北京交通大學(xué)模電實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、國家電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心模擬電子技術(shù)實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告實(shí)驗(yàn)題目： 失真放大電路的研究 學(xué) 院：電信學(xué)院專 業(yè)：通信工程學(xué)生姓名：學(xué) 號：任課教師： 2014 年 5 月 30 日目 錄1.實(shí)驗(yàn)要求22.實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c知識背景42.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?2.2知識點(diǎn)43.實(shí)驗(yàn)過程43.1實(shí)驗(yàn)電路及輸入輸出波形43.2每個(gè)電路的討論和方案比較173.3分析研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)174.總結(jié)與體會185.參考文獻(xiàn)191 實(shí)驗(yàn)題目及要求基本要求：（1） 輸入一標(biāo)準(zhǔn)正弦波，頻率2kHz，幅度50mV，輸出正弦波頻率2kHz，幅度1V。（2） 下圖放大電路輸入是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其輸出波形失真。設(shè)計(jì)電路并改進(jìn)。討論產(chǎn)生失真的機(jī)理，闡述解決

2、問題的辦法。（3） 下圖放大電路輸入是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其輸出波形失真。設(shè)計(jì)電路并改進(jìn)。討論產(chǎn)生失真的機(jī)理，闡述解決問題的辦法。（4）下圖放大電路輸入是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其輸出波形失真。設(shè)計(jì)電路并改進(jìn)。討論產(chǎn)生失真的機(jī)理，闡述解決問題的辦法。（5）下圖放大電路輸入是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其輸出波形失真。設(shè)計(jì)電路并改進(jìn)。討論產(chǎn)生失真的機(jī)理，闡述解決問題的辦法。發(fā)揮部分（1） 下圖放大電路輸入是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其輸出波形失真。（2） 任意選擇一運(yùn)算放大器，測出增益帶寬積fT。并重新完成前面基本要求和發(fā)揮部分的工作。（3） 將運(yùn)放接成任意負(fù)反饋放大器，要求負(fù)載2k,放大倍數(shù)為1，將振蕩頻率提高至fT的95%，觀察輸出波形是否

3、失真，若將振蕩器頻率提高至fT的110%，觀察輸出波形是否失真。（4）放大倍數(shù)保持100，振蕩頻率提高至fT的95%或更高一點(diǎn)，保持不失真放大，將純阻抗負(fù)載2k替換為容抗負(fù)載20mF，觀察失真的輸出波形。 （5） 設(shè)計(jì)電路，改善發(fā)揮部分（4）的輸出波形失真。附加部分：（1）設(shè)計(jì)一頻率范圍在20Hz20kHz語音放大器。（2）將各種失真引入語音放大器， 觀察、傾聽語音輸出。失真研究：（1）由單電源供電的運(yùn)算放大器電路會出現(xiàn)哪種失真？(2） 負(fù)反饋可解決波形失真，解決的是哪類失真？ （3）測量增益帶寬積fT有哪些方法？（4）提高頻率后若失真，屬于哪類失真？（5）電阻負(fù)載改成大容性負(fù)載會出現(xiàn)什么失真

4、？（6）有哪些方法可以克服電阻負(fù)載改成大容性負(fù)載出現(xiàn)的失真？（7）用場效應(yīng)管組成的放大電路或運(yùn)算放大器同樣會產(chǎn)生所研究的失真嗎？（8）當(dāng)溫度升高，晶體管組成的電路剛剛產(chǎn)生靜態(tài)工作點(diǎn)漂移，使電路產(chǎn)生某種失真，此時(shí)由場效應(yīng)管組成的電路也同樣失真嗎？為什么？ （9）歸納失真現(xiàn)象，并闡述解決失真的技術(shù)。 2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c知識背景2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1 )掌握失真放大電路的設(shè)計(jì)和解決電路的失真問題提高系統(tǒng)地構(gòu)思問題和解決問題的能力.( 2 ) 掌握消除放大電路各種失真技術(shù)系統(tǒng)地歸納模擬電子技術(shù)中失真現(xiàn)象。( 3 ) 具備通過現(xiàn)象分析電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提高改善電路的能力。2.2 知識點(diǎn)( 1 )輸出波形失真可發(fā)生

