北交大模电实验报告

1、模拟集成电路基础 放大电路失真现象研究放大电路失真现象研究实验报告班级：摘要放大电路广泛应用于很多工程中，放大电路的失真对于电路有较大影响，因此，研究放大电路的失真问题既具有工程意义，又有利于对放大电路及其失真现象的了解和掌握。本文通过研究基本放大电路出现的非线性失真的原因并且提出消除非线性失真的方法。关键词：放大电路 失真 实验目录1.实验背景41.1实验目的41.2实验要求42.实验过程52.1基础部分52.1.1实验电路52.1.2实验现象62.2发挥部分72.2.1实验电路72.2.2实验现象92.3附加部分112.3.1实验电路112.3.2实验现象113.失真研究113.1基础部分

2、113.1.1饱和失真113.1.2截止失真123.1.3双向失真123.1.4交越失真123.2发挥部分143.2.1不对称失真143.2.2增益带宽积143.2.3容性负载143.3附加部分144.实验总结154.1实验收获154.2思考感悟15附：参考文献151.实验背景1.1实验目的掌握失真放大电路的设计和消除放大电路各种失真的技术，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，系统地归纳模拟电子技术中失真现象。具备通过现象分析电路结构特点，提高改善电路的能力。1.2实验要求1.基础部分（1）输入一标准正弦波，如图1（a），频率2KHz，幅度50mV，输出正弦波频率2KHz，

3、幅度1V。（2）图1（b）是电路输出波形；（3）图1（c）是电路输出波形；（4）图1（d）是电路输出波形；若达到要求，如何设计电路并改进，讨论产生失真的机理，阐述解决问题的办法。（5）输入一标准正弦波，频率2KHz，幅度5V，设计电路使之输出图1（e）输出波形，并改进。2.发挥部分（1）图1（f）是电路输出失真波形，设计电路并改进。（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）将运算放大器连接成任意负反馈放大器，要求负载2k,放大器的放大倍数为100，将振荡器频率提高至fT/100的95%，观察输出波形是否失真，若将振荡器频率提高至fT/100的

4、110%，观察输出波形是否失真。（4）放大器的放大倍数保持100，将振荡器频率提高至fT/100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）改善发挥部分（4）的输出波形不失真，设计并完成电路。（6）其他失真研究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）通过图1（b）、（c）和（d）的失真设计，讨论产生失真的机理，阐述解决问题的办法。（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。（3）通过图1（f）的失真设计，讨论产生失真

5、的机理，阐述解决问题的办法。（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。（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。（6）负反馈可解决波形失真，解决的是哪类失真？ （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？（8）由单电源供电的运算放大器组成电路会出现哪种失真？（9）测量增益带宽积fT有哪些方法？（10）提高频率后若失真，属于哪类失真？（11）电阻负载改成大容性负载会出现什么失真？（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？（13）归纳失真现象，并

6、阐述解决失真的技术。2.实验过程2.1基础部分2.1.1实验电路1.饱和、截止、双向失真2.交越失真2.1.2实验现象（注：每组实验图最后一页均为改进后实验图片）1.饱和、截止、双向失真2.交越失真2.2发挥部分2.2.1实验电路1.不对称失真2.增益带宽积3.容性负载2.2.2实验现象1.不对称失真2.增益带宽积增益带宽积为：中频增益（7.3）与带宽（4.6k）乘积，得增益带宽积为33.58k。3.容性阻抗2.3附加部分2.3.1实验电路2.3.2实验现象调节输入频率，可听到不同的声音。此外，增加了3.5mm音频输入端口并成功播放前段设备输入的各种音乐。3.失真研究3.1基础部分3.1.1饱

7、和失真1.原因分析当工作点太高时，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,因输入信号太大,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。2.失真消除对由NPN管子组成的共发射极放大器,当输出信号的负半周产生失真时,因共发射极放大器的输出和输入倒相，说明是输入信号为正半周时电路产生了失真。输入的正半周信号与静态工作点电压相加,将使放大器的工作点进入饱和区,所以,这种情况的失真为饱和失真,消除的办法是降低静态工作点的数值，将其选在交流负载线的中点

8、。这种判断的方法仅适用于由NPN型三极管组成的放大器,对于由PNP型三极管组成的放大器,因电源的极性相反,所以结论刚好与NPN型的相反。3.1.2截止失真1.原因分析当工作点太低时,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.失真消除样对由NPN管子组成的共发射极放大器来说,当输出

