北交大模电报告要点.docx

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北交大模电报告要点

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：

电信学院

班级：

通信1308

姓名：

吴靖钦

学号：

13211186

任课老师：

侯建军

目录

一、实验题目及要求

二、实验目的与知识背景

2.1实验目的

2.2知识点

三、实验过程

3.1选取的实验电路及输入输出波形

3.2失真研究

3.3分析研究实验数据

四、总结与体会

4.1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，有哪

些创新点。

4.2对本课程的意见与建议

五、参考文献

一、实验题目及要求

1、基础部分

（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。

输入波形输出波形

（2）下图放大电路输入是标准正弦波，其输出为截止失真。

1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。

输入波形输出波形

（3）下图放大电路输入是标准正弦波，其输出为饱和失真。

1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。

输入波形输出波形

（4）下图放大电路输入是标准正弦波，其输出为双向失真。

1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。

输入波形输出波形

（5）下图放大电路输入是标准正弦波，其输出为交越失真。

1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。

交越失真原理图

2、发挥部分

（1）下图放大电路输入是标准正弦波，其输出为不对称失真。

1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。

（2）任意选择一运算放大器，测出增益带宽积。

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2kΩ,放大器的放大倍数为100，将振荡器频率提高至的95%，观察输出波形是否失真，若将振荡器频率提高至的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的95%或更高一点，保持不失真放大，将纯阻抗负载2kΩ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）的输出波形不失真。

3、附加部分

（1）设计一频率范围在20Hz~20kHz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？

（7）用场效应管组成的放大电路或运算放大器同样会产生所研究的失真吗？

（8）当温度升高，晶体管组成的电路刚刚产生静态工作点漂移，使电路产生某种失真，此时由场效应管组成的电路也同样失真吗？

为什么？

（9）归纳失真现象，并阐述解决失真的技术。

二、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）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。

（2）射极偏置电路、乙类、甲乙类功率放大电路、推挽电路和负反馈电路。

（3）改进各种失真的技术。

三、实验过程

3.1选取的实验电路及输入输出波形

①正常放大、饱和失真、截止失真、双向失真等模拟电路

对应输入、输出波形：

图1-1正常20倍放大

图1-2底部失真

图1-3顶部失真

图1-4双向失真

②交越失真及改进后模拟电路

对应输出波形：

图2-1交越失真

图2-2交越失真修正波形

③发挥部分

*不对称失真模拟电路

对应波形：

图3-1不对称失真对比波形

图3-2不对称失真修正波形

*测量增益带宽积、负反馈放大器及容性负载模拟电路

通过示波器测得其增益为106倍，调节频率使增益为原0.707倍时测得其带宽为12kHz，故该选择运放的增益带宽积为12k*106=1.272MHz

接成负反馈放大器，将振荡频率提高至fT/100的95%，观察输出波形无明显失真，将振荡频率提高至fT/100的110%时观察输出波形失真。

波形如图：

图3-3振荡频率提高位fT/100的95%

图3-4振荡频率提高至fT/100的110%

接容性负载产生失真：

图3-5容性失真示波器

接容性负载失真改善：

图3-5容性失真改善

④频率范围在20Hz～20kHz语音放大器模拟电路

（该实验由于硬件缺失，不能呈现出较好的效果，只能输出信号发生器产生的信号，体现出频率变化产生的影响，无法表现出失真所产生的影响，且放大的声音较小。

）

3.2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？

答：

此时我们将电路中的R4设为不会失真的阻值，然后仅将VEE设为0V，此时出现的波形和底部失真的波形很像。

当我们仅将VCC设为0V，此时出现的波形和顶部失真的波形很像。

当单电源供电的时候，某一半周的交流信号可以几乎没有损耗地被放大。

也就是说抬高交流信号的直流电平。

·解释：

双电源供电时，一般情况下，运放的正负电压，大小相等，符号相反，中间值接地（地是+VDD，和-VCC和的一半），当输入信号是以地参考时，运放的输出是以地进行参考的，尽管一般情况下，运放电源本身并不接地，（有些芯片有REF引脚可以接地）。

而且单电源工作时，加上运放的非理想性，如果将运放其中一个脚接成地，从双电源的角度来看的话，相当于接到了较低电源电压端，而运放要想输出0V地，也就是达到较低的电源powerrail，这对运放的轨输出能力outputvoltageswing 提高了要求。

