放大電路失真現(xiàn)象研究12213010

./國家電工電子實驗教學(xué)中心模擬電子技術(shù)實驗報告實驗題目：放大電路的失真研究學(xué)院：電子信息工程學(xué)院專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)生：學(xué)號：任課教師：侯建軍*黃亮2014年5月20日目錄實驗題目：放大電路的失真研究01實驗題目及要求12實驗?zāi)康呐c知識背景2INDEX\e" "\o"S"\z"2052"3實驗過程 23.1選取的實驗電路及輸入輸出波形23.2每個電路的討論和方案比較94總結(jié)與體會155參考文獻(xiàn) 20.1實驗題目及要求〔寫明實驗任務(wù)要求,可復(fù)制題目原文。1、基本部分〔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?！?放大電路輸入是標(biāo)準(zhǔn)正弦波,其輸出波形失真〔頂部、底部、雙向、交越失真,若達(dá)到要求,如何設(shè)計電路,并修改。2、發(fā)揮部分〔1放大電路輸入是標(biāo)準(zhǔn)正弦波,其輸出波形出現(xiàn)不對稱失真?！?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將運放接成任意負(fù)反饋放大器,要求負(fù)載2kΩ,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%,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,保持不失真放大,將純阻抗負(fù)載2kΩ替換為容抗負(fù)載20F,觀察失真的輸出波形。〔5設(shè)計電路,改善發(fā)揮部分〔4的輸出波形失真。3、附加部分〔1設(shè)計一頻率圍在20Hz～20kH語音放大器?！?將各種失真引入語音放大器,觀察、傾聽語音輸出。4、失真研究〔1由單電源供電的運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)。2實驗?zāi)康呐c知識背景2.1實驗?zāi)康摹?掌握失真放大電路的設(shè)計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?！?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?！?具備通過現(xiàn)象分析電路結(jié)構(gòu)特點——提高改善電路的能力。2.2知識點〔1截止失真、飽和失真、雙向失真、交越失真等。〔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?！?克服各種失真的技術(shù)。3實驗過程XE"3實驗過程"XE"實驗過程"3.1選取的實驗電路及輸入輸出波形1、基本部分〔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。電位器位于15%位置分析知道,其增益為：正常放大實驗圖〔2、3、4設(shè)計電路使電路輸出波形頂部、底部、雙向失真,并改進(jìn)。對于射級偏置電路,當(dāng)靜態(tài)工作點太低〔電位器位于15%以下時,導(dǎo)致輸出波形失真,則為截止失真；當(dāng)靜態(tài)工作點太高〔電位器位于55%以上時,導(dǎo)致輸出波形失真,則為飽和失真；當(dāng)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(chǎn)生了雙向失真。頂部失真實驗圖底部失真實驗圖雙向失真實驗圖〔5設(shè)計電路使電路輸出波形交越失真,并改善。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)時使用甲乙類功率放大器。交越失真實驗圖交越失真改善圖2、發(fā)揮部分〔1放大電路輸入是標(biāo)準(zhǔn)正弦波,其輸出波形出現(xiàn)不對稱失真。不對稱失真是因為晶體管等元器件的非線性特性而引起的失真不對稱仿真圖不對稱改善圖不對稱失真電路圖不對稱失真實驗對比圖〔2選擇一運算放大器LM324Na.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(jù)定義來測量,即先測量中頻增益,然后測量帶寬。J2斷開,測出增益帶寬積fT；電路頻率仿真圖及計算過程b.用運放設(shè)計電路實現(xiàn)飽和,截止,雙向失真J2閉合,利用J1和電位器來控制工作點,并產(chǎn)生頂部、底部失真；加大輸入電壓,將產(chǎn)生雙向失真。運放頂部失真〔按下開關(guān)后改變偏置出現(xiàn)底部失真運放雙向失真電路圖〔3將運放接成任意負(fù)反饋放大器,要求負(fù)載2kΩ,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%,觀察輸出波形是否失真。J1接通1k電阻,J2接通2k電阻通過示波器測量,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,保持不失真放大,將純阻抗負(fù)載2kΩ替換為容抗負(fù)載20uF,觀察失真的輸出波形。J1接通100k電阻,J2接通20uf電容通過示波器測量,發(fā)現(xiàn)波形失真。容性負(fù)載失真電路圖〔5設(shè)計電路,改善發(fā)揮部分〔4的輸出波形失真。通過引入負(fù)反饋電路,消除容性負(fù)載失真,如下圖,閉合開關(guān)J3容性負(fù)載失真改善圖3、附加部分〔1設(shè)計一頻率圍在20Hz～20kH語音放大器?！?將各種失真引入語音放大器,觀察、傾聽語音輸出。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(gòu)思的問題、產(chǎn)生原因、解決方法?！?.雙向飽和截止失真的原理分析a、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,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〔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),而在實際應(yīng)用中,我們會遇到各種各樣的信號需要放大,有較強的信號,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〔三極管的輸出特性曲線所示,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。