北交 模电实验 放大电路的失真研究.docx

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北交模电实验放大电路的失真研究

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：

电子信息工程学院

专业：

通信工程

学生姓名：

学号：

任课教师：

2014年6月1日

目录

一、实验题目及要求1

1.1实验题目1

1.2实验要求1

1.2.1基本要求1

1.2.2发挥部分2

1.2.3附加部分2

1.2.4失真研究3

二、实验目的与知识背景3

2.1实验目的3

2.2知识点3

三、实验过程4

3.1饱和截止双向失真4

3.1.1选取的实验电路及输入输出波形4

3.1.2每个电路的讨论和方案比较4

3.1.3分析研究实验数据6

3.2交越失真7

3.2.1选取的实验电路及输入输出波形7

3.2.2每个电路的讨论和方案比较7

3.2.3分析研究实验数据8

3.3非对称失真8

3.3.1选取的实验电路及输入输出波形8

3.3.2每个电路的讨论和方案比较9

3.3.3分析研究实验数据9

3.4增益带宽积9

3.4.1选取的实验电路及输入输出波形9

3.4.2每个电路的讨论和方案比较9

3.4.3分析研究实验数据11

3.5容性负载11

3.5.1选取的实验电路及输入输出波形11

3.5.2分析研究实验数据11

3.6语音放大12

3.5.1选取的实验电路及输入输出波形12

3.6.2分析研究实验数据12

3.7失真研究12

四、总结与体会14

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。

14

4.2对本课程的意见与建议14

五、参考文献14

一、实验题目及要求

1.1实验题目

放大电路的失真研究

1.2实验要求

1.2.1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，如图一。

图一正常正弦波

（2）设计电路并改进，使得放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真如下图二。

讨论产生失真的机理，阐述解决问题的办法。

图二顶部失真

（3）设计电路并改进，使得放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真如下图三。

讨论产生失真的机理，阐述解决问题的办法。

图三底部失真

（4）设计电路并改进，使得放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真如下图四。

讨论产生失真的机理，阐述解决问题的办法。

图四双向失真

（5）设计电路并改进，使得放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真如下图五。

讨论产生失真的机理，阐述解决问题的办法。

图五交越失真

1.2.2发挥部分

（1）设计电路并改进，使得放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真如下图六。

讨论产生失真的机理，阐述解决问题的办法。

图六非对称失真

（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2kΩ,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，振荡频率提高至fT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）的输出波形失真。

1.2.3附加部分

（1）设计一频率范围在20Hz～20kHz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。

1.2.4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fT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）截止失真、饱和失真、双向失真、交越失真等失真原理。

（2）射极偏置电路、功率放大电路和负反馈电路等基本电路的分析。

（3）不同电路的调试方法，故障分析及排除方法，掌握系统的电子电路实验技术。

（4）各种失真产生的原因及解决方法。

三、实验过程

3.1饱和截止双向失真

3.1.1选取的实验电路及输入输出波形

图1饱和截止双向失真电路图

图2正常正弦波

图3双向失真

图4顶部失真

图5底部失真

3.1.2每个电路的讨论和方案比较

（1）失真原理

图为输入、输出波形关系

①截止失真原理

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时，发射结才有电流通过，而当发射结被加反向电压时（不超过反向击穿电压），只有很小的反向电流通过，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a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。

②饱和失真原理

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：

a.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。

b.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。

c.当集电结所加电压为零，三极管处于饱和放大的临界状态。

③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。

（2）解决方法

①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。

即是减小Rb1或者增大Rb2。

②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。

即是增大Rb1或者减小Rb2。

③双向失真：

减小输入信号或者换晶体管。

3.1.3分析研究实验数据

R1:

500kΩ电位器

R2、R3、R7：

15kΩ

R4:

1kΩ

R5：

100kΩ

R6:

10kΩ

C1C2：

10uF

C3:

22uF

（1）截底截顶饱和双向失真

频率：

2KHz

幅度：

500mVp

截顶失真约120kΩ

截底失真约350kΩ

放大电路约240kΩ

（2）双向失真输入约1.5Vp

3.2交越失真

3.2.1选取的实验电路及输入输出波形

图6交越失真电路图

图7交越失真

图8改善波形

3.2.2每个电路的讨论和方案比较

（1）失真原因

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2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VBE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,2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。

