实验报告模板讲解

1、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：失真放大电路研究学院:电子信息工程学院专业：通信工程学生姓名：李光磊学号:11211108任课教师：佟毅刘颖2013 年目录实验报告0实验题目：失真放大电路研究 01 实验题目及要求 12 实验目的与知识背景 12.2.1 饱和失真122 . 2截止失真2223双向失真32.2.3交越失真52.2.4 不对称失真 102.2.5瞬态互调失真112.2.6频率失真122.2.6带容性负载造成的失真 123 实验过程133.1选取的实验电路及输入输出波形 143.2 每个电路的讨论和方案比较 14（各种失真对应的电路参数及测量数据与不失真电路的

2、参数测量数据的比较分析） 144 总结与体会144.1 通过本次实验那些能力得到提高，那些解决的问题印象深刻，有那些创新点。145 参考文献151路勇.模拟集成电路基础（第三版）M.中国铁道出版社，2010 , 8 : 44-60151实验题目及要求题目：失真放大电路研究 要求：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一一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一一系统地归纳模拟电子技术中失真现象。3. 具备通过现象分析电路结构特点提高改善电路的能力。2.2 知识点 2.2.1饱和失真（1 ）理论分析晶体管有三个工作区：饱

3、和区、截止区和放大区（线性区） （如图2-1 ）。对 于共射极放大电路而言，其输入波形正好与输出波形反相，就是相位相差180, 当输入正弦波正的部分时，应该输出负的部分。而当输入的波形的峰峰值较大， 超过了电路的放大区到达饱和区或者截止区的时候，就会出现失真。如果是输入信号的正半周超出了三极管放大区， 那么就会进入晶体管的饱和区，也就是三极 管的静态直流工作点偏高或者静态工作点已经在三极管的饱和区，造成饱和失真（如图2-2 ）。对应的输出信号由于相位差180的原因，所以输出信号的负半周 的波形失真，也就是底部失真。（2）解决方法对于单管共射级放大电路（如图2-3）而言，饱和失真就是输入信号的正

4、半周超过了三极管的放大能力造成的失真， 对应的就是输出波形底部失真，即输出时三极管进入饱和区，Q点设置过高。根据公式| Ec - Ubeq可知，即公式Ibq = R中Ibq的过大，因为UBEq不变，是由管子自身决定，所以可以通过减小直流电源电压Ec或者增大偏置电阻Rb来减小Ibq，即降低Q点的设置。2.2 . 2截止失真（1 ）理论分析对于共射极放大电路而言（如图 2-3），与饱和失真相类似的，如果是输入信号的负半周超出了三极管放大区，那么就会进入晶体管的截止区，也就是三极管的静态直流工作点偏低或者静态工作点已经在三极管的截止区，造成截止失真（如图2-4）。对应的输出信号由于相位相差180的原

5、因，所以输出信号的正半周的波形失真，也就是顶部失真。（吕（b）图2-4（2）解决方法对于单管共射级放大电路（如图2-3）而言，截止失真就是输入信号的负半 周超过了三极管的放大能力造成的失真，对应的输出波形就是输出波形顶部失 真，即输出时三极管进入截止区，Q点设置过低。根据公式_ Ec -Ubeq可知,即公式中Ibq的过小，因为UBeq不变，由管子自身决定，所以可以通过增大直流 电源电压Ec或者减小偏置电阻Rb来增大Ibq，即提高Q点的设置。2.2.3双向失真（1 ）理论分析当输入的波形的峰峰值较大，超过了电路的放大区到达饱和区以及截止区的 时候，就会出现双向失真。即输出的信号的正半周和负半周都

6、有波形的失真。（2）解决方法对于单管共射级放大电路（如图2-3）而言，双向失真就是输入信号的正负 半周都超过了三极管的方法能力， 造成的失真，对应的输出波形就是输出波形的 顶部和底部都失真。这种情况无论你怎样调节 Q点的位置都是没有作用的，都不 能保证输出的信号完全不失真。可能调节Q点的位置保证了输出信号正半周没有 失真，但是输出信号的负半周肯定失真，同理要是保证了输出信号的负半周没有 失真，但是输出信号的正半周肯定失真。这是因为输入信号的峰峰值过大导致的， 这种情况下，只有减小输入信号的峰峰值才能解决这个问题。扩展：在讨论饱和失真、截止失真的时候，在教材中，均以NPNt放大电路作为分 析对象

