模电实验报告

国家电工电子实验教学中心模拟电子技术实 验 报 告实验题目： 放大电路的失真研究 学院:电子信息工程学院 专业：电子科学与技术 2015 年 6 月 7 日目 录模拟电子技术课程实验设计1.设计题目及实验要求2.实验目的及知识背景 2.1饱和失真与截止失真2.1.1截止失真2.1.2饱和失真2.2 双向失真2.3 交越失真2.4 不对称失真2.5 增益带宽积2.6 容性负载2.7 语音放大3实验过程3.1截止、饱和、双向失真电路3.2交越失真电路3.3不对称失真电路3.4 增益带宽积3.5 容性负载3.6 语音放大3.7 失真研究4总结与体会5参考文献 1 实验题目及要求基本要求（1）输入一标准正弦波，频率2kHz，幅度50mV，输出正弦波频率2kHz，幅度1V。 0.5Vtuo0.5ms正弦波与常见失真波形如下： 正常波形 顶部失真 底部失真 双向失真 交越失真 非对称失真（2）下图放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真。50mVtui0.5ms放大电路tuo设计电路并改进。讨论产生失真的机理，阐述解决问题的办法。（3）下图放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真。50mVtui0.5ms放大电路tuo0.5ms1、设计电路并改进。2、讨论产生失真的机理，阐述解决问题的办法。思考：npn型组成的共射放大电路和pnp型组成的共射放大电路在截止和饱和失真方面的不同。（4）下图放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真。50mVtui0.5ms放大电路tuo0.5ms1、设计电路并改进。2、讨论产生失真的机理，阐述解决问题的办法。思考： 共基放大电路、共集放大电路与共射放大电路在截止和饱和失真方面的不同。（5）下图放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真。设计电路并改进。讨论产生失真的机理，阐述解决问题的办法。思考：双电源供电的功率放大器改成单电源供电会出现哪种失真？如何使单电源供电的功率放大器不失真？2、发挥部分（1）下图放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真。设计电路并改进。讨论产生失真的机理，阐述解决问题的办法。（2） 任意选择一运算放大器，测出增益带宽积fT。并重新完成前面基本要求和发挥部分的工作。（3）将运放接成任意负反馈放大器，要求负载2k,放大倍数为1，将振荡频率提高至fT的95%，观察输出波形是否失真，若将振荡器频率提高至fT的110%，观察输出波形是否失真。（4）放大倍数保持100，振荡频率提高至fT的95%或更高一点，保持不失真放大，将纯阻抗负载2k替换为容抗负载20mF，观察失真的输出波形。（5） 设计电路，改善发挥部分（4）的输出波形失真。3附加部分（1）设计一频率范围在20Hz20kHz语音放大器。（2）将各种失真引入语音放大器，观察、倾听语音输出。4. 失真研究（1）由单电源供电的运算放大器电路会出现哪种失真？（2）负反馈可解决波形失真，解决的是哪类失真？（3）测量增益带宽积fT有哪些方法？（4）提高频率后若失真，属于哪类失真？（5）电阻负载改成大容性负载会出现什么失真？（6）有哪些方法可以克服电阻负载改成大容性负载出现的失真？2 实验目的与知识背景2.1 实验目的1）掌握失真放大电路的设计和解决电路的失真问题提高系统地构思问题和解决问题的能力。2）掌握消除放大电路各种失真技术系统地归纳模拟电子技术中失真现象。3）具备通过现象分析2.2 知识点1）非线性失真原理介绍失真现象：一个理想的放大器，其输出信号应当如实的反映输入信号，即他们尽管在幅度上不同，时间上也可能有延迟，但波形应当是相同的但是，在实际放大器中，由于种种原因，输入信号不可能与输入信号的波形完全相同，这种现象叫做失真非线性失真：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。非线性失真产生的主要原因：（1）晶体管等特性的非线性；（2）静态工作等位置设置的不合适或输入信号过大。由于放大器件工作在非线性区而产生的非线性失真有5种：饱和失真、截止失真、双向失真、交越失真和不对称失真。