失真放大電路的研究_模電實驗報告!

1、國家電工電子實驗教學(xué)中心模擬電子技術(shù)實 驗 報 告實驗題目：失真放大電路的研究學(xué)院：電信班級：通信1101姓名：羅貴陽 學(xué)號：11211015指導(dǎo)教師：侯建軍 佟毅日期：2013.06.12 目錄一、 實驗題目及要求2二、 實驗?zāi)康呐c知識背景31. 實驗?zāi)康?2知識點(diǎn)3三 、實驗過程41.基本要求42.發(fā)揮部分63.失真研究11四、分析研究實驗數(shù)據(jù)15五、總結(jié)與體會17參考文獻(xiàn)18一、 實驗題目及要求（寫明實驗任務(wù)要求，可復(fù)制題目原文。）1基本要求 tuootuoo（a）tuio（b）tuoo（c）tuoo（d）tuoo（e）（f）圖1（1）輸入一標(biāo)準(zhǔn)正弦波，如圖1（a），頻率2KHz，幅度5

2、0mV，輸出正弦波頻率2KHz，幅度1V。（2）圖1（b）是電路輸出波形，若達(dá)到要求，如何設(shè)計電路，并修改。（3）圖1（c）是電路輸出波形，若達(dá)到要求，如何設(shè)計電路，并修改。（4）圖1（d）是電路輸出波形，若達(dá)到要求，如何設(shè)計電路，并修改。（5）輸入一標(biāo)準(zhǔn)正弦波，頻率2KHz，幅度5V，設(shè)計電路使之輸出圖1（e）輸出波形，并改進(jìn)。2.發(fā)揮部分（1）圖1（f）是電路輸出失真波形，設(shè)計電路并改進(jìn)。（2）任意選擇一運(yùn)算放大器，測出增益帶寬積fT。并重新完成前面基本要求和發(fā)揮部分的工作。（3）將運(yùn)算放大器連接成任意負(fù)反饋放大器，要求負(fù)載2k,放大器的放大倍數(shù)為100，將振蕩器頻率提高至fT/100的9

3、5%，觀察輸出波形是否失真，若將振蕩器頻率提高至fT/100的110%，觀察輸出波形是否失真。（4）放大器的放大倍數(shù)保持100，將振蕩器頻率提高至fT/100的95%或更高一點(diǎn)，保持不失真放大，將純阻抗負(fù)載2k替換為容抗負(fù)載20mF，觀察失真的輸出波形。（5）改善發(fā)揮部分（4）的輸出波形不失真，設(shè)計并完成電路。（6）其他失真研究 3失真研究（1）通過圖1（b）、（c）和（d）的失真設(shè)計，討論產(chǎn)生失真的機(jī)理，闡述解決問題的辦法。（2）通過圖1（e）的失真設(shè)計，討論產(chǎn)生失真的機(jī)理，闡述解決問題的辦法。（3）通過圖1（f）的失真設(shè)計，討論產(chǎn)生失真的機(jī)理，闡述解決問題的辦法。（4）討論npn型組成的共

4、射放大電路和pnp型組成的共射放大電路在截止和飽和失真方面的不同。（5）討論共基放大電路、共集放大電路與共射放大電路在截止和飽和失真方面的不同。（6）負(fù)反饋可解決波形失真，解決的是哪類失真？ （7）雙電源供電的功率放大器改成單電源供電會出現(xiàn)哪種失真？如何使單電源供電的功率放大器不失真？（8）由單電源供電的運(yùn)算放大器組成電路會出現(xiàn)哪種失真？（9）測量增益帶寬積fT有哪些方法？（10）提高頻率后若失真，屬于哪類失真？（11）電阻負(fù)載改成大容性負(fù)載會出現(xiàn)什么失真？（12）有哪些方法可以克服電阻負(fù)載改成大容性負(fù)載出現(xiàn)的失真？（13）歸納失真現(xiàn)象，并闡述解決失真的技術(shù)。二、 實驗?zāi)康呐c知識背景1. 實驗