（2）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是，三极管也工作在线性区域。

既是甲乙类功率放大器。

3.2.3分析研究实验数据

R1、R2、R4、R5:

1kΩ

R3:

10kΩ

D1、D2:

1N4148

Q1:

2N2222A

Q2:

2N3702

通过开关的调节，实现二极管电路失真与不失真的转换。

3.3非对称失真

3.3.1选取的实验电路及输入输出波形

图9非对称失真电路图

图10非对称失真

图11改善波形

3.3.2每个电路的讨论和方案比较

（1）失真原因

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。

（2）解决方法

采用负反馈，减小环内的非线性失真。

我们采用交直流混合电流并联负反馈。

在本实验中，合上开关，则接入负反馈电路，从而消除不对称失真。

3.3.3分析研究实验数据

Q1、Q2、Q3：

2N4401

C1、C2:

10uF

R1、R2、R3、R4、R5、R6:

10kΩ

R7、R8:

1kΩ

在本实验中，合上开关，则接入负反馈电路，从而消除不对称失真。

3.4增益带宽积

3.4.1选取的实验电路及输入输出波形

图12增益带宽积电路图

3.4.2每个电路的讨论和方案比较

（1）频率失真的原因

频率失真：

又称线性失真，是由于线性电抗元件所引起的,它包括幅度失真和相位失真。

假设某系统传输函数为H（jw），它规定了不同频率的信号经过此系统时产生的不同的幅度和相位的变化。

信号传输应用中，线路发送侧发出某一频率的信号，而这个信号的传输信道在此时就等价于一个传输系统（因为事实上的传输包括复用、解复用和各种转换；线路传输中会有衰减、回波损耗等），这导致在接收端收到的信号与原信号在相位和幅值上是有差别的，且这种差别因频率而变，这就叫频率失真。

（2）幅度失真的原因

幅度失真：

输入信号由基波和二次谐波组成，受放大电路带宽限制（对于一个集成放大器，它有一个特定的增益带宽积，故频率大的谐波分量，放大倍数低）,基波增益较大，而二次谐波增益较小，输出电压波形产生了失真。

（3）相位失真的原因

相位失真：

指的是信号在传输和放大过程中发生了时间延迟。

电容和电感对交流信号（电压或电流）具有延迟作用。

当一个交流信号经过电容、电感和电阻的时候，会有一个充放电的过程，这会导致这个交流信号的幅度变化时间“向后”推迟一段时间。

在各种交流放大器中，采用的元器件或者是电感电容，或者是含有电感电容成分，而任何一个放大电路或者元器件我们都可以通过等效电路转换成电感、电容、电阻和理想有源器件的组合。

总的来说引起频率失真的原因主要有放大电路存在电抗性元件，这些电抗性原件主要有耦合电容、旁路电容、分布电容、变压器、分布电感等，而影响低频增益的电抗性元件主要有耦合电容与旁路电容，影响高频增益的电抗性元件主要有晶体管的结电容及引线等一些杂散电容

引起频率失真的另外一个原因就是三极管是频率的函数，低频小信号模型不再适用，因为管子的β值随着信号频率的增加而减小，也会导致高频增益的下降。

这时在研究频率特性曲线时需要采用高频小信号模型。

中频段：

电压放大倍数近似为常。

低频段：

耦合电容和发射极旁路电容的容抗增大，以致不可视为短路，因而造成电压放大倍数减小。

高频段：

晶体管的结电容以及电路中的分布电容等的容抗减小，以致不可视为开路，也会使电压放大倍数降低。

3.4.3分析研究实验数据

R1、R3:

10kΩ

R2:

24kΩ

R4:

500kΩ

LM324N

开关控制失真与非失真的转换。

3.5容性负载

3.5.1选取的实验电路及输入输出波形

图13容性负载电路图

图14三角波

图15改善波形

3.5.2分析研究实验数据

R1、R2、R3:

1kΩ

R4:

100kΩ

R5:

2kΩ

C1:

