放大電路的失真實驗報告

國家電工電子實驗教學中心 模擬電子技術實驗 實驗報告國家電工電子實驗教學中心模擬電子技術實驗報告實驗題目：放大電路的失真研究學院：電子信息工程學院專業(yè)：通信工程學生姓名：XXX學號：XXXXXXXX任課教師：XX2015年6月10日

目錄實驗報告 —1.實驗題目及要求1.1.基本要求tuoottuootuoo（a）tuio（b）tuoo（c）tuoo（d）tuoo（e）（f）圖1（1）輸入一標準正弦波，如圖1（a），頻率2KHz，幅度50mV，輸出正弦波頻率2KHz，幅度1V。（2）圖1（b）是電路輸出波形，若達到要求，如何設計電路，并修改。（3）圖1（c）是電路輸出波形，若達到要求，如何設計電路，并修改。（4）圖1（d）是電路輸出波形，若達到要求，如何設計電路，并修改。（5）輸入一標準正弦波，頻率2KHz，幅度5V，設計電路使之輸出圖1（e）輸出波形，并改進。1.2.發(fā)揮部分（1）圖1（f）是電路輸出失真波形，設計電路并改進。（2）任意選擇一運算放大器，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）將運算放大器連接成任意負反饋放大器，要求負載2kΩ,放大器的放大倍數為100，將振蕩器頻率提高至fT/100的95%，觀察輸出波形是否失真，若將振蕩器頻率提高至fT/100的110%，觀察輸出波形是否失真。（4）放大器的放大倍數保持100，將振蕩器頻率提高至fT/100的95%或更高一點，保持不失真放大，將純阻抗負載2kΩ替換為容抗負載20F，觀察失真的輸出波形。（5）改善發(fā)揮部分（4）的輸出波形不失真，設計并完成電路。1.3.附加部分（1）設計一頻率范圍在20Hz～20kHz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。1.4失真研究（1）通過圖1（b）、（c）和（d）的失真設計，討論產生失真的機理，闡述解決問題的辦法。（2）通過圖1（e）的失真設計，討論產生失真的機理，闡述解決問題的辦法。（3）通過圖1（f）的失真設計，討論產生失真的機理，闡述解決問題的辦法。（4）討論npn型組成的共射放大電路和pnp型組成的共射放大電路在截止和飽和失真方面的不同。（5）討論共基放大電路、共集放大電路與共射放大電路在截止和飽和失真方面的不同。（6）負反饋可解決波形失真，解決的是哪類失真？（7）雙電源供電的功率放大器改成單電源供電會出現哪種失真？如何使單電源供電的功率放大器不失真？（8）由單電源供電的運算放大器組成電路會出現哪種失真？（9）測量增益帶寬積fT有哪些方法？（10）提高頻率后若失真，屬于哪類失真？（11）電阻負載改成大容性負載會出現什么失真？（12）有哪些方法可以克服電阻負載改成大容性負載出現的失真？（13）歸納失真現象，并闡述解決失真的技術。（14）用場效應管組成的放大電路或運算放大器同樣會產生所研究的失真嗎？（15）當溫度升高，晶體管組成的電路剛剛產生靜態(tài)工作點漂移，使電路產生某種失真，此時由場效應管組成的電路也同樣失真嗎？為什么？2.實驗目的與知識背景2.1．實驗目的(1)掌握失真放大電路的設計和解決電路的失真問題——提高系統(tǒng)地構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——系統(tǒng)地歸納模擬電子技術中失真現象。(3)具備通過現象分析電路結構特點——提高改善電路的能力。2.2.知識點1.輸出波形失真可發(fā)生在基本放大、功率放大和負反饋放大等電路中，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反饋電路。3.克服各種失真的技術。3.實驗過程3.1選取的實驗電路及輸入輸出波形3.1.1.基本要求（1）輸入一標準正弦波，如圖1（a），頻率2KHz，幅度50mV，輸出正弦波頻率2KHz，幅度1V。分析知道，滿足要求的電路很多，我們可以采用射級偏置電路：圖1-1射級偏置電路分析知道，其增益為：圖1-2（2）設計電路使電路輸出波形為圖1（b），（c），（d），并改進。對于射級偏置電路，當靜態(tài)工作點太低時，導致輸出波形失真，則為截止失真；當靜態(tài)工作點太高時，導致輸出波形失真，則為飽和失真；當輸入信號太大時，可能使被放大的信號同時在飽和區(qū)與截止區(qū)，這就產生了雙向失真。通過調節(jié)滑動變阻器改變三極管的工作點，從而產生不同的失真。正常波形雙向失真頂部失真底部失真圖1-3飽和截止雙向失真（3）設計電路使電路輸出波形為圖1（e），并改進。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，改進時使用甲乙類功率放大器。交越失真電路圖交越失真改進后波形（4）設計電路使電路輸出波形為圖1（f），并改進。圖1（f）是電路輸出失真波形，設計電路并改進。