模电论文放大电路失真现象的研究.docx

放大电路失真现象的研究目录一、 引言.2二、 晶体管放大电路的类型22.1共射极放大电路.22.2共集极放大电路.22.3共基极放大电路.2三、几种类型的失真.33.1非线性失真 .33.1.1饱和失真33.1.2截止失真43.1.3交越失真.43.1.4双向失真.63.2晶体管放大电路非线性失真的因素概括.63.2.1信号源内阻63.2.2放大器接法.63.2.3负反馈.73.2.4多级反相放大.73.3线性失真.7四、总结.8参考文献.9放大电路失真现象的研究张翔翔（北京交通大学 电子信息工程学院 北京 100044）摘要：本文介绍了几类放大电路，然后介绍了几种晶体管放大电路几种类型的失真。并分析了失真产生的原因，又通过具体电路的具体波形非线性失真，介绍了线性失真和非线性失真的区别，着重讲解了减少线性失真和非线性失真的方法和步骤。一、 引言失真的情况在现实生活中随处可见，指的是指一个物体、影像、声音、波形或其他资讯形式其原本形状（或其他特征）的改变现象，而且往往是不希望出现的。在理想的放大器中，输出波形除放大外，应与输入波形完全相同，但实际上，不能做到输出与输入的波形完全一样，这种放大电路中的失真无疑会给工程增加一些麻烦，所以对其失真类型的判断和采取相应的改进措施就显得颇为必要了。放大电路常见的失真分为线性失真和非线性失真，其中非线性失真又包括饱和失真、截止失真和交越失真。二、 晶体管放大电路的类型晶体管放大电路中的关键器件便是晶体管。由NPN型晶体管和PNP型晶体管组成基本放大电路各有3种，即共射极放大电路、共集电极放大电路和共基极放大电路。2.1共射极放大电路图2-1左所示为共射极放大电路的基本结构，从图中可以看到该类电路是将输入信号加到晶体管基极和发射极之间，而输出信号又取自晶体管的集电极和发射极之间，由此可见发射极为输入信号和输出信号的公共接地端，具有这种特点的单元电路便称为共射极放大电路。2.2共集极放大电路图2-1中所示为共集极放大电路的基本结构，从图中可以看到该类电路是将输入信号加到晶体管基极和集电极之间，而输出信号又取自晶体管的集电极和发射极之间，由此可见集电极为输入信号和输出信号的公共接地端，具有这种特点的单元电路便称为共集极放大电路。2.3共基极放大电路图2-1右所示为共集极放大电路的基本结构，从图中可以看到该类电路是将输入信号加到晶体管基极和发射极之间，而输出信号又取自晶体管的集电极和基极之间，由此可见基极为输入信号和输出信号的公共接地端，具有这种特点的单元电路便称为共基极放大电路。图2-1几种放大电路三、 几种类型的失真放大器产生失真的原因主要有2个：放大器件的工作点进入了特性曲线的非线性区，使输入信号和输出信号不再保持线性关系，这样产生的失真称为非线性失真；放大器的频率特性不好，对输入信号中不同频率成分的增益不同或延时不同，这样产生的失真成为线性失真。3.1非线性失真 非线性失真，也叫不对称失真，其产生的主要原因有2个：晶体管等特性的非线性；静态工作等位置设置的不合适或输入信号过大。即放大器件的非线性或者负载的非线性而引起的波形失真。非线性失真的特征是产生新的频率分量，即产生输入信号的单频分量为基波分量的高次谐波分量。一个电路非线性失真的大小，常用非线性失真系数来衡量。的定义为：输出信号中谐波电压幅度与基波电压幅度的百分比。公式表示为：。显然的值越小，电路的性能也就越好。由于放大器件工作在非线性区而产生的非线性失真有3种：饱和失真、截止失真、交越失真。其中饱和失真和截止失真统称为单向削波失真。非线性失真电压(电流)波形的基本特征是一个波头矮胖，另一个瘦长。非线性失真属于柔性失真，可以用若干方法来抑制或补偿。3.1.1饱和失真饱和失真是由于放大电路的工作点达到了三极管的饱和区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为底部失真，如图3-1所示。对于共射极的基本放大电路（图3-7所示），其输入波形正好与输出波形反相，就是相位相差180度，当输入正弦波正的部分时，应该输出负的部分，而当当输入的峰峰值较大的时候，超过了电路的动态范围，就会出现失真。如果是输入信号的正半周超出了动态范围，那么就会进入晶体管的饱和区，造成饱和失真，对应的输出信号由于相位差180度的原因，所以输出信号的负半周的波形失真。