5、在基本放大、功率放大和負(fù)反饋放大等電路中，輸出波形失真有截止失真、飽和失真、雙向失真、交越失真，以及輸出產(chǎn)生的諧波失真和不對稱失真等。( 2 ) 射極偏置電路、乙類、甲乙類功率放大電路和 負(fù)反饋電路。( 3 ) 克服各種失真的技術(shù)。3 實(shí)驗(yàn)過程3.1 選取的實(shí)驗(yàn)電路及輸入輸出波形 基本要求： 輸入一標(biāo)準(zhǔn)正弦波，頻率2kHz，幅度50mV，輸出正弦波頻率2kHz，幅度1V。經(jīng)分析，我們可采用如圖1所示的射級偏置電路：圖1 射級偏置電路分析知道，其增益為：同時(shí)，對于基本要求中的（2）、（3）、（4），我們可以知道對于射級偏置電路，當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)太低時(shí)，導(dǎo)致輸出波形失真，則為截止失真；當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)太高

6、時(shí)，導(dǎo)致輸出波形失真，則為飽和失真；當(dāng)輸入信號太大時(shí)，可能使被放大的信號同時(shí)在飽和區(qū)與截止區(qū)，這就產(chǎn)生了雙向失真。于是，我們可以設(shè)計(jì)如圖2所示電路滿足題目要求。圖2 射級偏置電路原理圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果：正常波形截止失真 飽和失真 雙向失真對于基本要求中的（5），我們分析知道，此輸出波形為交越失真。我們可以采用乙類功率放大器，改進(jìn)時(shí)使用甲乙類功率放大器。于是我們采用圖3所示電路。圖3 交越失真電路圖 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：正常波形 交越失真發(fā)揮部分：下圖放大電路輸入是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其輸出波形失真。由波形圖可知，此電路產(chǎn)生的是非對稱失真，我們可以采用如圖4所示電路。圖4 非對稱失真電路圖若要改善非對稱失真，則只需在原電

7、路圖中引入負(fù)反饋失真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果： 非對稱失真 改善后的波形任意選擇一運(yùn)算放大器，測出增益帶寬積fT。并重新完成前面基本要求和發(fā)揮部分的工作。圖5 測增益帶寬fT運(yùn)放的頂部底部雙向失真電路原理圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果：測量增益帶寬積fT時(shí)，我先記錄下輸入與輸出波的峰值的比值，記做Au，然后不斷增大輸入波形的頻率，使輸出波形的峰值變?yōu)樵瓉淼?.707倍，記下此時(shí)的頻率f,則fT =Au*f。實(shí)驗(yàn)中我們測得Au=2.4 f=279.6kHz ,可得fT = Au*f=671.將運(yùn)放接成任意負(fù)反饋放大器，要求負(fù)載2k,放大倍數(shù)為1，將振蕩頻率提高至fT的95%，觀察輸出波形是否失真，若將振蕩器頻率提高至fT的110

8、%，觀察輸出波形是否失真。 圖6 負(fù)反饋放大電路通過示波器測量，當(dāng)振蕩器頻率提高至fT/100的95%，觀察輸出波形沒有失真，若將振蕩器頻率提高至fT/100的110%，觀察輸出波形失真。放大倍數(shù)保持100，振蕩頻率提高至fT的95%或更高一點(diǎn)，保持不失真放大，將純阻抗負(fù)載2k替換為容抗負(fù)載20mF，觀察失真的輸出波形。 我們控制電位器J2是電路接入容性負(fù)載。通過示波器測量，發(fā)現(xiàn)波形失真。實(shí)驗(yàn)結(jié)果：正常波形容性負(fù)載失真設(shè)計(jì)電路，改善發(fā)揮部分（4）的輸出波形失真。 采用負(fù)反饋，通過開關(guān)J1，使負(fù)反饋加大。觀察波形，得到：實(shí)驗(yàn)結(jié)果：改善后的波形設(shè)計(jì)一頻率范圍在20Hz20kHz語音放大器。將各種失

9、真引入語音放大器， 觀察、傾聽語音輸出。圖 7 語音放大器電路圖失真研究：（1）.雙向飽和截止失真的原理分析截止失真原理分析由二極管的伏安特性曲線可知，只有加到發(fā)射結(jié)上的電壓高于 （開啟電壓，硅管為；鍺管為）時(shí)，發(fā)射結(jié)才有電流通過，而當(dāng)發(fā)射結(jié)被加反向電壓時(shí)（只要不超過其反向擊穿電壓），只有很小的反向電流通過，我們認(rèn)為這種情況下三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，而在實(shí)際應(yīng)用中，我們會遇到各種各樣的信號需要放大，有較強(qiáng)的信號，有較弱的信號，也有反向的信號，根據(jù)PN節(jié)的特性，當(dāng)加到發(fā)射結(jié)上的信號為較弱的信號（小于開啟電壓），或者是反向信號時(shí)，發(fā)射結(jié)是截止的，三極管不能起到放大的作用，輸出的信號，也會出現(xiàn)嚴(yán)重的失真