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。饱和失真与截止失真当放大器的工作点选的太低,或太高时,放大器将不能对输入信号实施正常的放大。如右图：三极管工作区域划分 如下图：输入、输出波形关系图例 2.1.1截止失真图3-1-1所示为工作点太低的情况,由图可见,当工作点太低时,放大器能对输入的正半周信号实施正常的放大,而当输入信号为负半周时,因将小于三极管的开启电压,三极管将进入截止区,ib=0,ic=0,输出电压u0=uCE=Vcc将不随输入信号而变化,产生输出波形的失真。 这种失真是因工作点取的太低,输入负半周信号时,三极管进入截止区而产生的失真,所以称为截止失真。2.1.2饱和失真图3-1-2所示为工作点太高的情况,由图可见,当工作点太高时,放大器能对输入的负半周信号实施正常的放大,而当输入信号为正半周时,因 太大了,使三极管进入饱和区,ic=ib的关系将不成立,输出电流将不随输入电流而变化,输出电压也不随输入信号而变化,产生输出波形的失真。这种失真是因工作点取的太高,输入正半周信号时,三极管进入饱和区而产生的失真,所以称为饱和失真。2.2 双向失真工作点偏 高,输出波形易产生饱和失真;工作点偏低,输出波形易产生截止失真。但当输入信号过大 时,管子将工作在非线性区,输出波形会产生双向失真。此时静态工作点合适，但输入波形的幅度超过了直流的最大幅度，当输出信号过大时可能会出现饱和失真与截止失真一块儿出现的失真现象，称之为双向失真。即出现如图3-2所示的波形。2.3交越失真交越失真是乙类推挽放大器所特有的失真。在推挽放大器中，由两只晶体管分别在输入信号的正、负半周导通，对正、负半周信号进行放大。而乙类放大器的特点是不给晶体管建立静态偏置，使其导通的时间恰好为信号的半个周期。但是，由于晶体管的输入特性曲线在Ube较小时是弯曲的，晶体管基本上不导通，即存在死区电压V r。当输入信号电压小于死区电压时， 两只晶体管基本上都不导通。这样，当输入信号为正弦波时，输出信号将不再是正弦波，即产生了失真. 这种失真是由于两只晶体管在交替工作时“交接”不好而产生的,称为交越失真. 如图3-3所示，此即为交越失真波形。2.4 不对称失真不对称失真也是推挽放大器所特有的失真。它是由于推挽管特性不对称,而使输入信号的正、负半周不对称。消除这种失真的办法是选用特性对称的推挽管. 尤其是在O TL 与OCL 电路中,互补管应选用同一种材料的, 就是说都选用锗管,或者都选用硅管,以保证其输入特性的对称。如图3-4所示为一甲乙类推挽放大器，当开关K在右边时该放大器的推挽管推挽特性完全对称，此时输入与输出无失真。当开关K在左边时，晶体管T1串联了一个电阻R0，相当于T1的基射极阻抗增加了R0，若将T1,R0整体看做一个晶体管，则此时T1，T2的推挽特性不再对称，输出图3-4-1正负半周幅度不同的失真信号，此即为不对称失真的波形。 图3-4-1非对称失真2.5增益带宽积增益带宽积是用来简单衡量放大器的性能的一个参数。就像它的名字一样，这个参数表示增益和带宽的乘积。在频率足够大的时候，增益带宽积是一个常数。假设运算放大器的增益带宽积为1 MHz，它意味着当频率为1 Mhz时，器件的增益下降到单位增益。即此时A=1。同时说明这个放大器最高可以以1 MHz的频率工作而不至于使输入信号失真。由于增益与频率的乘积是确定的，因此当同一器件需要得到10倍增益时，它最高只能够以100 kHz的频率工作。2.6容性负载一般把带电容参数的负载，即符合电压滞后电流特性的负载称为容性负载。充放电时，电压不能突变。其对应的功率因数为负值。对应的感性负载的功率因数为正值。电路中类似电容的负载，可以使电流超前电压降低电路功率因数在高频领域,是指负载虚部为负值的负载。容性负载：和电源相比，负载电流超前负载电压一个相位差，此时负载为容性负载（如补偿电容负载）。一般电源控制类产品，所给出的负载，如未加说明则是给出的是视在功率，即总容量功率；它既包括有功功率，也包括无功功率；而一般感性负载说明中给出的往往是有功功率的大小，例如荧光灯，标注为1540瓦的荧光灯，镇流器消耗功率约为8瓦，实际在考虑用定时器，感应开关在控制它时，则要加上这8瓦；具体不同的产品感性部分，即无功功率的大小，可以通过其给出的功率因数来计算。混联电路中，若容抗比感抗大,电路呈容性，反之为感性。通常的用电器中并没有纯感性负载和纯容性负载。