5、目的(1). 掌握失真放大電路的設(shè)計和解決電路的失真問題提高系統(tǒng)地構(gòu)思問題和解決問題的能力。 (2). 掌握消除放大電路各種失真技術(shù)系統(tǒng)地歸納模擬電子技術(shù)中失真現(xiàn)象。 (3). 具備通過現(xiàn)象分析電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提高改善電路的能力。2知識點(diǎn)(1). 截止失真、飽和失真、雙向失真、交越失真等。(2). 射極偏置電路、乙類、甲乙類功率放大電路和 負(fù)反饋電路。(3). 克服各種失真的技術(shù)。三 、實驗過程.1.基本要求（1） 輸入一標(biāo)準(zhǔn)正弦波，如圖1（a），頻率2KHz，幅度50mV，輸出正弦波頻率2KHz，幅度1V。分析知道，滿足要求的電路很多，我們可以采用射級偏置電路：圖1-1 射級偏置電路分析知道，其

6、增益為：（2）設(shè)計電路使電路輸出波形為圖1（b），（c），（d），并改進(jìn)。對于射級偏置電路，當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)太低時，導(dǎo)致輸出波形失真，則為截止失真；當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)太高時，導(dǎo)致輸出波形失真，則為飽和失真；當(dāng)輸入信號太大時，可能使被放大的信號同時在飽和區(qū)與截止區(qū)，這就產(chǎn)生了雙向失真。圖1-2 射級偏置電路原理圖圖1-3 頂部失真 圖1-4 雙向失真圖1-5 底部失真 圖1-6正常波形（5）設(shè)計電路使電路輸出波形為圖1（e），并改進(jìn)。分析知道，此輸出波形為交越失真。我們可以采用乙類功率放大器，改進(jìn)時使用甲乙類功率放大器。圖1-7 交越失真及改進(jìn)后的電路圖圖1-8 交越失真 圖1-9 交越失真改進(jìn)后的波形2

7、.發(fā)揮部分（1）設(shè)計電路使電路輸出波形為圖1（f），并改進(jìn)。圖1（f）是電路輸出失真波形，設(shè)計電路并改進(jìn)。不對稱失真是由電路不對稱, 而使輸入信號的正、負(fù)半周不對稱, 這種失真稱為不對稱失真.圖2-1不對稱失真電路圖 圖2-2不對稱失真電路圖圖2-3不對稱失真改進(jìn)后電路圖 圖2-4不對稱失真改進(jìn)后波形 圖2-5不對稱失真 圖2-6不對稱失真改進(jìn)后波形 （2）選擇一運(yùn)算放大器，測出增益帶寬積fT。并重新完成前面基本要求和發(fā)揮部分的工作。a.增益帶寬積表示增益和帶寬的乘積，因此，我們測量增益帶寬積fT 時，可以根據(jù)定義來測量，即先測量中頻增益，然后測量帶寬。圖2-7增益帶寬積測量電路 圖2-8電路

8、的頻率響應(yīng) 用示波器測得帶寬為：444.5khz，中頻增益為6dBfT =8.188khz*10(37.68/20)=626.8b.用運(yùn)放設(shè)計電路實現(xiàn)飽和，截止，雙向失真，交越失真。頂部底部雙向失真電路圖2-9運(yùn)放的頂部底部雙向失真電路原理圖 圖2-10頂部失真改進(jìn)后波形 圖2-11-底部失真波形 圖2-12雙向失真波形（3）將運(yùn)算放大器連接成任意負(fù)反饋放大器，要求負(fù)載2k,放大器的放大倍數(shù)為100，將振蕩器頻率提高至fT/100的95%，觀察輸出波形是否失真，若將振蕩器頻率提高至fT/100的110%，觀察輸出波形是否失真。圖2-13 負(fù)反饋放大電路通過示波器測量，當(dāng)振蕩器頻率提高至fT/1