10、，此種失真稱為截止失真。如圖（三極管的輸出特性曲線）所示，此時(shí)，晶體三極管工作在三極管輸出特性曲線的截止區(qū)，呈現(xiàn)截止失真現(xiàn)象。 飽和失真原理分析 我們知道，當(dāng)三極管的發(fā)射結(jié)被加正向電壓且（開啟電壓）時(shí)，三極管的發(fā)射結(jié)有電流通過。發(fā)射區(qū)通過擴(kuò)散運(yùn)動向基區(qū)發(fā)射電子，形成發(fā)射極電流；其中一小部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成基極電流，又由于集電極加反向電壓，所以從發(fā)射極出來的大部分電子在集電極電壓作用下通過漂移運(yùn)動到達(dá)集電極，形成集電極電流。當(dāng)集電極上加不同電壓時(shí)，有以下三種情況：1).當(dāng)集電結(jié)加反向電壓時(shí)，集電結(jié)反偏。此時(shí)，集電極有能力收集從發(fā)射極發(fā)射出的電子，三極管處于穩(wěn)定的放大狀態(tài)。此時(shí)，晶體三極管工

11、作在輸出特性曲線的放大區(qū)，能夠正常放大信號。2).當(dāng)集電極加正向電壓，集電極正偏。此時(shí)，發(fā)射極雖發(fā)射電子，但由于集電極收集電子能力不足，即使基極電流增大，發(fā)射極發(fā)射電子電流增大，集電極電流也不會增大，這種情況稱為三極管的飽和導(dǎo)通。飽和導(dǎo)通時(shí)，三極管對信號也失去了發(fā)放大作用，此時(shí)三極管的失真稱為飽和失真。可見，飽和失真時(shí)晶體三極管工作在輸出特性曲線的飽和區(qū)，輸出信號呈現(xiàn)飽和失真。3）.當(dāng)集電結(jié)所加電壓為零，即=0時(shí)，三極管處于飽和放大的臨界狀態(tài)。雙向失真原理分析 由以上分析可知，三極管對信號的放大倍數(shù)是有限的。調(diào)整電路使三極管工作在合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，即是放大信號在三極管輸出特性曲線的放大區(qū)。選取

12、合適的輸入信號可以得到正常的放大波形，當(dāng)增加輸入信號的幅度時(shí)，放大信號的幅度也成倍增加，此時(shí)放大信號的幅度過大，導(dǎo)致放大信號的峰部超出三極管輸出特性曲線的放大區(qū)，一部分在飽和區(qū)，一部分在截止區(qū)，于是出現(xiàn)了雙向失真。換一種說法，也可以解釋為放大信號同時(shí)出現(xiàn)了飽和失真和截止失真。解決方法：截止失真：使靜態(tài)工作點(diǎn)上移。對于射極偏置電路，方法是增加基極的電壓。既是減小Rb1或者增大Rb2.飽和失真：使靜態(tài)工作點(diǎn)下移。對于射極偏置電路，方法是減小基極的電壓。既是增大Rb1或者減小Rb2.雙向失真：減小輸入信號或者換晶體管。交越失真原理分析失真的機(jī)理：交越失真是乙類推挽放大器所特有的失真. 在推挽放大器中

13、, 由2 只晶體管分別在輸入信號的正、負(fù)半周導(dǎo)通, 對正、負(fù)半周信號進(jìn)行放大. 而乙類放大器的特點(diǎn)是不給晶體管建立靜態(tài)偏置, 使其導(dǎo)通的時(shí)間恰好為信號的半個(gè)周期. 但是, 由于晶體管的輸入特性曲線在VBE 較小時(shí)是彎曲的, 晶體管基本上不導(dǎo)通, 即存在死區(qū)電壓V r . 當(dāng)輸入信號電壓小于死區(qū)電壓時(shí), 2 只晶體管基本上都不導(dǎo)通. 這樣,當(dāng)輸入信號為正弦波時(shí), 輸出信號將不再是正弦波,即產(chǎn)生了失真.因此在正、負(fù)半周交替過零處會出現(xiàn)一些失真，這個(gè)失真稱為交越失真。解決方法：消除交越失真的辦法是給晶體管建立起始靜態(tài)偏置, 使它的基極電壓始終不小于死區(qū)電壓. 為了不使電路的效率明顯降低, 起始靜態(tài)偏

