北京交通大学 模电实验报告精心制作综述.docx
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北京交通大学模电实验报告精心制作综述
模拟电子技术
实验报告
实验题目：
____
学院：
专业：
学生姓名：
组员：
学号：
任课教师：
2017年5月
一、实验内容及要求
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。
0.5ms
（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、共集放大电路与共射放大电路在截止和饱和失真方面的不同。
）
（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。
（思考：
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？
）
发挥部分：
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.失真研究思考题：
（1）造成单级放大电路失真的器件有哪些？
Re的作用是什么？
（2）由单电源供电的运算放大器电路会出现哪种失真？
（3）负反馈可解决波形失真，解决的是哪类失真？
（4）消除交越失真为什么要用二极管？
（5）放大电路加入负载后会出现失真吗？
为什么？
（6）如何测量放大电路的输入电阻、输出电阻和通频带。
（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、实验方案比较及论证
任务分析：
实验背景及目的：
（1）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。
（2）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。
（3）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.
（4）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。
（5）具备通过现象分析电路结构特点——提高改善电路的能力。
失真类型：
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。
理论分析：
（1）截止（顶部）失真：
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。
如果三极管工作点选择偏低，Ubeq、Ibq较小，晶体管在输入信号Ui负峰值附近一段时间内会进入截止区，使ib、ic及Uce波形产生失真，称为截止失真。
消除方法是调节电位器，使工作点升高。
（2）饱和（底部）失真
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：
当集电结极加反向电压时，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。
当集电极加正向电压，集电结正偏。
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。
如果三极管工作点选择偏高，Ubeq、Ibq较大，晶体管在输入信号Ui正峰值附近一段时间内会进入饱和区，使ib、ic及Uce波形产生失真，称为饱和失真。
消除方法是调节电位器，使工作点降低。
（3）双向失真
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，导致放大信号的峰部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。
产生双向失真有三种可能：
1．输入电压幅度过大
2．VCC过小
3．RC大小不合适
可通过减小输入信号幅度、增大VCC或者调节RC使电路有一个合适的静态工作点以消除双向失真
（4）交越失真
输入信号Ui在0~Ube之间变化时，不足以克服死区电压，三极管不导通，此时在正、负半周交替过零处会出现一些非线性失真，这个失真称为交越失真。
这种失真通常出现在通过零值处。