9、00的95%，觀察輸出波形沒有失真，若將振蕩器頻率提高至fT/100的110%，觀察輸出波形失真。圖2-14振蕩器頻率為fT/100的95% 圖2-15 器頻率為fT/100的110%（4）放大器的放大倍數(shù)保持100，將振蕩器頻率提高至fT/100的95%或更高一點(diǎn)，保持不失真放大，將純阻抗負(fù)載2k替換為容抗負(fù)載20mF，觀察失真的輸出波形。我們控制電位器J2是電路接入容性負(fù)載。通過示波器測量，發(fā)現(xiàn)波形失真。圖2-16 容性負(fù)載失真（5）改善發(fā)揮部分（4）的輸出波形不失真，設(shè)計并完成電路。采用負(fù)反饋，通過開關(guān)J1，使負(fù)反饋加大。觀察波形，得到：圖2-17 容性負(fù)載失真改善電路（6）其他失真研究

10、相位失真：失真原理：由于電路對不同的信號的幅度響應(yīng)相同，相位響應(yīng)不同，因而產(chǎn)生了相位失真。圖2-18 電路的幅頻特性 圖2-19 相位失真電路圖圖2-20相位失真波形 圖2-21 改進(jìn)后的波形 3、失真研究1通過圖1（b）、（c）和（d）的失真設(shè)計，討論產(chǎn)生失真的機(jī)理，闡述解決問題的辦法。（1）.雙向飽和截止失真的原理分析a、截止失真原理分析由二極管的伏安特性曲線可知，只有加到發(fā)射結(jié)上的電壓高于 （開啟電壓，硅管為；鍺管為）時，發(fā)射結(jié)才有電流通過，而當(dāng)發(fā)射結(jié)被加反向電壓時（只要不超過其反向擊穿電壓），只有很小的反向電流通過，我們認(rèn)為這種情況下三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，而在實際應(yīng)用中，我們會遇到各種各

11、樣的信號需要放大，有較強(qiáng)的信號，有較弱的信號，也有反向的信號，根據(jù)PN節(jié)的特性，當(dāng)加到發(fā)射結(jié)上的信號為較弱的信號（小于開啟電壓），或者是反向信號時，發(fā)射結(jié)是截止的，三極管不能起到放大的作用，輸出的信號，也會出現(xiàn)嚴(yán)重的失真，此種失真稱為截止失真。如圖（三極管的輸出特性曲線）所示，此時，晶體三極管工作在三極管輸出特性曲線的截止區(qū)，呈現(xiàn)截止失真現(xiàn)象。 圖 三極管的輸出特性曲線 b、飽和失真原理分析 我們知道，當(dāng)三極管的發(fā)射結(jié)被加正向電壓且（開啟電壓）時，三極管的發(fā)射結(jié)有電流通過。發(fā)射區(qū)通過擴(kuò)散運(yùn)動向基區(qū)發(fā)射電子，形成發(fā)射極電流；其中一小部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成基極電流，又由于集電極加反向電壓，所以

12、從發(fā)射極出來的大部分電子在集電極電壓作用下通過漂移運(yùn)動到達(dá)集電極，形成集電極電流。當(dāng)集電極上加不同電壓時，有以下三種情況：1).當(dāng)集電結(jié)加反向電壓時，集電結(jié)反偏。此時，集電極有能力收集從發(fā)射極發(fā)射出的電子，三極管處于穩(wěn)定的放大狀態(tài)。此時，晶體三極管工作在輸出特性曲線的放大區(qū)，能夠正常放大信號。2).當(dāng)集電極加正向電壓，集電極正偏。此時，發(fā)射極雖發(fā)射電子，但由于集電極收集電子能力不足，即使基極電流增大，發(fā)射極發(fā)射電子電流增大，集電極電流也不會增大，這種情況稱為三極管的飽和導(dǎo)通。飽和導(dǎo)通時，三極管對信號也失去了發(fā)放大作用，此時三極管的失真稱為飽和失真?？梢姡柡褪д鏁r晶體三極管工作在輸出特性曲線的

