北京交通大学-模电实验-放大电路的失真研究

1、国家电工电子实验教学中心国家电工电子实验教学中心模拟电子技术模拟电子技术实实 验验 报报 告告实验题目实验题目： 放大电路的失真研究放大电路的失真研究 学学 院：院：电子信息工程学院专专 业：业：通信工程学生姓名：学生姓名：学学 号：号：任课教师：任课教师：白双 佟毅 2014 年年 5 月月 27 日日 1 / 21目目 录录1 实验题目及要求实验题目及要求.21.1 基本要求.21.2 发挥部分.31.3 附加部分.32 实验目的与知识背景实验目的与知识背景.42.1 实验目的 .42.2 知识点.43 实验过程实验过程.43.1 选取的实验电路及输入输出波形.43.1.1共射放大电路（不

2、失真、截止失真、饱和失真、双向失真）.43.1.2乙类功率放大电路及甲乙类互补推挽功率放大电路（交越失真及其消除）.83.1.3差分放大电路（不对称失真及其消除）.93.1.4 运算放大电路（测量增益带宽积，频率失真及改善）.113.1.5语音放大器（输出语音信号，加入失真）.143.2 每个电路的讨论和方案比较.143.2.1共射放大电路（不失真、截止失真、饱和失真、双向失真）.143.2.2乙类功率放大电路及甲乙类互补推挽功率放大电路（交越失真及其消除）.143.2.3 运算放大电路（测量增益带宽积，频率失真及改善）.153.3 分析研究实验数据.153.3.1截止、饱和、双向失真的原理.

3、153.3.2交越失真的原理.173.3.3不对称失真的原理.173.3.4失真分析.174 总结与体会总结与体会 .184.1 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。.184.2 对本课程的意见与建议.185 参考文献参考文献.19 2 / 211 实验题目及要求（写明实验任务要求，可复制题目原文。 ）电路输出波形失真引起信号不能正确的传输，解决失真问题是电路设计工程师面对的一个重要问题。输出波形失真可发生在基本放大、功率放大和负反馈放大等电路中，输出波形失真有截止失真、饱和失真、双向失真、交越失真，以及输出产生的谐波失真和不对称失真等。本实验要求设计并焊接电路

4、，产生各种失真并讨论消除失真的办法。1.1 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。（2）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。（3）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：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。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： 共基放大电路、共集放大电路与共

5、射放大电路在截止和饱和失真方面的不同。 3 / 21（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。1.2 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

6、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 20F，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。1.3 附加部分（1）设计一频率范围在 20Hz20kHz 的语音放大器。（2）将各种失真引入语音放大器，观察、倾听语音输出。 4 / 212 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）具备通过现象分析电路结构特点提高改善电路的能力。2.2 知识点（1）三极管的输入输出特性曲线、三极管

7、静态工作点的计算及其对放大电路的影响。（2）截止失真、饱和失真、双向失真、交越失真及不对称失真产生的原理及其消除办法。（3）射极偏置电路、乙类功率放大电路、甲乙类互补推挽功率放大电路、差分放大电路及电压串联负反馈电路的特点及其可能产生的失真。（4）增益带宽积的测量。频率失真产生的原理及其消除办法。（5）语音放大器的设计及制作。3 实验过程3.1 选取的实验电路及输入输出波形3.1.1 共射放大电路（不失真、截止失真、饱和失真、双向失真）共射放大电路（不失真、截止失真、饱和失真、双向失真）实验电路及仿真波形如下图。其中输入信号幅值为 50mV，频率为 2KHz。上波形为输入波形，下波形为输出波形

8、。此时输出波形不失真，电位器的电阻大小为 50%。 5 / 21调节电位器使电阻减小为 23%，可以观察到底部失真。电路中使用的三极管为 NPN型，则底部失真又叫饱和失真。饱和失真的仿真波形如图。调节电位器使电阻增大为 65%，可以观察到顶部失真。电路中使用的三极管为 NPN 型，则顶部失真又叫截止失真。截止失真的仿真波形如图。 将输入信号幅值增大到为 500mV，频率仍为 2KHz。可以观察到双向失真。此时电位器的电阻大小为 50%。仿真波形如图。 6 / 21实验得到的示波器波形如图。正常波形。饱和失真。 7 / 21截止失真。双向失真。 8 / 213.1.2 乙类功率放大电路及甲乙类互

9、补推挽功率放大电路（交越失真及其消除）乙类功率放大电路及甲乙类互补推挽功率放大电路（交越失真及其消除）实验电路如下图。其中输入信号幅度为 2.5V，频率为 2KHz。当开关闭合时，电路为乙类功率放大电路，产生交越失真。仿真波形及实验波形如下图。当开关断开时，电路为甲乙类互补推挽功率放大电路，会消除乙类功率放大电路产生的交越失真，输出正常波形。仿真波形及实验波形如下图。 9 / 213.1.3 差分放大电路（不对称失真及其消除）差分放大电路（不对称失真及其消除）实验电路如下图。其中输入信号幅度为 50mV，频率为 2KHz。当开关断开时，电路会产生不对称失真，输出上下峰值不等的不对称正弦波形。仿