14、置電流不應(yīng)太大. 這樣就把乙類推挽放大器變成了經(jīng)常使用的甲乙類推挽放大器.在上述電路中，我們可以改變靜態(tài)工作點(diǎn)，加大電阻阻值，產(chǎn)生0.7V壓降的靜態(tài)工作點(diǎn)電壓，使輸入信號即使為0是，三極管也工作在線性區(qū)域。既是甲乙類功率放大器。不對稱失真失真的機(jī)理：如下圖所示，不對稱失真產(chǎn)生的原因是三極管輸入特性曲線中的線性區(qū)并非為完全線性的，當(dāng)輸入U(xiǎn)i時(shí)，對應(yīng)的ib上下并不完全對稱，從而輸出Uo也并非完全對稱的。解決方法：采用負(fù)反饋，減小環(huán)內(nèi)的非線性失真。（1） 由單電源供電的運(yùn)算放大器電路會出現(xiàn)哪種失真？單電源供電會出現(xiàn)一部分沒有波形，是線性失真。（2） 負(fù)反饋可解決波形失真，解決的是哪類失真？負(fù)反饋解決

15、反饋環(huán)內(nèi)的非線性失真，不能解決反饋環(huán)外的失真。（3）測量增益帶寬積fT有哪些方法？a.可以首先測量帶寬，然后測量增益，帶寬乘以增益既是增益帶寬積。b.可以測量特征頻率，即晶體管喪失電流放大能力的極限頻率就是增益帶寬積。（4）提高頻率后若失真，屬于哪類失真？提高頻率后若失真，屬于頻率失真。（5）電阻負(fù)載改成大容性負(fù)載會出現(xiàn)什么失真？電阻負(fù)載改成大容性負(fù)載會出現(xiàn)相位失真。（6）有哪些方法可以克服電阻負(fù)載改成大容性負(fù)載出現(xiàn)的失真？可引入負(fù)反饋來克服電阻負(fù)載改成大容性負(fù)載出現(xiàn)的失真（7）用場效應(yīng)管組成的放大電路或運(yùn)算放大器同樣會產(chǎn)生所研究的失真嗎？會，因?yàn)閳鲂?yīng)管也有不同的工作區(qū)，我們可以通過調(diào)整靜態(tài)

16、工作點(diǎn)來產(chǎn)生不同的失真。（8）當(dāng)溫度升高，晶體管組成的電路剛剛產(chǎn)生靜態(tài)工作點(diǎn)漂移，使電路產(chǎn)生某種失真，此時(shí)由場效應(yīng)管組成的電路也同樣失真嗎？為什么？不會，因?yàn)閳鲂?yīng)管只有多子參與導(dǎo)電，而三極管有多子和少子兩種載流子參與導(dǎo)電，因少子濃度受溫度影響較大，所以場效應(yīng)管比三極管溫度穩(wěn)定性好。所以溫度升高時(shí)，場效應(yīng)管組成的電路不會產(chǎn)生同樣失真。 （9）歸納失真現(xiàn)象，并闡述解決失真的技術(shù)。 失真現(xiàn)象：截止失真，飽和失真，雙向失真，交越失真，不對稱失真放大電路是一種幅度的變化運(yùn)算，對于理想的的放大電路，其輸出信號應(yīng)當(dāng)如實(shí)的反映輸入信號，即他們盡管在幅度上不同，但波形應(yīng)當(dāng)是相同的但是，在實(shí)際放大電路中，由于種