而且运放无法输出超过电源范围的电平，当使用正电源和地单电源供电时，运放无法输出负电压。

单电源供电对运放的影响是：

影响了输入输出电压范围，进而限制了电路的动态范围，导致信号失真。

（2）负反馈可解决波形失真，解决的是哪类失真？

答：

负反馈只能在一定程度上抑制管子的非线性失真，而不能对反馈环外的失真起作用。

而且负反馈会压低增益，大环路负反馈还可能加剧互调失真，因此负反馈深度不宜过大。

非线性失真包括交越失真、不对称失真等。

（3）测量增益带宽积有哪些方法？

答：

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。

c.通过示波器测出3dB的时候的对应的频率，算出带宽。

测出后一个3dB对应的输出增益计算出增益带宽积。

（本报告中测增益带宽三种方法均采用了）

（4）提高频率后若失真，属于哪类失真？

答：

提高频率后若失真，属于线性失真。

（5）电阻负载改成大容性负载会出现什么失真？

答：

电阻负载改成大容性负载会出现相位失真。

（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？

答：

由本次实验所知，加大负反馈。

（7）用场效应管组成的放大电路或运算放大器同样会产生所研究的失真吗？

答：

不一定。

不同场效应管会产生不同的效果。

·MOSFET管的失真研究

图3-1场效应管电路图

图3-2MOSFET正常波形（）

图3-3MOSFET管失真波形（）

通过仿真我们可以发现，当时，不论R2、R3的值如何改变，只会改变输出波形的峰峰值，也就是说只是改变了放大倍数，而不会使波形发生失真现象。

当时，输出波形可能出现了失真现象，但并有出现和运算放大器、三极管一样的顶部底部或者双向失真，而是出现了规律的不平整并且不断变化的锯齿状波形。

此时，当我们调节R3的时候，又出现了如下的两种波形：

图3-4MOSFET管波形（）

图3-5MOSFET管双向失真波形（）

从图3-4我们可以看出当R3在一定的值的范围之内，场效应管失真波形逐渐恢复成正常波形；从图3-5我们可以看出当R3很小的时候，场效应管出现了双向失真。

·JFET管的失真研究

仿真电路：

图3-6JFET管电路图

仿真结果：

如图所示，JFET场效应管可以出现如一般放大电路或运算放大器同样会产生所研究的失真。

·总结：

总体来说，场效应管能否出现和一般放大电路或运算放大器同样的失真主要看他们的所处的电路是否达到要求。

上图是四种MOSFET管的转移特性曲线，下图是两种JFET管的转移特性曲线和输出特性曲线。

从图中我们可以知道只有当栅-源电压大于门限电压的时候，场效应管才能够正常工作。

也就是说当栅-源电压小于门限电压的时候才会发生失真现象，所以我们判断这个场效应管在该电路中能否产生和一般放大电路或运算放大器同样的失真就看这个场效应管的栅-源电压在该电路中能否小于（或者大于门限电压）。

所以我们并不能准确的说场效应管能否产生和一般放大电路或运算放大器同样的失真，而要分情况讨论。

（8）当温度升高，晶体管组成的电路刚刚产生静态工作点漂移，使电路产生某种失真，此时由场效应管组成的电路也同样失真吗？

为什么？

答：

通过查阅资料我们得到如下的曲线：

温度-导通电阻曲线温度-栅源电压曲线

场效应管不会形成波形失真，但是我们可以从图中看到放大倍数同样会因为温度的变化发生变化。

BJT三极管的温度漂移是因为温度上升的时候，会大幅增加，从而造成静态工作点向上漂移，形成饱和失真。

而场效应管则不一样，随着温度的上升，并不会上升，反而会下降，因此静态工作点不会上移反而会下移，饱和失真不可能形成。

而另一方面，温度的上升会导致，也就是下降，场效应管的门限电压进一步下降，因此原电路的一定能保持场效应管处于打开状态，因此也不会产生截止失真综上所述，虽然温度漂移会对场效应管放大电路的静态工作点和放大倍数造成影响，但由于场效应管本身的特性，决定了温度的升高并不会引起失真。

（9）归纳失真现象，并阐述解决失真的技术。

答：

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

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0.7V；锗管为0.3V）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节的特性，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3-1三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，导致放大信号的峰值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3-2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。

既是减小或者增大。

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。

既是增大或者减小。

双向失真：

减小输入信号或者换晶体管。

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较小时是弯曲的，晶体管基本上不导通，即存在死区电压。

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。

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。

这就是甲乙类功率放大器。

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。

3.3分析研究实验数据

各电路上的元件参数在对应的模拟电路图中均有较明显的显示，其中所选的运算放大器型号为LM324N，其增益带宽积1272kHz；最后的语音放大器主要语音输入器件缺失导致该实验没有完整进行。

四、总结与体会

4.1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。

电路的设计是该实验最难完成的部分，大多数情况下都是在与别组讨论的情况下完成。

通过这次实验，很大地提高了我的动脑能力和动手能力，对模电这门课也有了更深的理解，尤其是对失真的研究了解了很多。

通过本次试验，我学习到了电路实践中因为种种因素导致的放大非线性失真。

学会了基本的设计、分析如何消除电路的失真现象以及失真的真正产生原因。

但是整个实验过程下来，当每次焊板子能出现波形时都会令我非常高兴，非常有成就感。

4.2对本课程的意见与建议

实际上，在实验的过程中有很大一部分时间是花在了焊接部分，而相对来说，设计电路的部分花的时间就少了很多，因此希望本课程可以设计些技巧性更高更多样化的题目。

5参考文献

（列出在本次实验中参考的有关文献，包括书籍、网上信息等。

书写格式应符合以下规定。

顶格写，按“作者.书名或文题.地名:

出版社（或期刊）名,出版年份（或期刊卷期次）：

页码”（中译本应在书名后加译者名）的次序排列。

）

[1]陈大钦.电子技术基础实验.高等教育出版社，2000

[2]张巍.晶体三极管放大电路的非线形失真及其解决办法[J].中小企业管理与科技,2009

[3]路勇.模拟集成电路基础[M].北京：

中国铁道出版社，2012

[4]肖渊.基于Multisim放大电路的仿真分析[J].四川理工学院学报（自然科学版）.2009（04）