7、分析其输出波形的失真情况，而没有介绍 PNPt子对于失真的影响。NPNt放大电路，在发生饱和失真时，输出波形的负半周产生失真，即为底 部失真；在发生截止失真时，输出波形的正半周产生失真，即为顶部失真。而对 于PNPt放大电路来说，可以想象得到，波形失真情况恰恰相反，在发生饱和失 真时，输出波形的正半周产生失真，即为顶部失真；在发生截止失真时，输出波 形的负半周产生失真，即为底部失真。而初学者在学习中常会遇到这一类的问题， 因而造成了初学者理解和掌握上的困难。NPNt组成的放大电路失真情况在本文中已有详尽分析说明， 这里不再重复。 下面对PNPt放大电路的失真情况利用图解法做详细分析。与NPNt

8、组成的放大电路相比较，PNP管组成的放大电路I c和UCE均为负， 故画出其输出特性曲线（如图 2-5）。设输出特性曲线上Q及Q2两点，即当将放 大电路基极偏置电阻 &的阻值取成较小值时，放大电路工作点变高，如Q点，接近饱和区；当将放大电路基极偏置电阻 Rb的阻值取成较大值时，放大电路工 作点变低，如Q2点，接近截止区。所以当输入一定幅度的正弦信号时， 可以看到， 在工作点Q处，放大电路输出波形正半周首先出现失真，也就是顶部失真，说明 PNP管在发生饱和失真时是顶部失真。而工作点在 Q2处时，放大电路输出波形负 半周首先出现失真，也就是底部失真， 说明PNPt的截止失真是底部失真；而对 于NP

9、Nt放大电路来说，在发生饱和失真时，输出波形的负半周产生失真，即为 底部失真，在发生截止失真时，输出波形的正半周产生失真，即为顶部失真。PNP 管组成的放大电路输出波形失真情况与 NPN管组成的放大电路输出波形失真情 况完全相反。Ai k图2-52.2.3交越失真（1 ）理论分析在研究甲类功率输出级的时候，为了提高转换效率，我们提出了乙类功率输 出级，大大的提高了转换效率。比较一下甲类和乙类功率输出级（如图 2-6）之间的关系：1）甲类功率输出级主要优点是失真小，主要缺点是效率低。最大输出功率：max）二昙；2RL电源功耗:PDC =Rl，集电极最大功耗:R max -最大效率：Po(max)

10、-二 25%42）乙类功率输出级的主要优点是效率高，主要缺点是存在交越失真。最大输出功率:Po(max)M 2R ；电源功耗：PDCmax2E2JCnL，集电极最大功耗：PC max2Ec2-2Rl0.4 R(max)；p仃78.5%最大效率：二込）Pdc4通过对甲类和乙类功率输出级的比较，很显然乙类功率输出级的管耗减小了很多，效率大大的提高。但是发现乙类功率输出级在输出的波形上存在问题，那就是交越失真。首先我们先了解一下乙类功率输出级的工作原理， 以便于更好的理解交越失 真的本质。对于乙类功率输出级，当输入信号处于正半周时，且幅度远大于三极管的开 启电压，此时NPN型三极管导通。有电流通过负

11、载 R,按图中方向由上到下， 与假设正方向相同。当输入信号为负半周时，且幅度远大于三极管的开启电压， 此时PNP型三极管导通。有电流通过负载 R,按图中方向由下到上，与假设正方向相反。于是两个三极管一个正半周，一个负半周轮流导电，在负载上将正半 周和负半周合成在一起，得到一个完整的不失真波形（如图 2-7）。J iQi-%图2-6图2-7但是，我们理论上分析交越失真时，并没有考虑三极管的开启电压，是把三 级管的开启电压看作为零，但实际中， 三极管的开启电压不能为零，且电压和电 流的关系不是线性的，在输入电压较低时， 输出电压存在着死区，此段输出电压 与输入电压不存在线性关系，产生失真。这种失真

12、出现在通过零值处，因此它被称为交越失真（如图（2）解决方法想要消除交越失真，就要从产生交越失真的源头找起。 理论分析乙类功率输 出级时，没有考虑三极管的开启电压的问题，将其忽略。而实际上产生交越失真的原因就是因为忽略了三极管的开启电压。那就要避开三极管的开启电压，使每一个三极管处于即将导通的状态，一旦加入输入信号，使其马上进入线性工作区。 这样就可以消除交越失真。我们知道， 硅管的开启电压在0.5V-0.7V左右，锗管 的开启电压在0.1V-0.2V左右，只要将输入信号的电位稍微抬高一些， 就可以保 证进入线性工作区。然而二极管的作用之一就有平移电位， 所以我们提供了一个新的电路解决了交越失真