解决交越失真办法：
可给三极管稍稍加一点偏置，让管子工作在临界导通或微导通状态，使之工作在甲乙类。
（5）非对称失真
非对称失真亦称非线性失真、波形失真、非线性畸变，表现为系统输出信号与输入信号不成线性关系
由三极管特性曲线的非线性所引起，使输出信号中产生新的谐波成分，改变了原信号频谱。
包括谐波失真、瞬态互调失真、互调失真等。
可采用负反馈，减小环内的非线性失真。
解决方案及比较：
基本题部分
（1）顶部失真
调节电位器，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。
（2）底部失真
调节电位器，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。
（3）双向失真
1．减小输入信号
2．增大VCC
3.调整RC
4.换晶体管
相较来说，减小输入信号幅度是一种较为容易的解决双向失真的方法，但在工程上，实际输入信号的幅度往往是不可更改的，这个时候就需要采取其他的方法解决失真
射极偏置电路：
我们可以知道对于射级偏置电路，当静态工作点太低时，导致输出波形失真，则为截止失真；当静态工作点太高时，导致输出波形失真，则为饱和失真；当输入信号太大时，可能使被放大的信号同时在饱和区与截止区，这就产生了双向失真。
为了消除失真，我们需要改变工作点，可以通过改变分压电阻Rb1/Rb2的比值来实现，也可以通过改变射极电阻阻值实现，但是因为射极电阻又是反馈回路，对三极管增益有很大影响，因此我们通过改变分压电阻的方法来实现。
为了消除顶部失真，需要提高静态工作点，可以通过减小Rb1的阻值实现；为了消除底部失真，需要降低静态工作点，可以通过增大Rb1的阻值实现；为了消除双向失真，需要减小输入信号，可以通过在输入端串联电阻实现。
（4）交越失真
交越失真是在分析电路时把三极管的导通电压看作零，当输入电压较低时，因三极管截止而产生的失真。
这种失真通常出现在通过零值处。
与一般放大电路相同，消除交越失真的方法是设置合适的静态工作点，使得三极管在静态时微导通。
对于工作在乙类OCL功放电路而言：
当输入信号Ui在0~Ube之间变化时，不足以克服死区电压，三极管不导通，此时在正、负半周交替过零处会出现一些非线性失真，这个失真称为交越失真。
这种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iB必须在UBE大于某一个数值（即导通电压，NPN硅管约为0.7V，PNP锗管约为0.3V）时才有显著变化。
当输入信号vi低于这个数值时，T1和T2都截止，ic1和ic2基本为零，负载RL上无电流通过，出现一段死区。
解决方法1：
甲乙类双电源互补对称放大电路
由图可见，T3组成前置放大级（注意，图中未画出T3的偏置电路），T1和T2组成互补输出级。
静态时，在D1、D2上产生的压降为T1、T2提供了一个适当的偏压，使之处于微导通状态。
由于电路对称，静态时iC1=iC2，IL=0,vo=0。
有信号时，由于电路工作在甲乙类，即使vi很小（D1和D2的交流电阻也小），基本上可线性地进行放大。
特点：
（1）静态时，三极管微导通，给三极管稍加了一点偏置，iC1=iC2,io=0，电路工作在甲乙类。
静态时M点电位为零。
（2）不易调整偏置。
解决方法2：
甲乙类双电源互补对称放大电路2
在此图中，流入T4的基极电流远小于流过R1、R2的电流，则由图可求出UCE4=UBE4（R1+R2）/R2因此，利用T4管的UBE4基本为一固定值（硅管约为0.6~0.7V），只要适当调节R1、R2的比值，就可改变T1、T2的偏压值。
这种方法，在集成电路中经常用到。
特点：
由于流入T4管的基极电流很小，流经R1电阻和R2的电流近似相等，有
对于T4管，其发射结的导通电压基本稳定（如硅管约0.7V，锗管约0.3V）,所以有
微调R1和R2的比值，就可以得到满意的T1、T2管的偏压值。
调整R1、R2、T3参数，使R1和R2中间点的电位近似为0。
解决方法3：
单电源互补推挽功率输出级（OTL）
T3—共射激励级，做电压放大
T1T2—互补推挽输出级
T4T５—输出过载保护
静态时：
UC1=VCC/2,uo=0,
Ue=VCC/2，Re1和Re2.反馈电阻，Re1=Re2.
动态时：
