北京交通大學-模電實驗-放大電路的失真研究

1、國家電工電子實驗教學中心國家電工電子實驗教學中心模擬電子技術(shù)模擬電子技術(shù)實實 驗驗 報報 告告實驗題目實驗題目： 放大電路的失真研究放大電路的失真研究 學學 院：院：電子信息工程學院專專 業(yè)：業(yè)：通信工程學生姓名：學生姓名：學學 號：號：任課教師：任課教師：白雙 佟毅 2014 年年 5 月月 27 日日目目 錄錄1 實驗題目及要求實驗題目及要求.21.1 基本要求.21.2 發(fā)揮部分.31.3 附加部分.32 實驗目的與知識背景實驗目的與知識背景.42.1 實驗目的 .42.2 知識點.43 實驗過程實驗過程.43.1 選取的實驗電路及輸入輸出波形.43.1.1共射放大電路（不失真、截止失真

2、、飽和失真、雙向失真）.43.1.2乙類功率放大電路及甲乙類互補推挽功率放大電路（交越失真及其消除）.83.1.3差分放大電路（不對稱失真及其消除）.93.1.4 運算放大電路（測量增益帶寬積，頻率失真及改善）.113.1.5語音放大器（輸出語音信號，加入失真）.143.2 每個電路的討論和方案比較.143.2.1共射放大電路（不失真、截止失真、飽和失真、雙向失真）.143.2.2乙類功率放大電路及甲乙類互補推挽功率放大電路（交越失真及其消除）.143.2.3 運算放大電路（測量增益帶寬積，頻率失真及改善）.153.3 分析研究實驗數(shù)據(jù).153.3.1截止、飽和、雙向失真的原理.153.3.2

3、交越失真的原理.173.3.3不對稱失真的原理.173.3.4失真分析.174 總結(jié)與體會總結(jié)與體會.184.1 通過本次實驗那些能力得到提高，那些解決的問題印象深刻，有那些創(chuàng)新點。.184.2 對本課程的意見與建議.185 參考文獻參考文獻.191 實驗題目及要求（寫明實驗任務要求，可復制題目原文。 ）電路輸出波形失真引起信號不能正確的傳輸，解決失真問題是電路設計工程師面對的一個重要問題。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(chǎn)生的諧波失真和不對稱失真等。本實驗要求設計并焊接電路，產(chǎn)生各種失真并討論消除失真的

4、辦法。1.1 基本要求（1）輸入一標準正弦波，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準正弦波，其輸出波形失真。設計電路并改進。討論產(chǎn)生失真的機理，闡述解決問題的辦法。（3）下圖放大電路輸入是標準正弦波，其輸出波形失真。設計電路并改進。討論產(chǎn)生失真的機理，闡述解決問題的辦法。思考：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。（4）下圖放大電路輸入是標準正弦波，其輸出波形失真。設計電路并改進。討論產(chǎn)生失真的機理，闡述解決問題的辦法。思考： 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

5、的不同。（5）下圖放大電路輸入是標準正弦波，其輸出波形失真。設計電路并改進。討論產(chǎn)生失真的機理，闡述解決問題的辦法。1.2 發(fā)揮部分（1）下圖放大電路輸入是標準正弦波，其輸出波形失真。設計電路并改進。討論產(chǎn)生失真的機理，闡述解決問題的辦法。（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） 將運放接成任意負反饋放大器，要求負載 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%，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

6、大，將純阻抗負載 2k 替換為容抗負載 20F，觀察失真的輸出波形。（5） 設計電路，改善發(fā)揮部分（4）的輸出波形失真。1.3 附加部分（1）設計一頻率范圍在 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。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(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)特點提高改善電路的能力。2.2 知識點（1）三極管的輸入輸出特性曲線、三極管靜態(tài)工作點的計算及其對放大電路的影響。（2）截止失真、飽和

7、失真、雙向失真、交越失真及不對稱失真產(chǎn)生的原理及其消除辦法。（3）射極偏置電路、乙類功率放大電路、甲乙類互補推挽功率放大電路、差分放大電路及電壓串聯(lián)負反饋電路的特點及其可能產(chǎn)生的失真。（4）增益帶寬積的測量。頻率失真產(chǎn)生的原理及其消除辦法。（5）語音放大器的設計及制作。3 實驗過程3.1 選取的實驗電路及輸入輸出波形3.1.1 共射放大電路（不失真、截止失真、飽和失真、雙向失真）共射放大電路（不失真、截止失真、飽和失真、雙向失真）實驗電路及仿真波形如下圖。其中輸入信號幅值為 50mV，頻率為 2KHz。上波形為輸入波形，下波形為輸出波形。此時輸出波形不失真，電位器的電阻大小為 50%。調(diào)節(jié)電位