13、这一问题，叫做甲乙类功率输出级（如图2-9）图2-9扩展：F面简单分析各种甲乙类功率输出级工作原理（1）对于图2-9左面的电路图所示，是个标准的甲乙类功率输出级电路图用来改善交越失真。用二极管来给三极管稍稍加一点偏置，使T1管和T2管工作在线性区，避免了交越失真。（2）对于图2-9右面的电路图所示，是利用三极管恒压源提供偏置，采用正负双电源供电，静态输出电位为零，负载电阻Rl可以直接连到功放电路的输出端，不需要输出耦合电容。VT4、Ri、R2组成的恒压源电路为VT、VT3管提供 直流偏压，Uceq = Ubeq + Ubeq。若忽略I BQ4，则丨Ri舟丨R2，于是rT2UceqiUbEQ4即

14、UcEQl调整R、R,的比值，可以改变VT2、VT基极间的电压，使之符合要求。从而 达到消除失真的目的。（3）对于双电源甲乙类功率输出级，可以进行变化，变成单电源供电一一 单电源互补推挽功率输出级（OTL电路）（如图2-10）。其中：T3共射激励级，做电压放大；Ti、T2 互补推挽输出级；T4、T5 输出过载保护。正常工作时，T4、T5管处于截止状态，保护电路 不起作用。一旦输出电流过载或输出短路，使电、尺2上压降增加，引起T4、T5管导通，由于T4、T5管导通后分流注入到Ti、T2管的基极电流，从而限制了 T,、T2 管集电极电流的增加，以免损坏功率管 T,、T2，实现了过载自动保护。静态时

15、:图 2-10T1、T2对称且= &2 ,调整静态电压使UeI，输出端经外接大电容C1后连接至负载。由于电容Ci充放电时间常数远远大于信号的半个周期， 因此，在T1、T2管轮流导通期间，电容两端电压基本上稳定在 U二号。动态时：当输入U为负半周时，T3输出为正半周，Ti导通。此时由Ec经Ti管，向R_注入正半周电流1。1当输入U为正半周时，T3输出为负半周，T2导通。此时电容Ci放电，其电流由电容G正端经T2管，向&注入负半周电流o2C1既是耦合电容，又是储能电容，在 T2导通时，作辅助电源(4) 对单电源甲乙级功率输出级和双电源甲乙级功率输出级进行比较: 双电源：最大输出功率：Pqmax)=

16、昙2R_2F2电源功耗：卩论最大效率：=-P0(max) 100% : 78.5%Pdc单电源:最大输出功率:总结：对于单电源甲乙级功率输出级和双电源甲乙级功率输出级，他们的最大 输出效率相同，但是最大输出功率和最大直流功率都不一样。 因为单电源甲乙类功率输出级在处理时，应该将公式中的 E应换成即可。2.2.4不对称失真（1 ）理论分析下面研究下放大器非线性失真过程， 这里以大小头失真为例，来说明放大器 失真过程。输入放大器的信号 X是一个标准、光滑的正弦波信号，它的正半周信 号和负半周信号幅度一样大。 Xo是经过放大器放大后产生了失真的输出信号， 为一个大小头失真的信号，如图 2-11输出信

17、号波形所示，它的正半周信号幅度 小于负半周信号幅度（也可以是负半周信号幅度小于正半周信号幅度），说明放大器对正半周信号的放大量小于对负半周信号的放大量。这是放大器的非线性失真的一种。图 2-11对于理想的放大电路，输出和输入信号应该完全呈线性关系。 但由于晶体管 本身的非线性，输出信号波形可能不再是正弦波，在输出信号中可能会出现谐波， 产生非线性失真。（2）解决方法负反馈在放大电路中广泛应用，它对电路的性能指标有较大的影响。根据反 馈方式的不同，可分为电压串联型负反馈、 电压并联型负反馈、电流串联型负反 馈和电流并联负反馈四种。在放大器中加入负反馈电路之后，负反馈电路能够减小放大器非线性失真。

