可以幫助設計人員發現信號中的各類諧波失真，從而采取有效措施。

PSpice 仿真工具可用于生成所需的仿真，識別和優化低諧波失真電路，并利用內置建模應用對實際電路進行仿真。