8、器使電阻減小為 23%，可以觀察到底部失真。電路中使用的三極管為 NPN型，則底部失真又叫飽和失真。飽和失真的仿真波形如圖。調(diào)節(jié)電位器使電阻增大為 65%，可以觀察到頂部失真。電路中使用的三極管為 NPN 型，則頂部失真又叫截止失真。截止失真的仿真波形如圖。 將輸入信號幅值增大到為 500mV，頻率仍為 2KHz。可以觀察到雙向失真。此時電位器的電阻大小為 50%。仿真波形如圖。實驗得到的示波器波形如圖。正常波形。飽和失真。截止失真。雙向失真。3.1.2 乙類功率放大電路及甲乙類互補推挽功率放大電路（交越失真及其消除）乙類功率放大電路及甲乙類互補推挽功率放大電路（交越失真及其消除）實驗電路如下

9、圖。其中輸入信號幅度為 2.5V，頻率為 2KHz。當開關(guān)閉合時，電路為乙類功率放大電路，產(chǎn)生交越失真。仿真波形及實驗波形如下圖。當開關(guān)斷開時，電路為甲乙類互補推挽功率放大電路，會消除乙類功率放大電路產(chǎn)生的交越失真，輸出正常波形。仿真波形及實驗波形如下圖。3.1.3 差分放大電路（不對稱失真及其消除）差分放大電路（不對稱失真及其消除）實驗電路如下圖。其中輸入信號幅度為 50mV，頻率為 2KHz。當開關(guān)斷開時，電路會產(chǎn)生不對稱失真，輸出上下峰值不等的不對稱正弦波形。仿真波形波形如下圖。可以看出，紅色的輸出波形產(chǎn)生了上下不對稱的失真。實驗波形如下圖。當開關(guān)閉合時，電路中加入了電壓串聯(lián)負反饋，消除

10、了之前產(chǎn)生的不對稱失真，輸出了正常波形。仿真波形波形如下圖?？梢钥闯觯t色輸出波形是上下對稱的。實驗波形如下圖。3.1.4 運算放大電路（測量增益帶寬積，頻率失真及改善）運算放大電路（測量增益帶寬積，頻率失真及改善）實驗電路如下圖。其中輸入信號幅度為 50mV，頻率為 2KHz。當開關(guān) J2 接在 R5 端時，輸出峰峰值約為 10V 的不失真正弦波。如圖。此時中頻增益為：10050210mVVUUAioU將頻率逐漸調(diào)大，直至增益約下降-3dB，即輸出信號的電壓峰峰值下降到 7.07V 時，記錄此時輸入信號的頻率 fT，則電路的增益帶寬積為：下上f-fAGBU式中 f上即為截止頻率 fT，因運算

11、放大器的 f下太小，視為 f下=0。當輸入信號的頻率調(diào)節(jié)到 10kHz 時，輸出波形如下圖，此時電壓峰峰值約為 7V，則此電路的增益帶寬積約為： HzMkGB1010100另外，調(diào)節(jié)輸入信號的頻率，可以明顯地看到輸出波形的峰峰值會隨著輸入信號頻率的增大而減小。這就是頻率失真中的幅度失真。當開關(guān) J2 接在 C1 端時，輸出波形產(chǎn)生明顯的失真，即頻率失真中的相位失真。如圖。實驗波形如圖。再將開關(guān) J1 接到 R2 端，調(diào)整負反饋，可以改善容性負載失真。如圖。3.1.5 語音放大器（輸出語音信號，加入失真）語音放大器（輸出語音信號，加入失真）語音放大器喇叭發(fā)聲部分實驗電路如圖。整個語音放大器分為四