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(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(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：1>.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。2>.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,此時三極管的失真稱為飽和失真?？梢?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(xiàn)飽和失真。3.當(dāng)集電結(jié)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(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,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。圖3-1射級偏置電路解決方法：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?！?通過交越失真設(shè)計,討論產(chǎn)生失真的機理,闡述解決問題的辦法。e.交越失真原理分析失真的機理：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,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Vr.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。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,加大電阻阻值,產(chǎn)生0.7V壓降的靜態(tài)工作點電壓,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通過不對稱失真設(shè)計,討論產(chǎn)生失真的機理,闡述解決問題的辦法。f.不對稱失真失真的機理：不對稱失真是元器件的非線性特性而使輸出信號的正、負(fù)半周不對稱造成的。解決方法：采用負(fù)反饋,減小環(huán)的非線性失真。〔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。NPN型管,截止失真是頂部削平,飽和失真是底部削平,PNP型管,截止是底部削平,飽和頂部削平?！?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(shù)較大,例如200較大,例如200=<1電壓放大系數(shù)較大,例如200=<1較大,例如100功率放大倍數(shù)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(fù)載電阻當(dāng)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(fù)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〔6負(fù)反饋可解決波形失真,解決的是哪類失真？負(fù)反饋解決反饋環(huán)的非線性失真,不能解決反饋環(huán)外的失真?！?雙電源供電的功率放大器改成單電源供電會出現(xiàn)哪種失真？如何使單電源供電的功率放大器不失真？雙電源供電的功率放大器改成單電源供電會出現(xiàn)一部分沒有波形,線性失真?！?由單電源供電的運算放大器組成電路會出現(xiàn)哪種失真？為了消除失真,可以采用電源的中點電壓供電。因為采用電源的中點電壓的話,負(fù)半周的交流信號可以幾乎沒有損耗的被放大。這也就是大家常說的太高交流信號的直流電平。〔9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?！?0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?！?1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?！?2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？會,溫度影響的半導(dǎo)體的特性參數(shù),場效應(yīng)管和晶體管一樣是有半導(dǎo)體制成的。〔13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。〔14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)運算,放大電路實現(xiàn)一種幅度變化運算。對于理想的的放大電路,其輸出信號應(yīng)當(dāng)如實的反映輸入信號,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(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,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)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。4總結(jié)與體會4.1通過本次實驗?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。本次放大電路失真現(xiàn)象研究歷時5周,開始做的第一周是一無所知的。然后開始知道Multisim軟件,并自學(xué)了軟件的使用。接下來的兩周一直通過軟件進(jìn)行所有失真電路的仿真,并且去中發(fā)采購原件。后兩周幾乎是在實驗室度過的,但是由于焊接技術(shù)及對示波器使用不夠了解,出現(xiàn)了很多問題