13、飽和區(qū)，輸出信號呈現(xiàn)飽和失真。3）.當(dāng)集電結(jié)所加電壓為零，即=0時，三極管處于飽和放大的臨界狀態(tài)。c.雙向失真原理分析 由以上分析可知，三極管對信號的放大倍數(shù)是有限的。調(diào)整電路使三極管工作在合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，即是放大信號在三極管輸出特性曲線的放大區(qū)。選取合適的輸入信號可以得到正常的放大波形，當(dāng)增加輸入信號的幅度時，放大信號的幅度也成倍增加，此時放大信號的幅度過大，導(dǎo)致放大信號的峰部超出三極管輸出特性曲線的放大區(qū)，一部分在飽和區(qū)，一部分在截止區(qū)，于是出現(xiàn)了雙向失真。換一種說法，也可以解釋為放大信號同時出現(xiàn)了飽和失真和截止失真。圖3-1 射級偏置電路解決方法：截止失真：使靜態(tài)工作點(diǎn)上移。對于射極偏

14、置電路，方法是增加基極的電壓。既是減小Rb1或者增大Rb2.飽和失真：使靜態(tài)工作點(diǎn)下移。對于射極偏置電路，方法是減小基極的電壓。既是增大Rb1或者減小Rb2.雙向失真：減小輸入信號或者換晶體管。（2）通過圖1（e）的失真設(shè)計，討論產(chǎn)生失真的機(jī)理，闡述解決問題的辦法。e.交越失真原理分析失真的機(jī)理：交越失真是乙類推挽放大器所特有的失真. 在推挽放大器中, 由2 只晶體管分別在輸入信號的正、負(fù)半周導(dǎo)通, 對正、負(fù)半周信號進(jìn)行放大. 而乙類放大器的特點(diǎn)是不給晶體管建立靜態(tài)偏置, 使其導(dǎo)通的時間恰好為信號的半個周期. 但是, 由于晶體管的輸入特性曲線在VBE 較小時是彎曲的, 晶體管基本上不導(dǎo)通, 即

15、存在死區(qū)電壓V r . 當(dāng)輸入信號電壓小于死區(qū)電壓時, 2 只晶體管基本上都不導(dǎo)通. 這樣,當(dāng)輸入信號為正弦波時, 輸出信號將不再是正弦波,即產(chǎn)生了失真.因此在正、負(fù)半周交替過零處會出現(xiàn)一些失真，這個失真稱為交越失真。解決方法：消除交越失真的辦法是給晶體管建立起始靜態(tài)偏置, 使它的基極電壓始終不小于死區(qū)電壓. 為了不使電路的效率明顯降低, 起始靜態(tài)偏置電流不應(yīng)太大. 這樣就把乙類推挽放大器變成了經(jīng)常使用的甲乙類推挽放大器.在上述電路中，我們可以改變靜態(tài)工作點(diǎn)，加大電阻阻值，產(chǎn)生0.7V壓降的靜態(tài)工作點(diǎn)電壓，使輸入信號即使為0是，三極管也工作在線性區(qū)域。既是甲乙類功率放大器。（3）通過圖1（f）

16、的失真設(shè)計，討論產(chǎn)生失真的機(jī)理，闡述解決問題的辦法。f.不對稱失真失真的機(jī)理：不對稱失真是差分輸入電路和乙類互補(bǔ)推挽功率放大電路所特有的失真。在差分電路中，由于電路結(jié)構(gòu)的不對稱，使兩個三極管對信號的放大倍數(shù)不相同而引起的。在乙類互補(bǔ)推挽功率放大電路，它是由于推挽管（NPN管和PNP管）特性不對稱，而使輸入信號的正、負(fù)半周不對稱造成的。解決方法：采用負(fù)反饋，減小環(huán)內(nèi)的非線性失真。（4）討論npn型組成的共射放大電路和pnp型組成的共射放大電路在截止和飽和失真方面的不同。NPN型管，截止失真是頂部削平，飽和失真是底部削平，PNP型管，截止是底部削平，飽和頂部削平。（5）討論共基放大電路、共集放大電

17、路與共射放大電路在截止和飽和失真方面的不同。電路形式共射極放大電路共集電極放大電路共基極放大電路電路放大系數(shù)較大，例如200較大，例如200=<1電壓放大系數(shù)較大，例如200=<1較大，例如100功率放大倍數(shù)很大，例如20000較大，例如300較大，例如200輸入電阻中等，例如5K較大例如50K較小，例如50輸出電阻較大，例如10K較小，例如100較大，例如5K輸出與輸入電壓相位相反相同相同特點(diǎn)一般用作放大電路的中間級；共射極放大器的集電極跟零電位點(diǎn)之間是輸出端,接負(fù)載電阻當(dāng)前極提供給放大電路同樣大小的信號電壓時，所需提供的電流減小，從而減輕了信號源的負(fù)載。高頻特性較好；多用于高頻