12、個部分，分別是前置放大、驅(qū)動、濾波和發(fā)聲電路，其中前置放大電路可以使用前面制作的射級放大電路或運算放大電路，驅(qū)動電路為甲乙類互補推挽功率放大電路，濾波為喇叭前面的 RC 濾波，最后接上喇叭就可以實現(xiàn)語音放大器，并加入飽和、截止、雙向、交越等失真。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(gòu)思的問題、產(chǎn)生原因、解決方法。 ）3.2.1 共射放大電路（不失真、截止失真、飽和失真、雙向失真）共射放大電路（不失真、截止失真、飽和失真、雙向失真）這是實驗的第一個電路，調(diào)試時我對示波器的使用還不太熟悉，給調(diào)試帶來了許多問題。實驗需要的輸入信號為 50mV，電壓比較小，而示波器的帶寬比

13、較大，所以對小信號的噪聲也比較多，導致前幾次測量都沒能調(diào)試出正確的波形，基本上全是雜波。后來我通過查找資料，知道了小信號情況下示波器的調(diào)節(jié)技巧。例如使用平均模式、高分辨率模式、交流 AC 等等，解決了調(diào)試時遇到的難題，也為后面的調(diào)試和測量打下基礎(chǔ)。3.2.2 乙類功率放大電路及甲乙類互補推挽功率放大電路（交越失真及其消除）乙類功率放大電路及甲乙類互補推挽功率放大電路（交越失真及其消除）剛開始設計電路的時候，我直接在兩個三極管的 C 極分別接上了正負 12V 的直流電壓，如下圖。因為沒有考慮到三極管的工作電流比較小，在調(diào)試時一接上直流電源，三極管就冒出一陣青煙，燒毀了。我仔細檢查電路才發(fā)現(xiàn)原來三

14、極管 C 極沒有加上 Rc 電阻，導致三極管工作電流太大燒毀了。我修改了電路并重新進行電路仿真，更換了新的三極管，正確地完成了實驗。3.2.3 運算放大電路（測量增益帶寬積，頻率失真及改善）運算放大電路（測量增益帶寬積，頻率失真及改善）實際測量增益帶寬積時，測量值會比理論值略小一些。我測量到的增益帶寬積是9kHz，而理論值是 1MHz。原因可能是在計算增益及帶寬時都是近似取整，并沒有精確計算，但這樣的誤差在允許范圍之內(nèi)。3.3 分析研究實驗數(shù)據(jù)（各種失真對應的電路參數(shù)及測量數(shù)據(jù)與不失真電路的參數(shù)測量數(shù)據(jù)的比較分析）3.3.1 截止、飽和、雙向失真的原理截止、飽和、雙向失真的原理產(chǎn)生截止失真原因

15、：靜態(tài)工作點設置過低。消除方法：減小 Rb，增大 IBQ，提高 Q 點。NPN 管構(gòu)成的放大電路出現(xiàn)截止失真時是頂部失真，而 PNP 管組成的放大電路出現(xiàn)截止失真時是底部失真。截止失真在三極管輸出曲線上的體現(xiàn)如下圖。產(chǎn)生飽和失真原因：工作點設置過高。消除方法：增大 Rb，減小 IBQ，降低 Q 點。NPN 管構(gòu)成的放大電路出現(xiàn)飽和失真時是底部失真，而 PNP 管組成的放大電路出現(xiàn)飽和失真時是頂部失真。飽和失真在三極管輸出曲線上的體現(xiàn)如下圖。產(chǎn)生雙向失真原因：輸入信號過大，使三極管同時進入飽和區(qū)和截止區(qū)。消除方法：工作點 Q 要設置在輸出特性曲線放大區(qū)的中間部位，減小輸入的信號，選擇一個合理的輸

16、入信號，使之正好工作在放大區(qū)域內(nèi)。另外，共射、共集、共基組態(tài)放大電路的區(qū)別如下表所示。3.3.2 交越失真的原理交越失真的原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，由兩只晶體管分別在輸入信號的正、負半周導通，對正、負半周信號進行放大。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 Ube較小時是彎曲的，晶體管基本上不導通，即存在死區(qū)電壓 Vr。當輸入信號電壓小于死區(qū)電壓時， 兩只晶體管基本上都不導通。這樣，當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. 這種失真是由于兩只晶體管在交替工作時“交接”不