不對稱失真是由電路不對稱,而使輸入信號的正、負半周不對稱,這種失真稱為不對稱失真.不對稱失真 不對稱失真改進波形3.1.2.發(fā)揮部分（1）選擇一運算放大器，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。增益帶寬積表示增益和帶寬的乘積，因此，我們測量增益帶寬積fT時，可以根據定義來測量，即先測量中頻增益，然后測量帶寬。先測中頻增益，得到A=500;信號源的幅度不變，增大輸入信號的頻率，當輸出信號的幅度下降到中頻增益的0.707倍即3dB時，此時對應的頻率即為上限頻率。（4.94x0.707=3.49）所以測得增益帶寬積為33x500=16500（2）用運放設計電路實現飽和，截止，雙向失真。頂部底部雙向失真電路運算放大器失真電路圖底部失真頂部失真雙向失真（3）將運算放大器連接成任意負反饋放大器，要求負載2kΩ,放大器的放大倍數為100，將振蕩器頻率提高至fT/100的95%，觀察輸出波形是否失真，若將振蕩器頻率提高至fT/100的110%，觀察輸出波形是否失真。負載電容、電阻電路圖（4）將運算放大器連接成任意負反饋放大器，要求負載2kΩ,放大器的放大倍數為100，將振蕩器頻率提高至fT/100的95%，觀察輸出波形是否失真，若將振蕩器頻率提高至fT/100的110%，觀察輸出波形是否失真。通過示波器測量當振蕩器頻率提高至fT/100的95%，觀察輸出波形沒有失真；當fT/100為110%時，出現相位失真。fT/100為110%時負載為2kΩ時輸出波形加入負反饋后波形（4）放大器的放大倍數保持100，將振蕩器頻率提高至fT/100的95%或更高一點，保持不失真放大，將純阻抗負載2kΩ替換為容抗負載20F，觀察失真的輸出波形。負載為22uF時輸出波形容性負載失真改善波3、附加部分（1）設計一頻率范圍在20Hz～20kHz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。語音放大器輸出電路LM386是一種音頻集成功放，具有自身功耗低、更新內鏈增益可調整、電源電壓范圍0.5W。失真研究：a、截止失真原理分析晶體管是非線性元件，在它們的輸出曲線上只有一段區(qū)域是線性的。我們通過設置靜態(tài)工作點，使晶體管，效應管工作在線性區(qū)域。但是，有可能靜態(tài)工作點太高，太低，輸入信號太大，或者增益太大使輸出信號發(fā)生失真；當靜態(tài)工作點太低時，導致輸出波形頂部被截去，則為截止失真；圖三極管的輸出特性曲線b、飽和失真原理分析我們知道，當三極管的發(fā)射結被加正向電壓且（開啟電壓）時，三極管的發(fā)射結有電流通過。發(fā)射區(qū)通過擴散運動向基區(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動到達集電極，形成集電極電流。當集電極上加不同電壓時，有以下三種情況：1).當集電結加反向電壓時，集電結反偏。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。2).當集電極加正向電壓，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通。飽和導通時，三極管對信號也失去了發(fā)放大作用，此時三極管的失真稱為飽和失真。可見，飽和失真時晶體三極管工作在輸出特性曲線的飽和區(qū)，輸出信號呈現飽和失真。3）.當集電結所加電壓為零，即=0時，三極管處于飽和放大的臨界狀態(tài)。c.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是有限的。調整電路使三極管工作在合適的靜態(tài)工作點，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)，于是出現了雙向失真。換一種說法，也可以解釋為放大信號同時出現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。f.不對稱失真失真的機理：不對稱失真是差分輸入電路和乙類互補推挽功率放大電路所特有的失真。在差分電路中，由于電路結構的不對稱，使兩個三極管對信號的放大倍數不相同而引起的。在乙類互補推挽功率放大電路，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、負半周不對稱造成的。解決方法：采用負反饋，減小環(huán)內的非線性失真。由以上分析可得，放大電路的靜態(tài)工作點Q選得過低，將導致產生截止失真；Q點選得過高，將導致飽和失真；只有Q點選在交流負載線的中央，才可獲得最大不失真輸出電壓幅值，亦可得到放大電路的最大輸出動態(tài)范圍。（5）討論共基放大電路、共集放大電路與共射放大電路在截止和飽和失真方面的不同。