因为这两种负载不做有用功。只有在补偿电路中才使用纯感性负载或纯容性负载。又因为绝大多数负载除阻性外，多数为感性负载，因此补偿的时候多数就用电容来补偿，所以，纯容性负载用得比纯感性负载多。如电动机，变压器等等，通常为感性负载。部分日光灯为容性负载。2.7语音放大利用运放实现语音放大。3 实验过程3.1 选取的实验电路及输入输出波形3.1 饱和、截止、双向失真电路电路图：通过对输入电压和滑动变阻器的调整实现上述失真3.1.1正常正弦波放大：输入输出3.1.2饱和失真输入将电位器滑动到30%，输入同上输出3.1.3截止失真输入将电位器滑动到70%，输入同上输出3.1.4双向失真输入输出上述解决失真的办法：调节电位器，变化静态工作点，使得图像不失真3.2交越失真电路波形为交越失真，我们可以采用乙类功率放大器，改进时使用甲乙类功率放大器。电路图：输入：输出：打开开关改进后的输出：3.3非对称失真电路电路图：输入：输出：改进方法：加入反馈输出：3.4增益带宽积电路图：先打开S2，测量增益带宽积输入：输出：fT = 1*185kHz = 185k输入信号改为10kHz，1V关闭S2，S1打到下方，调节电位器到5%，出现底部失真S1打到上方，调节电位器到5%，出现顶部失真更改VCC和VEE的值（正负3V左右），出现双向失真3.5容性负载电路图：输入：输出：改善输出(滑动电位器使阻止变大)：3.2 每个电路的讨论和方案比较双向饱和截止失真的原理分析a、截止失真原理分析由二极管的伏安特性曲线可知，只有加到发射结上的电压高于 （开启电压，硅管为0.7；锗管为0.3）时，发射结才有电流通过，而当发射结被加反向电压时（只要不超过其反向击穿电压），只有很小的反向电流通过，我们认为这种情况下三极管处于截止状态，而在实际应用中，我们会遇到各种各样的信号需要放大，有较强的信号，有较弱的信号，也有反向的信号，根据PN结的特性，当加到发射结上的信号为较弱的信号（小于开启电压），或者是反向信号时，发射结是截止的，三极管不能起到放大的作用，输出的信号，也会出现严重的失真，此种失真称为截止失真。如图（三极管的输出特性曲线）所示，此时，晶体三极管工作在三极管输出特性曲线的截止区，呈现截止失真现象。 图 三极管的输出特性曲线 b、饱和失真原理分析 我们知道，当三极管的发射结被加正向电压且（开启电压）时，三极管的发射结有电流通过。发射区通过扩散运动向基区发射电子，形成发射极电流；其中一小部分与基区的空穴复合，形成基极电流，又由于集电极加反向电压，所以从发射极出来的大部分电子在集电极电压作用下通过漂移运动到达集电极，形成集电极电流。当集电极上加不同电压时，有以下三种情况：1).当集电结加反向电压时，集电结反偏。此时，集电极有能力收集从发射极发射出的电子，三极管处于稳定的放大状态。此时，晶体三极管工作在输出特性曲线的放大区，能够正常放大信号。2).当集电极加正向电压，集电极正偏。此时，发射极虽发射电子，但由于集电极收集电子能力不足，即使基极电流增大，发射极发射电子电流增大，集电极电流也不会增大，这种情况称为三极管的饱和导通。饱和导通时，三极管对信号也失去了发放大作用，此时三极管的失真称为饱和失真。可见，饱和失真时晶体三极管工作在输出特性曲线的饱和区，输出信号呈现饱和失真。3）.当集电结所加电压为零，即=0时，三极管处于饱和放大的临界状态。c.双向失真原理分析 由以上分析可知，三极管对信号的放大倍数是有限的。调整电路使三极管工作在合适的静态工作点，即是放大信号在三极管输出特性曲线的放大区。选取合适的输入信号可以得到正常的放大波形，当增加输入信号的幅度时，放大信号的幅度也成倍增加，此时放大信号的幅度过大，导致放大信号的峰部超出三极管输出特性曲线的放大区，一部分在饱和区，一部分在截止区，于是出现了双向失真。换一种说法，也可以解释为放大信号同时出现了饱和失真和截止失真。 图3-1 射级偏置电路解决方法：截止失真：使静态工作点上移。对于射极偏置电路，方法是增加基极的电压。既是减小Rb1或者增大Rb2.饱和失真：使静态工作点下移。对于射极偏置电路，方法是减小基极的电压。既是增大Rb1或者减小Rb2.双向失真：减小输入信号或者换晶体管。（2）通过图1（e）的失真设计，讨论产生失真的机理，阐述解决问题的办法。e.交越失真原理分析失真的机理：交越失真是乙类推挽放大器所特有的失真. 在推挽放大器中, 由2 只晶体管分别在输入信号的正、负半周导通, 对正、负半周信号进行放大. 