《模拟电子技术》 放大电路失真现象研究要点.docx

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《模拟电子技术》放大电路失真现象研究要点

《模拟电子技术》研究性课题论文

学院电子信息工程学院

专业通信工程

学号

姓名

指导教师

2013年5月

放大电路失真现象的研究

摘要：

运算放大器广泛应用在各种电路中，但是同时伴随着失真现象。

一个理想的放大器，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，时间上也可能有延迟，但波形应当是相同的．但是，在实际放大器中，由于种种原因，输入信号不可能与输入信号的波形完全相同，这种现象叫做失真。

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：

失真失真原因失真解决方法

Abstract：

Operationalamplifiersarewidelyusedinvariouscircuits,butatthesametimeitaccompaniedbydistortion.Anidealamplifier,theoutputsignalshouldaccuratelyreflecttheinputsignal,eveniftheydifferinamplitude,timemaybedelayed,buttheyshouldhavethesamewaveform.However,duetovariousreasons,theoutputsignalcannotbeidenticaltothewaveformoftheinputsignalinpracticalamplifier,thisphenomenoniscalleddistortion.Thispaperstudiesthebasicamplifyingcircuitnonlineardistortionandproposedtoeliminatethenon-lineardistortion.

KeyWords:

DistortionCauseofthedistortionDistortion solution

一、饱和失真

产生饱和失真的原因

下图所示为工作点太高的情况,由下图可知,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,=β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。

这种失真是因由于工作点取的太高,输入正半周信号时,三极管进入饱和区而产生的失真,所以称为饱和失真。

消除失真的方法

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（如图2）,

图2

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。

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。

二、截止失真

截止失真产生的原因

下图所示为工作点太低的情况,由图可知,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=0,=0,输出电压==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。

消除截止失真的方法

同样对由NPN管子组成的共发射极放大器来说,当输出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。

三、双向失真

产生双向失真的原因

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号过大导致三极管在放大时出现了双向失真。

消除双向失真的方法

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。

四、交越失真

交越失真产生的原理

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

图4

电路中T1和T2分别为NPN和PNP型管,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。

正负半周期的等效电路分别如图：

图5

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,必须在大于某一数值（即门坎电压,硅管约为0.6v，锗管约为0.2v，）时才有显著变化。

当低于这个数值时和基本为零,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。

下图为交越失真产生的图像：

图6

克服交越失真的方法

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=,=0,=0。

有信号时,由于电路工作在甲乙类,即使很小,基本上也可以进行线性放大。

但是图7的缺点就是其偏置电压不易调整,改进电路如图8所示,在图8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=（R1+R2）/R2,因此,利用T4管的be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。

图7

图8

五、负反馈改善失真波形

负反馈改善失真波形原理

下图是处于开环状态下的放大电路

图9

由于放大器对信号正半周放大能力强，负半周能力弱，这样就会使输出波形上大下小

图10

为了补偿这种失真，我们采用闭环负反馈放大电路，

图11

输入波形通过放大器产生一个上大下小的波形，

图12

这个失真的波形通过负反馈环节反馈到输入环节与输入波形相叠加产生波形再通过放大环节使得输出信号近似于线性放大，补偿了放大器所造成的失真

图13

负反馈缺点

但是负反馈改善波形的实质是利用失真减小失真，但不能完全消除失真，而且负反馈只能减小反馈环内的失真，如果输入信号本身就是失真的负反馈则不能改善其失真。

六、频率失真

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。

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。

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的（w）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。

图14

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。

课外失真研究

七、瞬态互调失真

瞬态互调失真，简称TIM失真，是20世纪70年代公开发布的一种失真，它与负反馈关系密切。

在输入脉冲性瞬态信号时，电路中的电容使输出端不能立即得到应有的输出电压，而使得负反馈电路不能得到及时的响应，功率放大器在这一瞬间处于开环状态，使输出瞬间

过载而产生削波，这一削波失真称为瞬态互调失真，这种失真在胆机（用电子管的放大器）上表现较为严重。

瞬态互调失真产生的原理

负反馈的作用使输出起到与输入相反的作用，使系统输出与系统目标的误差减小，系统趋于稳定，从而大幅度减少失真。

但由于负反馈使输入信号和反馈的输出信号相减，降低了信号电平，当负反馈量大到使输出信号降低到和输入信号电平相同，即整个线路完全没有放大时，这种放大器叫缓冲放大器，它有输入阻抗高，输出阻抗低的优点，常被用来作阻抗匹配使用。