18、和寬頻帶電路或恒流源電路中（6）負(fù)反饋可解決波形失真，解決的是哪類失真？ 負(fù)反饋解決反饋環(huán)內(nèi)的非線性失真，不能解決反饋環(huán)外的失真。（7）雙電源供電的功率放大器改成單電源供電會出現(xiàn)哪種失真？如何使單電源供電的功率放大器不失真？雙電源供電的功率放大器改成單電源供電會出現(xiàn)一部分沒有波形，線性失真。（8）由單電源供電的運(yùn)算放大器組成電路會出現(xiàn)哪種失真？為了消除失真，可以采用電源的中點(diǎn)電壓供電。因為采用電源的中點(diǎn)電壓的話，負(fù)半周的交流信號可以幾乎沒有損耗的被放大。這也就是大家常說的太高交流信號的直流電平。（9）測量增益帶寬積fT有哪些方法？a.可以首先測量帶寬，然后測量增益，帶寬乘以增益既是增益帶寬積。

19、b.可以測量特征頻率，即晶體管喪失電流放大能力的極限頻率就是增益帶寬積。（10）提高頻率后若失真，屬于哪類失真？提高頻率后若失真，屬于頻率失真。（11）電阻負(fù)載改成大容性負(fù)載會出現(xiàn)什么失真？電阻負(fù)載改成大容性負(fù)載會出現(xiàn)相位失真。（12）有哪些方法可以克服電阻負(fù)載改成大容性負(fù)載出現(xiàn)的失真？a.負(fù)反饋。（13）歸納失真現(xiàn)象，并闡述解決失真的技術(shù)。失真現(xiàn)象：截止失真，飽和失真，雙向失真，交越失真，不對稱失真 我們知道，所有電路相當(dāng)于一個特定的數(shù)學(xué)運(yùn)算，放大電路實現(xiàn)一種幅度變化運(yùn)算。對于理想的的放大電路，其輸出信號應(yīng)當(dāng)如實的反映輸入信號，即他們盡管在幅度上不同，但波形應(yīng)當(dāng)是相同的但是，在實際放大電路中

20、，由于種種原因，輸出信號不可能與輸入信號的波形完全相同，產(chǎn)生了失真非線性失真是放大器件的工作點(diǎn)進(jìn)入了特性曲線的非線性區(qū)，使輸入信號和輸出信號不再保持線性關(guān)系而產(chǎn)生的失真常見非線性失真有五種：飽和失真、截止失真、雙向失真、交越失真和不對稱失真。當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)太低時，導(dǎo)致輸出波形失真，則為截止失真；當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)太高時，導(dǎo)致輸出波形失真，則為飽和失真。飽和失真、截止失真是由于靜態(tài)工作點(diǎn)選擇不合適造成的，而雙向失真是由于輸入信號太大造成的。它的改進(jìn)方法：飽和失真：使靜態(tài)工作點(diǎn)下移。對于射極偏置電路，方法是增加基極的電壓。截止失真：使靜態(tài)工作點(diǎn)上移。對于射極偏置電路，方法是減小基極的電壓。雙向失真：減小輸

21、入信號或者換晶體管。 交越失真是在乙類功率放大器（圖8）中，當(dāng)輸入信號變化時，不足以克服三極管的死區(qū)電壓，三極管不導(dǎo)通電。在正、負(fù)半周交替過零處會出現(xiàn)一些失真。它的改進(jìn)方法：去除失真的原理：我們可以改變靜態(tài)工作點(diǎn)，加大電阻阻值或者加兩個二極管，產(chǎn)生0.7V壓降的靜態(tài)工作點(diǎn)電壓，使沒有輸入信號，三極管也工作在線性區(qū)域。既是甲乙類功率放大器。不對稱失真，就是由于工藝等因素，導(dǎo)致電路不對稱使輸出信號的正負(fù)半周信號幅度、波形，與輸入信號不一致。它的改進(jìn)方法：我們可以采用負(fù)反饋，減小反饋環(huán)內(nèi)產(chǎn)生的非線性失真。線性失真是放大器的頻率特性不好，對輸入信號中不同頻率成分的增益不同或延時不同而產(chǎn)生的失真線性失真