10、真波形波形如下图。可以看出，红色的输出波形产生了上下不对称的失真。实验波形如下图。 10 / 21当开关闭合时，电路中加入了电压串联负反馈，消除了之前产生的不对称失真，输出了正常波形。仿真波形波形如下图。可以看出，红色输出波形是上下对称的。实验波形如下图。 11 / 213.1.4 运算放大电路（测量增益带宽积，频率失真及改善）运算放大电路（测量增益带宽积，频率失真及改善）实验电路如下图。其中输入信号幅度为 50mV，频率为 2KHz。当开关 J2 接在 R5 端时，输出峰峰值约为 10V 的不失真正弦波。如图。此时中频增益为：10050210mVVUUAioU 12 / 21将频率逐渐调大，

11、直至增益约下降-3dB，即输出信号的电压峰峰值下降到 7.07V 时，记录此时输入信号的频率 fT，则电路的增益带宽积为：下上f-fAGBU式中 f上即为截止频率 fT，因运算放大器的 f下太小，视为 f下=0。当输入信号的频率调节到 10kHz 时，输出波形如下图，此时电压峰峰值约为 7V，则此电路的增益带宽积约为： HzMkGB1010100另外，调节输入信号的频率，可以明显地看到输出波形的峰峰值会随着输入信号频率的增大而减小。这就是频率失真中的幅度失真。当开关 J2 接在 C1 端时，输出波形产生明显的失真，即频率失真中的相位失真。如图。 13 / 21实验波形如图。再将开关 J1 接到

12、 R2 端，调整负反馈，可以改善容性负载失真。如图。 14 / 213.1.5 语音放大器（输出语音信号，加入失真）语音放大器（输出语音信号，加入失真）语音放大器喇叭发声部分实验电路如图。整个语音放大器分为四个部分，分别是前置放大、驱动、滤波和发声电路，其中前置放大电路可以使用前面制作的射级放大电路或运算放大电路，驱动电路为甲乙类互补推挽功率放大电路，滤波为喇叭前面的 RC 滤波，最后接上喇叭就可以实现语音放大器，并加入饱和、截止、双向、交越等失真。3.2 每个电路的讨论和方案比较（在实验过程中遇到的问题包括自拟构思的问题、产生原因、解决方法。 ） 15 / 213.2.1 共射放大电路（不失

13、真、截止失真、饱和失真、双向失真）共射放大电路（不失真、截止失真、饱和失真、双向失真）这是实验的第一个电路，调试时我对示波器的使用还不太熟悉，给调试带来了许多问题。实验需要的输入信号为 50mV，电压比较小，而示波器的带宽比较大，所以对小信号的噪声也比较多，导致前几次测量都没能调试出正确的波形，基本上全是杂波。后来我通过查找资料，知道了小信号情况下示波器的调节技巧。例如使用平均模式、高分辨率模式、交流 AC 等等，解决了调试时遇到的难题，也为后面的调试和测量打下基础。3.2.2 乙类功率放大电路及甲乙类互补推挽功率放大电路（交越失真及其消除）乙类功率放大电路及甲乙类互补推挽功率放大电路（交越失

14、真及其消除）刚开始设计电路的时候，我直接在两个三极管的 C 极分别接上了正负 12V 的直流电压，如下图。因为没有考虑到三极管的工作电流比较小，在调试时一接上直流电源，三极管就冒出一阵青烟，烧毁了。我仔细检查电路才发现原来三极管 C 极没有加上 Rc 电阻，导致三极管工作电流太大烧毁了。我修改了电路并重新进行电路仿真，更换了新的三极管，正确地完成了实验。3.2.3 运算放大电路（测量增益带宽积，频率失真及改善）运算放大电路（测量增益带宽积，频率失真及改善）实际测量增益带宽积时，测量值会比理论值略小一些。我测量到的增益带宽积是9kHz，而理论值是 1MHz。原因可能是在计算增益及带宽时都是近似取

15、整，并没有精确计算，但这样的误差在允许范围之内。3.3 分析研究实验数据（各种失真对应的电路参数及测量数据与不失真电路的参数测量数据的比较分析）3.3.1 截止、饱和、双向失真的原理截止、饱和、双向失真的原理产生截止失真原因：静态工作点设置过低。 16 / 21消除方法：减小 Rb，增大 IBQ，提高 Q 点。NPN 管构成的放大电路出现截止失真时是顶部失真，而 PNP 管组成的放大电路出现截止失真时是底部失真。截止失真在三极管输出曲线上的体现如下图。产生饱和失真原因：工作点设置过高。消除方法：增大 Rb，减小 IBQ，降低 Q 点。NPN 管构成的放大电路出现饱和失真时是底部失真，而 PNP