如要要使输出信号有较大的电平，那放大器的增益要相应加大，而这在胆机和晶体管机中并不困难。

但负反馈在有效地降低失真时，却引起新的失真即瞬态互调失真，这种失真在石机（以半导体器件为放大元件的音频功率放大器）上最为严重。

这是因为石机常用高达50-60dB左右的深度负反馈来提高工作稳定性和减少失真，虽然此时晶体管机将轻易获得较高的技术参数。

但有得也有失，为减少由深度负反馈所引起的高频寄生振荡，石机一般要在前置推动级的晶体管集电极和基极之间加入一个小电容，使高频段的相位稍为滞后，但无论电容的容量如何小，也要有一定时间来充电，当信号中含有高速瞬态脉冲时，电容充电速度跟不上时，这一瞬间线路是处于没有负反馈状态，这个时候由于输入信号没有和负反馈信号相减，造成信号电平过强，使放大线路瞬时过载，由于石机负反馈量大，过载强度更高，常达到几十倍以上，此时输出信号会出现削波现象，瞬态互调失真由此产生，由于石机中这种失真出现最多，因此该失真常被称为“晶体管”声。

消除瞬态失真的方法

瞬态互调失真是由于负反馈放大器延时时间内增益特别大产生的，只要控制好这段时间内的增益即可消除瞬态互调失真。

为了消除瞬态互调失真，在信号进入放大器的正相输入端的同时，也在负相输入端加上负反馈信号控制它的增益。

虽然负反馈的时间延迟很难解决，但要减少其影响，可用大环路浅度负反馈，这样就算有负反馈时间延迟，输入信号也不过强；另外也可用多级负反馈，这样由于反馈时间快，路径短，不容易诱发瞬态互调失真。

此之外，在设计制作时还应尽量利用各种屏蔽和滤波措施来减少各种高频干扰信号进入放大器，这些射频干扰虽然人耳听不见，但它们的频率很高，极易诱发瞬态互调失真。

瞬态互调失真是当

信号速度超过放大器的瞬态响应能力范围之外才会发生的，另外，除了这处失真外，过快的信号也会产生另一种即振铃失真现象，当输入信号速度快而幅度小时，最先出现的是振铃现象，当这个信号的速度快到某种程度时瞬态互调失真也会出现，但当信号速度快兼幅度大时，是直接进入瞬态互调失真状态。

各种各样的速度快但幅度小的高频干扰噪音，最容易引发振铃。

八、总结

本文主要研究了放大电路中的失真现象，简要的阐述了各种常见的失真的原因、原理以及如何消除或者降低这些失真。

在初次着手这次课题时我的想法就是每一个失真自成一部分，每个部分分别按照其原理原因以及消除或减小该失真往下写，没有像其他同学那样是按照线性失真与非线性失真写的，我认为这样写的时候我的思路会更清晰一些，条理也更明朗。

在做完这些初期准备之后，就真正开始下手写这篇论文，首先就是收集课内的资料，我把放大电路失真部分的章节及课件又重新研读了一遍，但是发现里面的信息太少了，为此我就通过网络检索，但是网络检索的缺点就是各种知识泛滥，根本找不出多少真正有价值的东西，而且其中不乏许多错误的东西，真正有用的还是学校图书馆，在图书馆阅览室里面我查到了一部分我想要的东西，在电子阅览室的各数据库里面又陆续检索到一些有价值的资料，搜集资料也就告一段落。

接下来就是自己需要写的时候了，由于以前没有写过论文，经验不足，事情并没有想象中的顺利，其中包括论文章节的安排、排序和排版，都不尽人意，但是在写论文的过程中我对许多知识有了进一步的认识、将以前一些错误也改正了过来，比如：

以前我认为交越失真是甲类功率放大器和乙类功率放大器所共有的，但在论文写作时才知道原来我以前理解是错误的，交越失真是由于甲类功率放大器的效率比较低，为了提高效率，将放大器进行改进得到了乙类功率放大器，乙类功率放大器放大的效率比较大，但是电压在零值附近是，由于三极管存在死区电压，于是就发生了交越失真。

在论文初稿完成之后，由于很多地方不符合其规范要求，比如文章标题、图片、段落，这就进行了第二次的重新排版，在此次排版过程中，对整篇论文进行了重新安排，生成规定的论文格式。

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。

这次研究不仅是简单的使我对三极管有了更进一步的认识，还使我分析问题的方法有了一定的提升，即首先是发现和提出问题，研究问题找出其中的突破口，然后通过此突破口找出问题本质所在，然后再提出详细的解决方案，例如在这次写论文时先是找出常见失真，这些失真产生原因有哪些，如何改进这些失真，然后就是查阅资料，对资料进行筛选，利用筛选出的资料自己在去写这篇论文，经过最终的排版得到这篇论文，这样分析问题的方法也会是复杂的问题逐步简单化，便于理解吸收再消化！

参考文献：

[1]路勇，刘颖，侯建军.模拟集成电路基础[M].北京：

北京交通大学出版社,2008

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[3]陈希湘，张明波.三极管放大电路波形失真分析小结[J].电脑知识与技术,2012,6:

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