22、是由于放大電路中有隔直流電容、射極旁路電容、結(jié)電容和各種寄生電容，使得它對不同頻率的輸入信號所產(chǎn)生的增益及相移是不同的常見的線性失真是相位失真。四、分析研究實驗數(shù)據(jù)（各種失真對應(yīng)的電路參數(shù)及測量數(shù)據(jù)與不失真電路的參數(shù)測量數(shù)據(jù)的比較分析）各參數(shù)見波形圖 下失真：頻率：1KHz幅度：50mVpR1：10K歐C1：10uFR2：107K歐R3:15K歐R4：18K歐R5：1K歐C2:100uFC3:10uFVcc:12VQ1:2N2222A上失真：頻率：2KHz幅度：100mVpR1：10K歐C1：10uFR2：200K歐R3:15K歐R4：18K歐R5：1K歐C2:100uFC3:10uFVcc:

23、12VQ1:2N2222A雙向失真：頻率：2KHz幅度：100VpR1：10K歐C1：10uFR2：27K歐R3:15K歐R4：18K歐R5：1K歐C2:100uFC3:10uFVcc:12VQ1:2N2222A不失真：頻率：2KHz幅度：100mVpR1：10K歐C1：10uFR2：27K歐R3:15K歐R4：18K歐R5：1K歐C2:100uFC3:10uFVcc:12VQ1:2N2222A 其他電路參數(shù)見電路圖實驗參數(shù)：截止失真：Vpp=9.438V飽和失真：Vpp=7.562V交越失真：Vpp=8.5V不對稱失真 Vpp=3.875V不對稱失真 改善：Vpp=2.125V放大倍時100

24、倍的運(yùn)放 Vpp：10.94V五、總結(jié)與體會。我們知道，放大電路相當(dāng)于一個特定的線性數(shù)學(xué)運(yùn)算。使用模擬電子技術(shù)中放大電路，把某一輸入模擬信號經(jīng)過一個電路，進(jìn)行在幅度上放大，然后輸出。對于理想的的放大電路，其輸出信號應(yīng)當(dāng)如實的反映輸入信號，即他們的頻譜成分應(yīng)該相同，僅僅是幅度不同（看起來就是形狀相同，幅度不同）。但是，在實際放大電路中，由于種種原因，輸出信號不可能與輸入信號的波形完全相同，這就是電路產(chǎn)生了失真的緣故。失真分為線性失真和非線性失真。非線性失真是放大器件的工作點(diǎn)進(jìn)入了特性曲線的非線性區(qū)，使輸入信號和輸出信號不再保持線性關(guān)系而產(chǎn)生的失真。常見非線性失真有五種：飽和失真、截止失真、雙向失

25、真、交越失真和不對稱失真。晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置較低時，由于輸入信號的疊加有可能是疊加后的波形一部分進(jìn)入截止區(qū)，這樣就會出現(xiàn)截止失真，共射極放大電路的截止失真的表現(xiàn)是輸出電壓的頂部出現(xiàn)削波；果是輸入信號的正半周超出了動態(tài)范圍，那么就會進(jìn)入晶體管的飽和區(qū)，造成飽和失真，對應(yīng)的輸出信號由于相位差180度的原因，所以輸出信號的負(fù)半周的波形失真。飽和失真、截止失真是由于靜態(tài)工作點(diǎn)選擇不合適造成的，而雙向失真是由于輸入信號太大造成的。它的改進(jìn)方法：飽和失真：使靜態(tài)工作點(diǎn)下移。對于射極偏置電路，方法是增加基極的電壓。截止失真：使靜態(tài)工作點(diǎn)上移。對于射極偏置電路，方法是減小基極的電壓。雙向失真：減小輸入信號或者換晶體管。交越失真是在乙類功率放大器中，由于晶體管的門限電壓不為零，比如一般的硅