北交 模電實(shí)驗(yàn) 放大電路的失真研究

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)實(shí)驗(yàn)報(bào)告國家電工電子實(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： 放大電路的失真研究 學(xué) 院：電子信息工程學(xué)院專 業(yè)：通信工程學(xué)生姓名：學(xué) 號：任課教師： 2014 年 6 月 1 日目錄一、實(shí)驗(yàn)題目及要求11.1實(shí)驗(yàn)題目11.2實(shí)驗(yàn)要求11.2.1基本要求11.2.2發(fā)揮部分21.2.3附加部分21.2.4失真研究3二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c知識背景32.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?2.2知識點(diǎn)3三、實(shí)驗(yàn)過程43.1飽和截止雙向失真43.1.1選取的實(shí)驗(yàn)電路及輸入輸出波形43.1.2每個電路的討論和方案比較43.1.3分析研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)63.2交越失真73.2.1選取的實(shí)驗(yàn)電路

2、及輸入輸出波形73.2.2每個電路的討論和方案比較73.2.3分析研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)83.3非對稱失真83.3.1選取的實(shí)驗(yàn)電路及輸入輸出波形83.3.2每個電路的討論和方案比較93.3.3分析研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)93.4 增益帶寬積93.4.1選取的實(shí)驗(yàn)電路及輸入輸出波形93.4.2每個電路的討論和方案比較93.4.3分析研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)113.5 容性負(fù)載113.5.1選取的實(shí)驗(yàn)電路及輸入輸出波形113.5.2分析研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)113.6語音放大123.5.1選取的實(shí)驗(yàn)電路及輸入輸出波形123.6.2分析研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)123.7失真研究12四、總結(jié)與體會144.1 通過本次實(shí)驗(yàn)?zāi)切┠芰Φ玫教岣撸切┙鉀Q的問題印

3、象深刻，有那些創(chuàng)新點(diǎn)。144.2 對本課程的意見與建議14五、參考文獻(xiàn)14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)實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)題目及要求1.1實(shí)驗(yàn)題目放大電路的失真研究1.2實(shí)驗(yàn)要求1.2.1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，如圖一。圖一 正常正弦波（2）設(shè)計(jì)電路并改進(jìn)，使得放大電路輸入是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其輸出波形失真如下圖二。討論產(chǎn)生失真的機(jī)理，闡述解決問題的辦法。圖二 頂部失真（3）設(shè)計(jì)電路并改進(jìn)，使得放大電路輸入是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其輸出波形失真如下圖三。討論產(chǎn)生失真的機(jī)理，闡述解決問題的辦法。圖三 底部失真（4）設(shè)計(jì)電路并改進(jìn)，使得

4、放大電路輸入是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其輸出波形失真如下圖四。討論產(chǎn)生失真的機(jī)理，闡述解決問題的辦法。1圖四 雙向失真（5）設(shè)計(jì)電路并改進(jìn)，使得放大電路輸入是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其輸出波形失真如下圖五。討論產(chǎn)生失真的機(jī)理，闡述解決問題的辦法。圖五 交越失真1.2.2發(fā)揮部分（1）設(shè)計(jì)電路并改進(jìn)，使得放大電路輸入是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其輸出波形失真如下圖六。討論產(chǎn)生失真的機(jī)理，闡述解決問題的辦法。圖六 非對稱失真（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%，觀察輸出波形是否失真，若將振蕩

5、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。1.2.3附加部分（1）設(shè)計(jì)一頻率范圍在20Hz20kHz的語音放大器。（2）將各種失真引入語音放大器，觀察、傾聽語音輸出。21.2.4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

6、？（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)。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c知識背景2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）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） 截止失真、飽和失真、雙向失真、交越失真等失真

7、原理。（2） 射極偏置電路、功率放大電路和負(fù)反饋電路等基本電路的分析。（3）不同電路的調(diào)試方法，故障分析及排除方法，掌握系統(tǒng)的電子電路實(shí)驗(yàn)技術(shù)。（4）各種失真產(chǎn)生的原因及解決方法。3三、實(shí)驗(yàn)過程3.1飽和截止雙向失真3.1.1選取的實(shí)驗(yàn)電路及輸入輸出波形圖 1飽和截止雙向失真電路圖4圖 2正常正弦波圖 3雙向失真圖 4頂部失真圖 5底部失真國家電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告3.1.2每個電路的討論和方案比較（1）失真原理圖為輸入、輸出波形關(guān)系截止失真原理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時，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（不超過反向擊穿電