電路形式共射極放大電路共集電極放大電路共基極放大電路電路放大系數較大，例如200較大，例如200=<1電壓放大系數較大，例如200=<1較大，例如100功率放大倍數很大，例如20000較大，例如300較大，例如200輸入電阻中等，例如5K較大例如50K較小，例如50輸出電阻較大，例如10K較小，例如100較大，例如5K輸出與輸入電壓相位相反相同相同特點一般用作放大電路的中間級；共射極放大器的集電極跟零電位點之間是輸出端,接負載電阻當前極提供給放大電路同樣大小的信號電壓時，所需提供的電流減小，從而減輕了信號源的負載。高頻特性較好；多用于高頻和寬頻帶電路或恒流源電路中（1）單電源供電的運算放大器電路會出現哪種失真？線性失真 （2）負反饋可解決波形失真，解決的是哪類失真？負反饋解決反饋環(huán)內的非線性失真，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）電阻負載改成大容性負載會出現什么失真？電阻負載改成大容性負載會出現相位失真（6）有哪些方法可以克服電阻負載改成大容性負載出現的失真？引進電壓負反饋、增加放大器的驅動能力，本質是降低放大器輸出電阻。（7）用場效應管組成的放大電路或運算放大器同樣會產生所研究的失真嗎？會的（8）當溫度升高，晶體管組成的電路剛剛產生靜態(tài)工作點漂移，使電路產生某種失真，此時由場效應管組成的電路也同樣失真嗎？為什么？不會，因為場效應管溫度穩(wěn)定性高，基本上是零溫漂點。（9）歸納失真現象，并闡述解決失真的技術。失真現象：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，所有電路相當于一個特定的數學運算，放大電路實現一種幅度變化運算。對于理想的的放大電路，其輸出信號應當如實的反映輸入信號，即他們盡管在幅度上不同，但波形應當是相同的．但是，在實際放大電路中，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，產生了失真．非線性失真是放大器件的工作點進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系而產生的失真．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。當靜態(tài)工作點太低時，導致輸出波形失真，則為截止失真；當靜態(tài)工作點太高時，導致輸出波形失真，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。它的改進方法：飽和失真：使靜態(tài)工作點下移。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（圖8）中，當輸入信號變化時，不足以克服三極管的死區(qū)電壓，三極管不導通電。在正、負半周交替過零處會出現一些失真。它的改進方法：去除失真的原理：我們可以改變靜態(tài)工作點，加大電阻阻值或者加兩個二極管，產生0.7V壓降的靜態(tài)工作點電壓，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，導致電路不對稱使輸出信號的正負半周信號幅度、波形，與輸入信號不一致。它的改進方法：我們可以采用負反饋，減小反饋環(huán)內產生的非線性失真。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、結電容和各種寄生電容，使得它對不同頻率的輸入信號所產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每個電路的討論和方案比較（在實驗過程中遇到的問題包括自擬構思的問題、產生原因、解決方法。）雙向飽和截止失真：我先在multisim上仿真，結果出來，效果很明顯。照著電路圖焊接，示波器上的圖形很不錯。交越失真：因為電路圖有些錯綜交合，第一個焊接的圖雖然很明顯，也沒有像其他方案的圖那樣把三極管燒壞了，所以就重新再焊接了一個，結果很完美。非對稱失真：因為一開始沒有理解非對稱電路的原理，然后查資料，再試著仿真，根據負反饋的原理消除仿真。在multisim里現象很好，但是在實際中，有非對稱的圖形出現，但是消除仿真的時候，需要把電壓調大，不符合實驗的要求。3.3分析研究實驗數據雙向電路：正常波形:50mv,2khz,頂部失真:50mv,2khz.底部失真:50mv.2khz以上三個現象時，R2的值不一樣雙向失真:500mv,2khz交越電路：正常及失真波形：2.5v,2khz非對稱電路：正常及失真波形：50mv,2khz運算放大器：增益帶寬積：50mv，2khz,正常波形：2.5v,2khz頂部失真：2.26v,2khz底部失真：2.03v,2khz雙向失真：5.3v,2khz提高頻率失真：50mv,13khz容行阻抗：150mv,2khz恢復電路：50mv,2khz4總結與體會4.1通過