17、好而產(chǎn)生的,稱為交越失真。如下圖。 共射組態(tài)共集組態(tài)共基組態(tài)表達式(1+) A i數(shù)值較大較大=1表達式 Rcrbe(1+) Rerbe +(1+)ReRcrbe A u數(shù)值較大=1較大表達式rbe/RbRb/rbe +(1+) Re rbe(1+)/Re r i 數(shù)值中等較大較小表達式Rcrbe+Re(1+)/ReRe r o數(shù)值中等較小較大特點及用途特點：（1）具有電流和電壓放大作用；（2）輸出電壓與輸入電壓反相；（3）輸入電阻、輸出電阻適中。用途：應用廣泛。特點：（1）具有電流放大作用，無電壓放大作用；（2）輸出電壓與輸入電壓同相，且為 UoUi；（3）輸入電阻高、輸出電阻低。用途：可用

18、作輸入級、輸出級以及起隔離作用的中間級特點：（1）無電流放大作用，有電壓放大作用；（2）輸出電壓與輸入電壓同相；（3）輸入電阻低、輸出電阻高。用途：用于寬頻帶放大或作為恒流源。解決交越失真的辦法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)偏置電流不應太大。 這樣就把乙類功率放大器變成了經(jīng)常使用的甲乙類互補推挽功率放大器。3.3.3 不對稱失真的原理不對稱失真的原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(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。在乙類互補推挽功率放大電路，它是由于推

19、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。不對稱失真的解決辦法是加入負反饋。通過負反饋會形成與新的不對稱失真信號，此信號恰好與原輸出失真信號正負半周的幅度值相反，進行疊加后能夠減弱不對稱失真。3.3.4 失真分析失真分析（1）由單電源供電的運算放大器電路會出現(xiàn)哪種失真？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。（2）負反饋可解決波形失真，解決的是哪類失真？負反饋可以解決環(huán)內(nèi)的非線性失真。（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

20、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？頻率失真。其中包括相位失真和幅度失真。（5）電阻負載改成大容性負載會出現(xiàn)什么失真？會出現(xiàn)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(xiàn)的失真？可以在電路中加入負反饋，也可以使用相位補償法。4 總結(jié)與體會4.1 通過本次實驗那些能力得到提高，那些解決的問題印象深刻，有那些創(chuàng)新點。本次實驗對基本放大電路的失真及其改善進行了比較深入的研究，使我更深入地了解了三極管、運算放大器及其組成的放大電路的相關(guān)知識。雖然我們在模擬電子技術(shù)課程上都系統(tǒng)地學習過這些知識，但是紙上學來終覺淺，絕知此事要躬行。親自動手設計、焊接、調(diào)試電路

21、時遇到的各種問題是書本上沒有的，這就需要活用書上的知識自己解決遇到的問題。另外，這次實驗也讓我體會到了理論和現(xiàn)實的差距。本以為只要做好仿真，按照電路圖焊接，就可以得到想要的結(jié)果?？墒窃趯嶋H操作的過程中，總是遇到很多的問題，例如買到的元件和仿真用的不一樣、焊接出錯等等。有時候就算電路焊接正確，也不一定能調(diào)出波形；有時候就算上一次能調(diào)出來，下一次就不一定了。這些各種各樣的問題一直伴隨著我的實驗。最后發(fā)現(xiàn)其實所有的問題都來自于我不穩(wěn)定的電路，在不斷地修改和調(diào)試下，我的板子也算是基本完工。雖然這次模電實驗耗費了我很多的時間和精力，但是付出與收獲基本是成正比的，在這三周的忙碌中，我對放大電路的失真確實是

22、了解透徹并且印象深刻，動手能力也得到了提高。這才是工科課程應該達到的效果。4.2 對本課程的意見與建議據(jù)說今年的模電實驗相對于去年來說做了許多改動，把之前的一周一課改成了完全自主的模式，這樣雖然可以鍛煉我們的獨立思考及查找資料的能力，但是沒有經(jīng)過系統(tǒng)地培訓的我們基本都是參考往年的學長的報告，或者在圖書館借幾本模電實驗書。老師只在第一堂課上簡單介紹了實驗的要求，而沒有詳細的資料。比如語音放大器，我在制作之前完全不知道它還需要四個組成部分。所以我認為，今后的模電實驗應該多上幾節(jié)課，讓大家對模電實驗有一個系統(tǒng)的了解。另外，實物制作的時間也可以縮短一些，一個月的時間其實太長了，真正在做的時間也只有兩周，時間拖得太久效果反而不好了。還有就是實驗室的使用和管理問題。臨近驗收的時候是夏天，很多同學都在