8、壓），只有很小的反向電流通過，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，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，此種失真稱為截止失真。如圖a所示，此時，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，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

9、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，有以下三種情況：a.當(dāng)集電結(jié)加反向電壓時，集電結(jié)反偏。此時，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，晶體三極管工作在輸出特性曲線的放大區(qū)，能夠正常放大信號。b.當(dāng)集電極加正向電壓，集電極正偏。此時，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，三極管對信號也失去了發(fā)放大作用，此時三極5管的失真稱為飽和失真。可見，飽和失真時

10、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。c.當(dāng)集電結(jié)所加電壓為零，三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，放大信號的幅度也成倍增加，此時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出現(xiàn)了飽和失真和截止失真。（2）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

11、，方法是增加基極的電壓。即是減小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。即是增大Rb1或者減小Rb2。雙向失真：減小輸入信號或者換晶體管。3.1.3分析研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)R1:500k電位器R2、R3、R7：15 kR4:1 kR5：100 kR6:10 kC1C2：10uFC3:22uF（1）截底截頂飽和雙向失真頻率：2KHz幅度：500mVp截頂失真約120 k截底失真約350 k放大電路約240 k（2）雙向失真 輸入約1.5Vp3.2交越失真3.2.1選取的實(shí)驗(yàn)電路及輸入輸出波形圖 6交越失真電路圖圖 7交越失真圖 8改善波形國家電工電子實(shí)驗(yàn)

12、教學(xué)中心模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告3.2.2每個電路的討論和方案比較（1）失真原因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, 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)通的時間恰好為信號的半個周期. 但是, 由于晶體管的輸入特性曲線在VBE 較小時是彎曲的, 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, 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, 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，這個失真稱為交越失真。

13、（2）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。3.2.3分析研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)R1、R2、R4、R5:1 kR3:10 kD1、D2:1N4148Q1:2N2222AQ2:2N3702通過開關(guān)的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)二極管電路失真與不失真的轉(zhuǎn)換。3.3非對稱失真3.3.1選取的實(shí)驗(yàn)電路及輸入輸出波

14、形圖 9非對稱失真電路圖圖 10非對稱失真圖 11改善波形9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)實(shí)驗(yàn)報(bào)告3.3.2每個電路的討論和方案比較（1）失真原因不對稱失真是差分輸入電路和乙類互補(bǔ)推挽功率放大電路所特有的失真。在差分電路中，由于電路結(jié)構(gòu)的不對稱，使兩個三極管對信號的放大倍數(shù)不相同而引起的。在乙類互補(bǔ)推挽功率放大電路，它是由于推挽管（NPN管和PNP管）特性不對稱，而使輸入信號的正、負(fù)半周不對稱造成的。（2）解決方法采用負(fù)反饋，減小環(huán)內(nèi)的非線性失真。我們采用交直流混合電流并聯(lián)負(fù)反饋。在本實(shí)驗(yàn)中，合上開關(guān)，則接入負(fù)反饋電路，從而消除不對稱失真。3.3.3分析研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Q1、Q2、Q3：

15、2N4401C1、C2:10uFR1、R2、R3、R4、R5、R6:10 kR7、R8:1 k在本實(shí)驗(yàn)中，合上開關(guān)，則接入負(fù)反饋電路，從而消除不對稱失真。3.4 增益帶寬積3.4.1選取的實(shí)驗(yàn)電路及輸入輸出波形圖 12增益帶寬積電路圖3.4.2每個電路的討論和方案比較（1）頻率失真的原因頻率失真：又稱線性失真，是由于線性電抗元件所引起的,它包括幅度失真和相位失真。假設(shè)某系統(tǒng)傳輸函數(shù)為H（jw），它規(guī)定了不同頻率的信號經(jīng)過此系統(tǒng)時產(chǎn)生的不同的幅度和相位的變化。信號傳輸應(yīng)用中，線路發(fā)送側(cè)發(fā)出某一頻率的信號，而這個信號的傳輸信道在此時就等價于一個傳輸系統(tǒng)（因?yàn)槭聦?shí)上的傳輸包括復(fù)用、解復(fù)用和各種轉(zhuǎn)換；