18、 由于输出信号存在正半周信号幅度小、 负半周信号幅度大的失真，所以它通过负 反馈电路后的负反馈信号也存在这种正半周信号幅度小、负半周信号幅度大的失 真，由于是负反馈电路，所以输入信号与负反馈信号之间是相减的关系，所以得到的净输入信号变成正半周信号幅度大、负半周信号幅度小的失真。由于放大器 本身存在非线性失真，即对正半周信号的放大量小于对负半周信号的放大量，所以经过负反馈后放大器输出信号后正、负半周信号幅度相差的量减小，达到减小 失真的目的。注意，负反馈改善波形失真的实质是利用失真减小失真， 但不能完全消除失 真。还有，负反馈只能减小反馈环内的失真，如输入信号本身就是失真的，负反 馈则不能改善失

19、真。2.2.5瞬态互调失真（1 ）理论分析在输入脉冲性瞬态信号时，因电路中的电容使输出端不能立即得到应有的输 出电压，而使负反馈电路不能得到及时的响应，放大器在这一瞬间处于开环状态， 使输出瞬间过载而产生削波，这一削波失真称为瞬态互调失真， 这种失真在晶体 管功放上表现较为严重。（2）解决方法瞬态互调失真是功放的一个动态指标，主要由功放内部的深度负反馈引起的。降低这种失真的方法主要有：1）选择好的器件和调整工作点，尽量降低放大器的开环增益。2）加强各放大级自身的负反馈，取消大环路负反馈。3）可在设计制作电路时要尽量减小各级间电容 C的容量，使各级的转换速 度加快，从而减小反馈量不起作用阶段的时

20、间。226频率失真（1 ）理论分析放大器的实际输入信号通常是由许多频率分量按照一定的幅度比例关系和 相位关系叠加而成的非正弦信号。在放大器中由于器件的电抗效应和电抗性元件 的存在，使得放大器对不同频率信号具有不同的放大能力，也即放大器的增益随 频率不同而改变。例如对单级阻容耦合放大器，由于耦合电容的存在，在低频段的源电压增益Ki与中频段的源电压增益K2以及放大器下限频率fL之间的关系为 K1K2;又由于晶体管极间电容等影响，在高频段的源电压增益K3与1 - jf L / fKK2以及放大器上限频率f H之间的关系为K12。可见，频率不同，2H1 * jf / f H源电压增益亦不同。这说明，放

21、大器对不同频率分量表现出不同的增益将使输出 信号出现失真。把这种对不同频率信号增益不一致而造成的波形失真现象称为频 率失真。频率失真的特点，仅是信号中各频率分量的相对大小发生变化。（2）解决方法为了减小频率失真，使输入信号中的高低频分量均获得与中频同样的增益， 必须展宽放大器的通频带，使信号中的高低频分量都处在通频带范围内。 要达到 这一展宽放大器通频带的目的，通常所采取的重要措施是在放大器中引入负反 馈。由于负反馈放大器具有自动调节的能力，所以引入负反馈后，在高低频段， 可使输出信号的下降引起反馈信号的下降，以致使放大器的净输入信号有所增 加，从而使输出信号下降得到一定补偿。这相当于提高了f

22、H和降低了 fL，即展宽了通频带，改善了频率响应，使频率失真和相位失真大为减小。 例如单级阻容 耦合放大器引入电压负反馈后，可使通频带比未引入反馈时展宽了（1+AB倍，在保证不引起增益下降过大和自激以及串入外来干扰信号的情况下，反馈深度越深频带展宽得越多，改善频率失真效果越好。2.2.6带容性负载造成的失真（1 ）理论分析运算放大器在驱动大容性负载时，若不采用正常的补偿，就会出现失真问题。在大多数情况下，负载电容并非人为地所加电容。它常常是人们不希望的一种客观 存在，例如一段同轴电缆所表现出的电容效应。 但是在有些情况下，要求对运算 放大器的输出端的直流电压进行去耦， 所以引入了容性负载。放大电路在接入容 性负载时，根据高频截点公式：1=A RC增加负载电容C时，co h减小，高频截频降低于是出现了上面介绍的频率失真，造成了降低高频分量的增益的结果。（2）解决方法想要解决带容性负载造成的失真，方法有以下几种：1）容性负载增大之后产生失真，就要减小电容的大小，那就在负载地方加 感性负载元件，来减小合成的容性负载大小。2）如果不改变负载电容，那么我们就要增大频带宽度来消除高频截频减小带来 的频率失真。展宽频带的方法： 引入负反