1）Ui负半周时，T3输出为正半周，T1导通，形成io1.
2）Ui正半周时，T3输出为负半周，C1作辅助电源，T2导通，形成io2.
正常时：
Re1和Re2.压降很小，T4T5管截止；
负载输出电流过大时：
Re1和Re2.反馈电压使保护管T4T5管导通，形成电流并联负反馈，流入T1T2管基极电流即净电流减小，所以输出电流受到了抑制，起到了自动保护功放管T1T2的目的。
该方法采用一个电源的互补对称原理电路，图中的T3组成前置放大级，T2和T1组成互补对称电路输出级。
在输入信号Ui=0时，一般只要R1、R2有适当的数值，就可使IC3、UB2和UB1达到所需大小，给T2和T1提供一个合适的偏置，从而使K点电位UK=UC=VCC/2。
当加入信号vi时，在信号的负半周，T1导电，有电流通过负载RL，同时向C充电；在信号的正半周，T2导电，则已充电的电容C起着双电源互补对称电路中电源-VCC的作用，通过负载RL放电。
只要选择时间常数RLC足够大（比信号的最长周期还大得多），就可以认为用电容C和一个电源VCC可代替原来的+VCC和-VCC两个电源的作用。
值得指出的是，采用一个电源的互补对称电路，由于每个管子的工作电压不是原来的VCC，而是VCC/2，即输出电压幅值Uom最大也只能达到约VCC/2，所以前面导出的计算Po、PT、和PV的最大值公式，必须加以修正才能使用。
修正的方法也很简单，只要以VCC/2代替原来的公式中的VCC即可。
静态分析：
T1和T2对称，Co两端的电压为UC1=VCC/2，输出电压uo为零。
此时M点电位为0.5VCC。
2.2发挥部分
不对称失真也是推挽放大器所特有的失真,它是由于推挽管特性不对称,而使输入信号的正、负半周不对称。
消除这种失真的办法是选用特性对称的推挽管.尤其是在OTL与OCL
电路中,互补管应选用同一种材料的,就是说都选用锗管,或者都选用硅管,以保证其输入特性的对称。
若输入特性不对称，则很容易就会产生非对称失真。
具体电路图设计：
基本部分：
仿真部分：
放大电路的失真与改善部分使用一个电路实现。
饱和、截止失真的原因是工作点选取的不合适，而静态工作点是由输入回路决定的。
改变静态工作点有两种方案，改变分压电阻Rb,或者改变射极电阻Re最后选择改变分压电阻Rb。
因为电位器只有10K和500K两种型号，电阻过大，会导致回路电流偏小，导致输出电流很小。
Re不但与输入回路有关而且与输出回路有关。
改变Re不但影响Uceq而且对增益的影响较大，因此Re应采用定值电阻，实验应改变Rb的阻值实现静态工作点的移动。
耦合电容和旁路电容的选取对实验也有影响。
去掉耦合电容输出信号明显减小了，而去掉旁路电容也会减小增益。
最后为了得到1v的标准输出，选择了如下电路。
改变R4阻值可以得到不同的波形
R5=25%时出现饱和失真：
R5=50%时出现标准输出波形：
R5=75%时出现截止失真：
仿真的时候已经发现截止失真的时候输出偏小，实验现象不明显。
实际电路部分：
（1）Vpp=50mV,未失真的正弦信号
（2）顶部失真：
Vpp=200mV
（2）底部失真：
1Vpp=200mV
（3）双向失真Vpp=500mv
（4）交越失真
我们分析知道，为使输出波形为交越失真。
我们可以采用乙类功率放大器，改进时使用甲乙类功率放大器。
如图所示，当采用乙类功放电路使，仿真输出波形出现了交越失真现象。
闭合开关后示波器如图：
为消除交越失真，可断开开关，接入两个二极管，使三极管处在临界导通状态
断开开关后：
当直接采用单电源供电时，输入信号的负半部分由于没有直流偏置，无法正常放大，为使负半部分信号正常放大，我们可以在输入端加入耦合电容，由理论分析我们可知，输出信号有VCC/2的直流偏置。
为消除直流偏置，我们可以在输出端也加入耦合电容。
仿真电路图如下：
发挥部分：
仿真部分：
下图放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真。
由波形图可知，此电路产生的是非对称失真，我们可以采用如下图所示电路:
实际搭建的电路所产生的失真波形如下：
为了消除非对称失真，我们可以引入负反馈，从而减小反馈环内失真，电路及仿真结果如下：
实际搭建的电路所得波形如下：
由结果可见，引入负反馈之后，不对称失真现象被消除，但是增益有所降低.