17、種原因，輸出信號不可能與輸入信號的波形完全相同，產(chǎn)生了失真非線性失真是放大器件的工作點(diǎn)進(jìn)入了特性曲線的非線性區(qū)，使輸入信號和輸出信號不再保持線性關(guān)系而產(chǎn)生的失真常見非線性失真有五種：飽和失真、截止失真、雙向失真、交越失真和不對稱失真。當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)太低時(shí)，導(dǎo)致輸出波形失真，則為截止失真；當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)太高時(shí)，導(dǎo)致輸出波形失真，則為飽和失真。飽和失真、截止失真是由于靜態(tài)工作點(diǎn)選擇不合適造成的，而雙向失真是由于輸入信號太大造成的。它的改進(jìn)方法：飽和失真：使靜態(tài)工作點(diǎn)下移。對于射極偏置電路，方法是增加基極的電壓。截止失真：使靜態(tài)工作點(diǎn)上移。對于射極偏置電路，方法是減小基極的電壓。雙向失真：減小輸入信號或

18、者換晶體管。 交越失真是在乙類功率放大器中，當(dāng)輸入信號變化時(shí)，不足以克服三極管的死區(qū)電壓，三極管不導(dǎo)通電。在正、負(fù)半周交替過零處會出現(xiàn)一些失真。它的改進(jìn)方法：去除失真的原理：我們可以改變靜態(tài)工作點(diǎn)，加大電阻阻值或者加兩個(gè)二極管，產(chǎn)生0.7V壓降的靜態(tài)工作點(diǎn)電壓，使沒有輸入信號，三極管也工作在線性區(qū)域。既是甲乙類功率放大器。不對稱失真，就是由于工藝等因素，導(dǎo)致電路不對稱使輸出信號的正負(fù)半周信號幅度、波形，與輸入信號不一致。它的改進(jìn)方法：我們可以采用負(fù)反饋，減小反饋環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的非線性失真。線性失真是放大器的頻率特性不好，對輸入信號中不同頻率成分的增益不同或延時(shí)不同而產(chǎn)生的失真線性失真是由于放大電路中

19、有隔直流電容、射極旁路電容、結(jié)電容和各種寄生電容，使得它對不同頻率的輸入信號所產(chǎn)生的增益及相移是不同的常見的線性失真是相位失真。3.2 每個(gè)電路的討論和方案比較(1)在不對稱電路中，剛開始電路輸出端沒有加電容隔直流，造成輸出很高。之后添加隔直電容，之后輸出較為正常。（2）在語言放大器電路的設(shè)計(jì)中，一開始選用了LM324，但是效果一直不太好，后來查閱資料選用了專用的音頻功率放大器LM386，并增加了電容，發(fā)現(xiàn)效果較好。3.3 分析研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)飽和截止雙向電路參數(shù)：R1:3k R2：24k2個(gè)變阻器:500kC1,C2:10uF三極管：2N4401測量數(shù)據(jù)：輸入50mv,輸出1V交越電路參數(shù)：R1

20、，R2，R3，R4：1kR5：10k三極管;2N4401,2N4403二極管兩個(gè)開關(guān)1個(gè)輸入2v，頻率500Hz不對稱電路參數(shù);R1,R2,R3,R4,R5:10kR6,R7:1kC1：10uF三極管三個(gè)：2N4401開關(guān)一個(gè)增益帶寬積參數(shù)：R1，R2：10kR3:5k運(yùn)放;LM324N容性負(fù)載電路參數(shù)：R1，R2，R3，R4：1kR5:100kR6：2kC1:22uF運(yùn)放：LM324語音放大電路參數(shù)：變阻器R1：10kR2:10kC1,C2:0.1uFC3:100uF運(yùn)放：LM386N4 總結(jié)與體會4.1 通過本次實(shí)驗(yàn)?zāi)切┠芰Φ玫教岣?，那些解決的問題印象深刻，有那些創(chuàng)新點(diǎn)。研究放大電路信號失真的原理與掌握克服失真的方法對實(shí)際運(yùn)用具有重要的意義。通過此次實(shí)驗(yàn)，我對模電中關(guān)于放大電路頻率響應(yīng)中的相關(guān)知識又有了進(jìn)一步的了解與掌握。特別是對失真及其克服方法這一塊，我查閱了幾本不同的教材，每一本教材的寫法都有自己的特色，因此極大地加深了我對理論知識的理解。深刻理解了放大電路中的各種失真及其產(chǎn)生原理。使用模擬電子技術(shù)中放大電路，把某一輸入模擬信號經(jīng)過一個(gè)電路，進(jìn)行在幅度上放大，然后輸出。對于理想的的放大電路，其輸出信號應(yīng)當(dāng)如實(shí)的反映輸入信號，即他們的頻譜成分應(yīng)該相同，僅僅是幅度不同（看起