9、信号的正半周产生失真时,说明输入信号为负半周时电路产生了失真,输入负半周信号与静态工作点电压相减,将使放大器的工作点进入截止区,所以,这种情况的失真为截止失真,消除的办法是提高电路静态工作点的数值是指到达交流负载线的中点。这种判断的方法也仅适用于由NPN型三极管组成的放大器,对于由PNP型三极管组成的放大器,同样因电源的极性相反,所以结论刚好与NPN型的相反。3.1.3双向失真1.原因分析双向失真是指即在三极管输出特性曲线的饱和区失真又在截止区失真，三极管有饱和状态又有截止状态，向上达到饱和状态，向下到达截止状态，出现这种非线性失真不是由于电路中某个电路元件选择的不合适，而是由于信号源输入的信

10、号过大导致三极管在放大时出现了双向失真。2.失真消除改变这种失真的方法就是工作点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。3.1.4交越失真1.原因分析单管乙类功放电路仅在半个周期内有电流通过, 尽管减小了管耗, 有利于提高输出效率, 但使输入信号的半个波形被削掉, 存在严重的波形失真。如果用两个管子, 使之都作在乙类放大状态, 但是一个在正半周期, 而另一个工作在负半周期, 同时使这两个输出波形都能加到负载上, 从而使负载得到一个完整的波形, 这样就能解决效率与失真的矛盾。电路原理图如图电路中T1和T2分别为NPN和PNP型管,

11、 当信号处于正半周期时,T1承担放大任务, T2截至, 有电流通过负载RL而当信号处于负半周期时, 则刚好相反, T2承担放大任务,T1截至, 仍然有电流通过负载RL这样, 上图所示基本互补对称电路实现了在静态时管子不取电流, 而在有信号时,T1和T2轮流导通。由于三极管PN结的压降, 上图所示的互补对称功放电路并不能使输出波形很好地反映输入的变化。由于没有直流偏置, 管子的基极电流𝐼𝐵 , 必须在 V𝐵𝐸 大于某一数值(即门坎电压, 硅管约为0.6v，锗管约为0.2v，)时才有显著变化。当V𝑖低于这个数值时iC1

12、和i𝐶2都基本为零, 负载RL上无电流流过, 出现一段死区, 这就是交越失真产生的基本原理。2.消除失真图a 图b为了克服交越失真的影响，我们可以通过改进电路的方法来实现。常见的方法有：甲乙类双电源互补对称电路法和甲乙类单电源互补对称电路。甲乙类互补对称法电路原理如下图所示。由图可见, T3组成前置放大级,T1和T2组成互补输出级。静态时, 在D1,D2上产生的压降为T1,T1提供了一个适当的偏压, 使之处于微导通状态。由于电路的对称,静态时𝑖𝑐1=𝑖𝑐2,𝑖𝑙=0,𝑣

13、;0=0。有信号时, 由于电路工作在甲乙类, 即使V𝐼很小, 基本上也可以进行线性放大。但是图a的缺点就是其偏置电压不易调整, 改进电路如图b所示, 在图b中流人T4的基极电流远小于流过R1、r2的电流, 则由图可以求出v𝑐𝑒=𝑉𝐵𝐸(R1+R2)/R2, 因此, 利用T4管的Vbe基本为一固定值, 只要调整R1、R2的比值, 就可以改变T1、T2的偏压值, 此法在集成电路中经常应用。3.2发挥部分3.2.1不对称失真1.原因分析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

14、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。2.消除失真采用负反馈，减小环内的非线性失真。3.2.2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。利用中频增益乘以带宽即可。3.2.3容性负载电路中类似电容的负载，可以使电流超前电压提高电路功率因数，一般把负载带电容参数的负载，即符合电压滞后电流特性的负载成为容性负载。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。 在高频领域,是指负载虚部为负值的负载.3.3

15、附加部分电路有三个部分构成，分别为前置放大电路、带通滤波电路和功率放大电路。1.前置放大电路：前置放大电路采用集成运放LM324构成两级放大电路。为增强对输入信号的保持性，故两级放大电路均采用同相放大电路组态。放大电路的增益可以通过改变反相端的输入电阻与反馈电阻的值来调节，即 。放大器输入漂移和噪声等因素对于总的精度至关重要，放大器本身的共模抑制特性也同等重要。因此前置放大电路应该是一个高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移的小信号放大电路。2.带通滤波电路有源滤波电路是用有源器件与RC网络组成的滤波电路。它有很多种，在实际应用中还需要将一定频率段的信号通过，我们要设计的语音放大电路是需要有源带通滤波器。3.功率放大电路功率放大电路主要是向负载提供功率。要求输出功率尽可能高，非线性失真尽可能小。4.实验总结4.1实验收获通过本次实验，我了解并掌握了放大电路的失真原理和改进方法，对于放大电路的失真研究有了更为深入的认识。同时，通过实验过程，我也提高了系统地构思问题和解决问题的能力，能够系统地归纳模拟电子技术中失真现象。具备通过现象分析电路结构特点，提高改善电路的能力。4.2思考感悟本次实验过程中，我们查阅了很多资料，也得到了老师的指导和同学的帮助。很多