22uF

LM324N

3.6语音放大

3.5.1选取的实验电路及输入输出波形

图16语音放大电路图

3.6.2分析研究实验数据

R1:

10kΩ

R2:

4.7kΩ

C1、C2:

0.1uF

C3:

100uF

LM358N

3.7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？

由单电源供电的运算放大器电路会出现线性失真。

（2）负反馈可解决波形失真，解决的是哪类失真？

用负反馈是可以减少失真，但要牺牲db值。

失真分饱和失真、交越失真、频响速率不够失真、动态范围不够失真多种因素。

（3）测量增益带宽积fT有哪些方法？

①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。

②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？

提高频率后若失真，属于频率失真。

（5）电阻负载改成大容性负载会出现什么失真？

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？

负反馈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？

可以。

（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？

是。

（9）归纳失真现象，并阐述解决失真的技术。

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

我们知道，所有电路相当于一个特定的数学运算，放大电路实现一种幅度变化运算。

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压。

截止失真：

使静态工作点上移。

对于射极偏置电路，方法是减小基极的电压。

双向失真：

减小输入信号或者换晶体管。

交越失真是在乙类功率放大器中，当输入信号变化时，不足以克服三极管的死区电压，三极管不导通电。

在正、负半周交替过零处会出现一些失真。

它的改进方法：

去除失真的原理：

我们可以改变静态工作点，加大电阻阻值或者加两个二极管，产生0.7V压降的静态工作点电压，使没有输入信号，三极管也工作在线性区域。

既是甲乙类功率放大器。

不对称失真，就是由于工艺等因素，导致电路不对称使输出信号的正负半周信号幅度、波形，与输入信号不一致。

它的改进方法：

我们可以采用负反馈，减小反馈环内产生的非线性失真。

线性失真是放大器的频率特性不好，对输入信号中不同频率成分的增益不同或延时不同而产生的失真．线性失真是由于放大电路中有隔直流电容、射极旁路电容、结电容和各种寄生电容，使得它对不同频率的输入信号所产生的增益及相移是不同的．常见的线性失真是相位失真。

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。

在动手实践之前，向学长学姐咨询了相关注意事项，网上搜集资料也占据了很大的准备工作。

做好电路图、买好元件之后，我并没有急于焊板子，而是先用Multisim进行仿真。

经过仿真，发现也解决了很多问题。

同时通过和同学的交流探讨，了解了电路图设计的基本思路和技巧，在这个前提下焊板子，感觉心里有底。

焊接前，发现还是集体的智慧很大，电阻可以查阅色环标示，更简单的是直接用万用表测量。

准备工作还包括将滑动变阻器、双向开关等器件的管脚研究清楚，再动起手来，就得心应手了。

检查电路占据了我们大部分的时间，每个电路都不是一次性就检查通过的，每次出的图形不对时，我都要反复检查焊板，查找断点或者虚焊，然后改进。

通过这次的实践研究，我的收获很大，认识了许多新的朋友，动手实践能力也得到大大的提高，对于模电理论也有了更深的理解。

通过此次研究失真，我知道了失真在放大电路中是时时刻刻存在的，有时候是有益的、但有的时候又是有害的，比如在研究利用负反馈消除波形失真时就是利用负反馈先产生一个上小下大的波形，再将波形通过放大环节，这样就能产生一个正常波形，又例如交越失真它是由于电压在零点附近无法克服其死区电压发生漂移而产生的，由此我们可以看出任何事物都有其两面性既有利也有弊，只是在不同的情况下表现不同，由此我们想要做的就是扬长避短，将其优点发挥的更好，不断地减小其缺点，这样真正造福于人类。

4.2对本课程的意见与建议

希望增加实验室开放时间

五、参考文献

[1]路勇.模拟集成电路基础.中国铁道出版社，2010

[2]刘颖.模拟电子技术.清华大学出版社北京交通大学出版社，2008

[3]侯建军.电子课程综合设计与仿真教程.北京交通大学出版社，2009

[4]刘贵栋.电子电路的Multisim仿真实践.哈尔滨工业大学出版社.2008

[5]杨欣.电子设计从零开始（第2版）.清华大学出版社.2010

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