而乙类放大器的特点是不给晶体管建立静态偏置, 使其导通的时间恰好为信号的半个周期. 但是,由于晶体管的输入特性曲线在VBE 较小时是弯曲的, 晶体管基本上不导通, 即存在死区电压V r . 当输入信号电压小于死区电压时, 2 只晶体管基本上都不导通. 这样,当输入信号为正弦波时, 输出信号将不再是正弦波,即产生了失真.因此在正、负半周交替过零处会出现一些失真，这个失真称为交越失真。解决方法：消除交越失真的办法是给晶体管建立起始静态偏置, 使它的基极电压始终不小于死区电压. 为了不使电路的效率明显降低, 起始静态偏置电流不应太大. 这样就把乙类推挽放大器变成了经常使用的甲乙类推挽放大器.在上述电路中，我们可以改变静态工作点，加大电阻阻值，产生0.7V压降的静态工作点电压，使输入信号即使为0时，三极管也工作在线性区域。既是甲乙类功率放大器。（3）通过图1（f）的失真设计，讨论产生失真的机理，阐述解决问题的办法。f.不对称失真失真的机理：不对称失真是差分输入电路和乙类互补推挽功率放大电路所特有的失真。在差分电路中，由于电路结构的不对称，使两个三极管对信号的放大倍数不相同而引起的。在乙类互补推挽功率放大电路，它是由于推挽管（NPN管和PNP管）特性不对称，而使输入信号的正、负半周不对称造成的。解决方法：采用负反馈，减小环内的非线性失真。（4）讨论npn型组成的共射放大电路和pnp型组成的共射放大电路在截止和饱和失真方面的不同。NPN型管，截止失真是顶部削平，饱和失真是底部削平，PNP型管，截止是底部削平，饱和顶部削平。（5）讨论共基放大电路、共集放大电路与共射放大电路在截止和饱和失真方面的不同。电路形式共射极放大电路共集电极放大电路共基极放大电路电路放大系数较大，例如200较大，例如200=1电压放大系数较大，例如200=1较大，例如100功率放大倍数很大，例如20000较大，例如300较大，例如200输入电阻中等，例如5K较大例如50K较小，例如50输出电阻较大，例如10K较小，例如100较大，例如5K输出与输入电压相位相反相同相同特点一般用作放大电路的中间级；共射极放大器的集电极跟零电位点之间是输出端,接负载电阻当前极提供给放大电路同样大小的信号电压时，所需提供的电流减小，从而减轻了信号源的负载。高频特性较好；多用于高频和宽频带电路或恒流源电路中（6）负反馈可解决波形失真，解决的是哪类失真？ 负反馈解决反馈环内的非线性失真，不能解决反馈环外的失真。（7）双电源供电的功率放大器改成单电源供电会出现哪种失真？如何使单电源供电的功率放大器不失真？双电源供电的功率放大器改成单电源供电会出现一部分没有波形，线性失真。（8）由单电源供电的运算放大器组成电路会出现哪种失真？为了消除失真，可以采用电源的中点电压供电。因为采用电源的中点电压的话，负半周的交流信号可以几乎没有损耗的被放大。这也就是大家常说的太高交流信号的直流电平。（9）测量增益带宽积fT有哪些方法？a.可以首先测量带宽，然后测量增益，带宽乘以增益既是增益带宽积。b.可以测量特征频率，即晶体管丧失电流放大能力的极限频率就是增益带宽积。（10）提高频率后若失真，属于哪类失真？提高频率后若失真，属于频率失真。（11）电阻负载改成大容性负载会出现什么失真？电阻负载改成大容性负载会出现相位失真。（12）有哪些方法可以克服电阻负载改成大容性负载出现的失真？负反馈。（13）归纳失真现象，并阐述解决失真的技术。失真现象：截止失真，饱和失真，双向失真，交越失真，不对称失真 3.3 分析研究实验数据我们知道，所有电路相当于一个特定的数学运算，放大电路实现一种幅度变化运算。对于理想的的放大电路，其输出信号应当如实的反映输入信号，即他们尽管在幅度上不同，但波形应当是相同的但是，在实际放大电路中，由于种种原因，输出信号不可能与输入信号的波形完全相同，产生了失真非线性失真是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而产生的失真常见非线性失真有五种：饱和失真、截止失真、双向失真、交越失真和不对称失真。当静态工作点太低时，导致输出波形失真，则为截止失真；当静态工作点太高时，导致输出波形失真，则为饱和失真。饱和失真、截止失真是由于静态工作点选择不合适造成的，而双向失真是由于输入信号太大造成的。它的改进方法：饱和失真：使静态工作点下移。对于射极偏置电路，方法是增加