总而言之，对于NPN单管共射放大电路，饱和失真就是输入信号的正半波超过了三极管的放大能力，造成失真，对应的输出波形就是输出波形底部失真，即输出时三极管进入饱和区，Q设置过高。因为饱和失真是输出端失真所以解决饱和失真的方法就是调低静态工作电流Ib（增大Rb），减小Rc，减小电流放大系数。减小VBB，增大VCC也可以做到，但是这两种办法对于实际工程过程中不是太合适。图3-1饱和失真3.1.2截止失真由于放大电路的工作点达到了三极管的截止区而引起的非线性失真。对于NPN管，输出电压表现为顶部失真，如图3-2所示。对比饱和失真，依旧对共射极基本放大电路而言，如果输入波形的峰峰值的一半大于VQ，那么当输入的波形是正半周时，快到峰值时，三极管就会处于饱和状态，那么此时的输出就不再随输入变化了，即输出得到的负半周正弦波波形就没有谷底了，出现了饱和失真。反之，当输入的波形是负半周时，快到谷值时，三极管就会处于截止状态，那么此时的输出就不再随输入变化了，出现了截止失真，即输出得到的正半周正弦波波形就没有峰值了，我们称之为截止失真。Q点设置过低造成，截止失真属于输入端首先失真，所以只能从输入端解决。解决方法有增大VBB，减小输入端电阻Rb。3-2截止失真3.1.3交越失真在分析电路时把三级管的导通电压看作零，当输入电压较低时，因三极管截止而产生的失真称为交越失真，这种失真通常出现在通过零值处。如图3-3所示。与饱和失真和截止失真不一样，由于晶体管的门限电压不为零，比如一般的硅三极管，NPN型在0。7V以上才导通，这样在00。7就存在死区，不能完全模拟出输入信号波形，PNP型小于-0。7V才导通，比如当输入的交流的正弦波时，在-0。70。7之间两个管子都不能导通，输出波形对输入波形来说这就存在失真，即为交越失真，交越失真出现在乙类放大电路，甲类放大电路失真最小但是效率较低10%左右，乙类有交越失真但是其效率高，所以出现了甲乙类放大电路，比甲类效率高，比乙类失真小。与一般放大电路相同，消除交越失真的方法是设置合适的静态工作点，避开死区电压区，使每一晶体管处于微导通状态，一旦加入输入信号，使其马上进入线性工作区，这样既可改进交越失真。 另外，提供给晶体管静态偏置使其微导通有三种途径：（1）利用二极管和电阻的压降产生偏置电压；（2）利用VBE扩大电路产生偏置电压（3）利用电阻上的压降产生偏置电压。图3-4所示为产生交越失真的电路，图3-5所示为消除交越失真的电路。图3-3 交越失真图3-4产生交越失真的电路图3-5消除交越失真的电路3.1.4双向失真有一种情况，即使Q点合适，三极管有截止状态也有饱和状态，能使三极管向上达到饱和，向下截止，即既有饱和失真又有截止失真，这种失真叫双向失真，其产生原因就是因为输入信号过大。图3-6双向失真图3-7共射极放大电路3.2晶体管放大电路非线性失真的因素概括3.2.1信号源内阻在共射(CE)、共集(CC)和共基(CB)三种基本放大器中，信号源内阻rs都有利于抑制管子的非线性。3.2.2放大器接法从基本共基放大器源电压放大倍数计算公式：可看出，CB放大器中rbe的非线性作用只有cE放大器的1。若=100，则信号源内阻相同时，CB放大器输出电压的非线性只有CE放大器的1。所以说CB放大器不仅具有频带宽的长处，而且线性会好。从射极输出器源电压放大倍数计算公式：可看出CC放大器中rbe非线性不仅受到r。的抑制，而且受到负反馈等效电阻R 的抑制，CC放大器线性更好。3.2.3负反馈负反馈对射极输出器非线性的抑制作用已经讨论，从分压偏置共射放大器源电压放大倍数计算公式：可看出，该放大器中rbe的非线性不仅受到r。的抑制，而且受到负反馈等效电阻Rel的抑制，其线性较好。3.2.4多级反相放大首先以两级反相放大分析。一放输入信号纯正弦，输出上矮胖下瘦长波形作为二放输入。矮胖的上半波在二放中得到较多放大，瘦长的下半波得到较少放大，非线性失真明显压低，线性度自然得到补偿和提高。晶体管放大器谐波失真分为削波失真和非线性失真。设置工作点避免单向削波失真，使放大器输出范围最大，为纠正非线性失真打下基础。抑制非线性失真应在不考虑削波失真的条件下进行，设置工作点应在不考虑非线性失真的条件下进行。不考虑非线性失真时放大器各处信号电压都是正弦波。人们提取正弦电压幅度很正常，使用三角函数工具进行偏置分析计算也很自然。信号源内阻、负反馈及迭次反相放大都能减小非线性失真，改善放大器线性。信号源内阻及负反馈基于抑制管子非线性的机理去减少放大器输出电压的非线性失真，迭次反相放大基于补偿机制去减少放大器输出电压的非线性失真。