三、电路测试
测试方法：
1.测输入电阻。
输入电阻Ri是指从放大电路输入端看进去的等效电阻。
Ri的值越大，表明放大电路从信号源索取的电流越小，放大电路所得到的输入电压ui就越接近信号源电压us换句话说放大电路能从信号源获取较大电压。
串联电阻法测输入电阻：
在被测的放大电路的输入端与信号源之间串入一个已知电阻Rn，只要分别测出放大器的输入电压Ui和输入电流Ii，就可以求出：
测量时应注意以下几点：
（1）由于电阻Rn两端没有电路公共接地点，所以测量Rn两端电压时必须分别测出US和Ui，然后按UR=US-Ui，求出UR。
（2）电阻Rn的值不宜取得过大，过大会引入干扰；但也不宜取得太小，太小易引起较大的测量误差。
最好取Rn和Ri的阻值为同一数量级。
（3）测Ri时输出端应该接上RL，并监视输出波形，保证在波形不失真的条件下进行测量。
2．放大电路输出电阻Ro的测量
从放大电路输出端看进去的等效内阻称为输出电阻Ro，输出电阻的大小反映了放大器带负载的能力。
由于负载与输出电阻具有串联的关系，因此值越小，带负载的能力越强。
放大器输出端可以等效为一个理想电压源uo和输出电阻Ro相串联。
放大器输出电阻Ro的测试放大器输出端可以等效成一个理想电压源Uo和Ro相串联，如图2-3所示。
在放大器输入端加入Ui电压，测出输出端不接负载RL输出电压Uo和接入负载RL输出电压UL，即
注意：
要求在接入负载RL前后，输入信号的大小不变,放大器的输出波形无失真。
3.通频带的测量。
将运放输入端输入频率为f=1KHz的正弦波信号电压，同时也输入示波器的一个通道观察其波形，并测量出它的峰峰值电压Uip-p。
将运算放大器的输出电压输入示波器的另一个通道,在观察的波形不失真的情况下，测量出其峰峰值电压Uop-p。
电压放大倍数Au=Uop-p/Uip-p。
将信号发生器频率f分别往高端和低端逐渐调节，并保持Uip-p不变的条件下。
测量输出电压Uop-p，当Uop-p下降到频率f=1KHz时的0.707倍时，读出此时高端对应的频率fH和低端对应的频率fL，同频带B=fH-fL。
测试数据：
Rb1
Rb2
Rc
Re1
Re2
输入信号（mV）
输出信号（V）
放大倍数
正常放大
15k
1k
15k
1k
333.3
50
1.12
22.4
饱和失真
10k
2k
12k
1k
500
100
0.39
3.9
截止失真
10k
2k
500
1k
0
150
4.63
30.867
双向失真
15k
1k
24k
1k
0
150
11.56
77.067
数据分析：
所有Rb1与Rb2的并联值只有1k-3k左右，较小，目的是使其等效电路中分压较小，于是B端电压就近似等于Vcc*Rb2/（Rb1+Rb2），利于B端静态工作点的调节。
正常放大时，Rc与交流反馈电阻Re2取得都适中，使得放大倍数为22.4倍。
在此基础上，若要达到饱和失真，应使B端电压提高，即Rb2/Rb1比值变大，进而C端电流变大，Uce变小，达到饱和失真。
若要达到截止失真，则需工作点升高，实际电路中改变B极电阻效果不明显，于是采用改变Rc的方法，将Rc降低为500ohm，为使放大倍数不因此下降，将交流反馈电阻取消。
若要达到双向失真，则应使静态工作点始终，所以B极电阻正常放大相同，同时应极力使放大倍数升高，于是将交流反馈电阻取消，并且增大Rc到24kohm，最后是的输出电压达到11.56v，完成双向失真。
问题与改进：
在产生截止失真时，输入Vpp=100mv的电压现象并不明显，究其原因是在增大Rb降低工作点的同时，增益也会下降。
改进方法是又加了一个CE组态放大电路提高输入电压，采用两级放大。
极间耦合采用阻容耦合的方式并且可以引入负反馈防止温飘
四、失真研究思考题
（1）造成单级放大电路失真的器件有哪些？
Re的作用是什么？
晶体管、不合适的直流偏置电路与不合适的器件都会引起放大电路失真。
Re可以作为反馈网络以减小失真。
（2）由单电源供电的运算放大器电路会出现哪种失真？
单电源供电一半会出现一部分输入信号没有合适的直流偏置而无法放大，导致输出信号无对应波形，是线性失真。
若不引入二极管使三极管在无信号输入时处于临界导通状态，还有可能出现交越失真
（3）负反馈可解决波形失真，解决的是哪类失真？