16、線路傳輸中會有衰減、回波損耗等），這導(dǎo)致在接收端收到的信號與原信號在相位和幅值上是有差別的，且這種差別因頻率而變，這就叫頻率失真。（2）幅度失真的原因幅度失真：輸入信號由基波和二次諧波組成，受放大電路帶寬限制(對于一個集成放大器，它有一個特定的增益帶寬積，故頻率大的諧波分量，放大倍數(shù)低),基波增益較大，而二次諧波增益較小，輸出電壓波形產(chǎn)生了失真。（3）相位失真的原因相位失真：指的是信號在傳輸和放大過程中發(fā)生了時間延遲。電容和電感對交流信號（電壓或電流）具有延遲作用。當(dāng)一個交流信號經(jīng)過電容、電感和電阻的時候，會有一個充放電的過程，這會導(dǎo)致這個交流信號的幅度變化時間“向后”推遲一段時間。在各種交流

17、放大器中，采用的元器件或者是電感電容，或者是含有電感電容成分，而任何一個放大電路或者元器件我們都可以通過等效電路轉(zhuǎn)換成電感、電容、電阻和理想有源器件的組合?？偟膩碚f引起頻率失真的原因主要有放大電路存在電抗性元件，這些電抗性原件主要有耦合電容、旁路電容、分布電容、變壓器、分布電感等，而影響低頻增益的電抗性元件主要有耦合電容與旁路電容，影響高頻增益的電抗性元件主要有晶體管的結(jié)電容及引線等一些雜散電容 引起頻率失真的另外一個原因就是三極管是頻率的函數(shù)，低頻小信號模型不再適用，因?yàn)楣茏拥闹惦S著信號頻率的增加而減小，也會導(dǎo)致高頻增益的下降。這時在研究頻率特性曲線時需要采用高頻小信號模型。中頻段：電壓放大

18、倍數(shù)近似為常。低頻段：耦合電容和發(fā)射極旁路電容的容抗增大，以致不可視為短路，因而造成電壓放大倍數(shù)減小。高頻段：晶體管的結(jié)電容以及電路中的分布電容等的容抗減小，以致不可視為開路，也會使電壓放大倍數(shù)降低。103.4.3分析研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)R1、R3:10 kR2:24 kR4:500 kLM324N開關(guān)控制失真與非失真的轉(zhuǎn)換。3.5 容性負(fù)載3.5.1選取的實(shí)驗(yàn)電路及輸入輸出波形圖 13容性負(fù)載電路圖圖 14三角波圖 15改善波形國家電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告3.5.2分析研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)R1、R2、R3:1 kR4:100 kR5:2 kC1:22uFLM324N3.6語音放大3.5.

19、1選取的實(shí)驗(yàn)電路及輸入輸出波形圖 16語音放大電路圖3.6.2分析研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)R1:10 kR2:4.7 kC1、C2:0.1uFC3:100uFLM358N3.7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？由單電源供電的運(yùn)算放大器電路會出現(xiàn)線性失真。（2）負(fù)反饋可解決波形失真，解決的是哪類失真？用負(fù)反饋是可以減少失真，但要犧牲db值。失真分飽和失真、交越失真、頻響速率不夠失真、動態(tài)范圍不夠失真多種因素。（3）測量增益帶寬積fT有哪些方法？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。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

20、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？負(fù)反饋可以克服電阻負(fù)載改成大容性負(fù)載出現(xiàn)的失真。12（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？可以。（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，此時由場效應(yīng)管組成的電路也同樣失真嗎？為什么？是。（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 我們知道，所有電路相當(dāng)于一個特定的數(shù)學(xué)運(yùn)算，放

21、大電路實(shí)現(xiàn)一種幅度變化運(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，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，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

22、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，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不同而產(chǎn)生的失真線性失真是由于放大電路中有隔直流電容、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。132四、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)。在動手實(shí)踐之前，向?qū)W長學(xué)姐咨詢了相關(guān)注意事項(xiàng)，網(wǎng)上搜集