比较看，信号源内阻及负反馈只是有利于尽可能忠实地放大信号，对输入信号的非线性失真无能为力，而且负反馈会压低增益，大环路负反馈还可能加剧互调失真，因此负反馈深度不宜过大，而理论上负反馈就不能彻底抑制非线性失真。迭次反相放大不用任何代价就能补偿输入信号的非线性失真，且有可能补偿到零。总之，负反馈只能在一定程度上抑制管子的非线性失真，而迭次反相放大能获得极佳的高保真效果。不宜以晶体管非线性衡量放大器的非线性，也不宜以某一级放大器的非线性来衡量多级放大器的非线性。设计放大器，不要纠结某一级的非线性失真，更不要纠结管子的非线性失真，而应着眼于全局，灵活运用信号源内阻、负反馈及多级反相放大等措施，将末级的非线性失真度THD压低到最小数值，设计出优秀的放大器。3.3线性失真由于放大电路中有隔直流电容、射极旁路电容、结电容和各种寄生电容，使得它对不同频率的输入信号所产生的增益及相移是不同的这样，当输入信号是非正弦波时，即使电路工作在线性区，也会产生失真。换句话说，通常放大器的输入信号是多频信号，如果放大电路对信号的不同频率分量具有不同的增益幅值或者相对相移发生变化，就使输出波形发生失真，前者称为幅度失真，后者称为相位失真，两者统称频率失真。频率失真是由电路的线性电抗元件引起的，故称线性失真，其特征是输出信号中不产生输入信号没有的新的频率分量。所有的放大器，在理论上都不可能成为无失真传输系统。放大器，如果忽略低频截止频率的影响（因为高频截止频率往往远远低频截止频率）为一低通滤波器。如果不忽略低频截止频率影响（因为低频对音频来说很重要），则为一带通滤波器。由于晶体管为一电阻电容的混合参数所构成的器件（如各种形式参数模型所反应），由于电容的容抗中含有频率参数，不同的频率对应于不同的容抗，所以放大器不可能做到对其通频带内的所有信号放大倍数为常数。根据傅立叶分析的基本理论，任何一周期信号都可以分解为其直流分量，基波分量和个次谐波分量的加权。所谓谐波，就是频率为基波整数倍的余弦信号。若为基波的N倍，即称为N次谐波。可见，如果一个系统对不同频率分量的放大倍数不同，那么对不同的谐波分量将有不同的放大倍数。当一个信号通过系统之后，各谐波分量的幅度发生了改变，加权后将不能真实反应原信号。这样产生的失真，既为幅度失真。再者，从相位的角度来考虑，如果原信号的各次谐波通过这个系统，产生了不同的相移（表现在时域既为不同的延迟），则系统输出的各次谐波加权之后，也不能真实反应原信号，这样产生的失真，既为相位失真。这两种失真，仅仅是各次谐波的幅度、相位产生了变化，但系统并没有产生新的谐波频率，所以称为线性失真。降低线性失真的方法，可以展宽放大器的通频带，使其在工作频率内（如音频为20HZ-20KHZ）近似满足无失真传输条件。但是，受晶体管特性影响（如截止频率Ft）无限制展宽通频带是不可能的，而且在展宽通频带的同时，会带来其它弊端，尤其是会引入噪声。如热噪等，其都和频带宽度相关。这就涉及到展宽同频带的方法来达到降低线性失真的目的，展宽同频带可有以下办法：采用负反馈，但要牺牲增益；采用共基放大器；把普通晶体管换成高频晶体管；增加耦合电容容量，尤其对降低下限频率、展宽频带下限有效。线性失真与非线性失真的区别在于产生原因不同和产生结果的不同，线性失真是由于电路中存在线性元件，其阻抗随频率不同而不同，从而导致放大器对不同频率信号分量的放大倍数与延迟时间不同而引起的，而非线性失真是由于电路中存在非线性元件或进入非线性区域而引起的；线性失真可能使不同频率信号分量的大小及相对时间关系发生变化，但决不会产生输入信号所没有的新的频率成分。而非线牲失真的主要特征是产生了输入信号所没有的新的频率成分。四、 总结口口相传的话语会有音准的区别、货物运输过程中也避免不了磕磕碰碰。同样，在放大电路的信号传输方面也可能会出现失真的现象。不同的电路、不同的输入将会导致不同类型的失真，非线性输入失真包含有电流失真和电压失真，控制这一方面的失真需要从源头入手，合适的输入造成的失真损失会较小。 综上，本文对非线性失真中的饱和失真、截止失真、双向失真和交越失真做了详细的讲述，对其产生原因和解除方法都做了相关的分析，指出了降低非线性失真可以通过改变信号源内阻、电路接法的改变和引入负反馈来解决。此外，对线性失真也做了详细的分析，指出了其产生原因和解除方法，减少线性失真的方法主要通过展宽同频带来实现，进而对如何展宽同频带也做了相应的解释。这次的模电研讨的过程我觉的是自主学习的一次重要