负反馈可以解决反馈环内的非线性失真，但不能解决反馈环外的失真。
（4）消除交越失真为什么要用二极管？
二极管导通会在两端产生一个压降，而这个压降与对应三极管PN结导通所需要的偏置电压是相等的，可以使三极管在无信号输入时处于临界导通状态
（5）放大电路加入负载后会出现失真吗？
为什么？
可能会。
当加入的负载时是符合要求的电阻负载时，不会产生失真，但若改成大容性或感性负载会出现相位失真。
（6）如何测量放大电路的输入电阻、输出电阻和通频带。
1.测输入电阻。
输入电阻Ri是指从放大电路输入端看进去的等效电阻。
Ri的值越大，表明放大电路从信号源索取的电流越小，放大电路所得到的输入电压ui就越接近信号源电压us换句话说放大电路能从信号源获取较大电压。
串联电阻法测输入电阻：
在被测的放大电路的输入端与信号源之间串入一个已知电阻Rn，只要分别测出放大器的输入电压Ui和输入电流Ii，就可以求出：
测量时应注意以下几点：
（1）由于电阻Rn两端没有电路公共接地点，所以测量Rn两端电压时必须分别测出US和Ui，然后按UR=US-Ui，求出UR。
（2）电阻Rn的值不宜取得过大，过大会引入干扰；但也不宜取得太小，太小易引起较大的测量误差。
最好取Rn和Ri的阻值为同一数量级。
（3）测Ri时输出端应该接上RL，并监视输出波形，保证在波形不失真的条件下进行测量。
2．放大电路输出电阻Ro的测量
从放大电路输出端看进去的等效内阻称为输出电阻Ro，输出电阻的大小反映了放大器带负载的能力。
由于负载与输出电阻具有串联的关系，因此值越小，带负载的能力越强。
放大器输出端可以等效为一个理想电压源uo和输出电阻Ro相串联。
放大器输出电阻Ro的测试放大器输出端可以等效成一个理想电压源Uo和Ro相串联，如图2-3所示。
在放大器输入端加入Ui电压，测出输出端不接负载RL输出电压Uo和接入负载RL输出电压UL，即
注意：
要求在接入负载RL前后，输入信号的大小不变,放大器的输出波形无失真。
3.通频带的测量。
将运放输入端输入频率为f=1KHz的正弦波信号电压，同时也输入示波器的一个通道观察其波形，并测量出它的峰峰值电压Uip-p。
将运算放大器的输出电压输入示波器的另一个通道,在观察的波形不失真的情况下，测量出其峰峰值电压Uop-p。
电压放大倍数Au=Uop-p/Uip-p。
将信号发生器频率f分别往高端和低端逐渐调节，并保持Uip-p不变的条件下。
测量输出电压Uop-p，当Uop-p下降到频率f=1KHz时的0.707倍时，读出此时高端对应的频率fH和低端对应的频率fL，同频带B=fH-fL。
（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？
会，因为场效应管也有不同的工作区，通过调整静态工作点的位置可以产生不同的失真。
（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？
不会，因为场效应管只有多子参与导电，而三极管有多子和少子两种载流子参与导电，因少子浓度受温度影响较大，所以场效应管比三极管温度稳定性好。
所以温度升高时，场效应管组成的电路不会产生同样失真。
（9）归纳失真现象，并阐述解决失真的技术。
失真现象包括：
截止失真，饱和失真，双向失真，交越失真，不对称失真等。
放大电路是一种幅度的变化运算，对于理想的的放大电路，其输出信号应当如实的反映输入信号，即他们尽管在幅度上不同，但波形应当是相同的．但是，在实际放大电路中，由于种种原因，输出信号不可能与输入信号的波形完全相同，产生了失真．
非线性失真是放大器件的工作点进入了特性曲线的非线性区，使输入信号和输出信号不再保持线性关系而产生的失真．常见非线性失真有五种：
饱和失真、截止失真、双向失真、交越失真和不对称失真。
当静态工作点太低时，导致输出波形失真，则为截止失真；当静态工作点太高时，导致输出波形失真，则为饱和失真。
饱和失真、截止失真是由于静态工作点选择不合适造成的，而双向失真是由于输入信号太大造成的。
它的改进方法：
饱和失真：
使静态工作点下移。
对于射极偏置电路，方法是增加基极的电
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