16、 管组成的放大电路出现饱和失真时是顶部失真。饱和失真在三极管输出曲线上的体现如下图。产生双向失真原因：输入信号过大，使三极管同时进入饱和区和截止区。消除方法：工作点 Q 要设置在输出特性曲线放大区的中间部位，减小输入的信号，选择一个合理的输入信号，使之正好工作在放大区域内。 17 / 21另外，共射、共集、共基组态放大电路的区别如下表所示。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

17、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 Vr。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。如下图。 共射组态共集组态共基组态表达式(1+) A i数值较大较大=1表达式 Rcrbe(1+) Rerbe +(1+)ReRcrbe A u数值较大=1较大表达式rbe/RbRb/rbe +(1+) Re rbe(1+)/Re r i 数值中等较大较小表达式Rcrbe+Re(1+)/ReRe r o数值中等较小较

18、大特点及用途特点：（1）具有电流和电压放大作用；（2）输出电压与输入电压反相；（3）输入电阻、输出电阻适中。用途：应用广泛。特点：（1）具有电流放大作用，无电压放大作用；（2）输出电压与输入电压同相，且为 UoUi；（3）输入电阻高、输出电阻低。用途：可用作输入级、输出级以及起隔离作用的中间级特点：（1）无电流放大作用，有电压放大作用；（2）输出电压与输入电压同相；（3）输入电阻低、输出电阻高。用途：用于宽频带放大或作为恒流源。 18 / 21解决交越失真的办法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。 这样就把乙类功率放

19、大器变成了经常使用的甲乙类互补推挽功率放大器。3.3.3 不对称失真的原理不对称失真的原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。不对称失真的解决办法是加入负反馈。通过负反馈会形成与新的不对称失真信号，此信号恰好与原输出失真信号正负半周的幅度值相反，进行叠加后能够减弱不对称失真。3.3.4 失真分析失真分析（1）由单电源供电的运算放大器电路会出现哪种失真？双电源供电的功率放

20、大器改成单电源供电会出现一部分没有波形，线性失真。（2）负反馈可解决波形失真，解决的是哪类失真？负反馈可以解决环内的非线性失真。（3）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。（4）提高频率后若失真，属于哪类失真？频率失真。其中包括相位失真和幅度失真。（5）电阻负载改成大容性负载会出现什么失真？会出现相位失真。（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？可以在电路中加入负反馈，也可以使用相位补偿法。 19 / 214 总结与体会4.1 通过本次实验那些能力

21、得到提高，那些解决的问题印象深刻，有那些创新点。本次实验对基本放大电路的失真及其改善进行了比较深入的研究，使我更深入地了解了三极管、运算放大器及其组成的放大电路的相关知识。虽然我们在模拟电子技术课程上都系统地学习过这些知识，但是纸上学来终觉浅，绝知此事要躬行。亲自动手设计、焊接、调试电路时遇到的各种问题是书本上没有的，这就需要活用书上的知识自己解决遇到的问题。另外，这次实验也让我体会到了理论和现实的差距。本以为只要做好仿真，按照电路图焊接，就可以得到想要的结果。可是在实际操作的过程中，总是遇到很多的问题，例如买到的元件和仿真用的不一样、焊接出错等等。有时候就算电路焊接正确，也不一定能调出波形；

22、有时候就算上一次能调出来，下一次就不一定了。这些各种各样的问题一直伴随着我的实验。最后发现其实所有的问题都来自于我不稳定的电路，在不断地修改和调试下，我的板子也算是基本完工。虽然这次模电实验耗费了我很多的时间和精力，但是付出与收获基本是成正比的，在这三周的忙碌中，我对放大电路的失真确实是了解透彻并且印象深刻，动手能力也得到了提高。这才是工科课程应该达到的效果。4.2 对本课程的意见与建议据说今年的模电实验相对于去年来说做了许多改动，把之前的一周一课改成了完全自主的模式，这样虽然可以锻炼我们的独立思考及查找资料的能力，但是没有经过系统地培训的我们基本都是参考往年的学长的报告，或者在图书馆借几本模电实验书。老师只在第一堂课上简单介绍了实验的要求，而没有详细的资料。比如语音放大器，我在制作之前完全不知道它还需要四个组成部分。所以我认为，今后的模电实验应该多上几节课，让大家对模电实验有一个系统的了解。另外，实物制作的时间也可以缩短一些，一个月的时间其实太长了，真正在做的时间也只有两周，时间拖得太久效果反而不好了。还有就是实验室的使用和管理问题。临近验收的时候是夏天