放大电路失真现象研究12213010

1、国家电工电子实验教学中心模拟电子技术实验实验报告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：电子科学与技术学生姓名：学 号：任课教师：侯建军*黄亮 2014 年 5 月 20 日目录实验题目： 放大电路的失真研究01 实验题目及要求12 实验目的与知识背景23 实验过程23.1 选取的实验电路及输入输出波形23.2 每个电路的讨论和方案比较94 总结与体会155 参考文献201 实验题目及要求（写明实验任务要求，可复制题目原文。）1、基本部分（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

2、。（2） 放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真（顶部、底部、双向、交越失真），若达到要求，如何设计电路，并修改。2、发挥部分（1）放大电路输入是标准正弦波，其输出波形出现不对称失真。（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2k,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2k替换为容抗负载20mF，观察失真的输出波形。 （5）

3、设计电路，改善发挥部分（4）的输出波形失真。3、附加部分（1）设计一频率范围在20Hz20kH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

4、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。 2 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。（2）射极偏置电路、乙类、甲乙类功率放大电路和 负反馈电路。（3）克服各种失真的技术。3 实验过程3.1 选取的实验电路及输入输出波形1、基本部分（1） 输入一标准正弦波，频率2kHz，幅度50mV，输出正

5、弦波频率2kHz，幅度1V。电位器位于15%位置分析知道，其增益为：正常放大实验图（2、3、4）设计电路使电路输出波形顶部、底部、双向失真，并改进。对于射级偏置电路，当静态工作点太低（电位器位于15%以下）时，导致输出波形失真，则为截止失真；当静态工作点太高（电位器位于55%以上）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。顶部失真实验图底部失真实验图双向失真实验图（5）设计电路使电路输出波形交越失真，并改善。此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。交越失真实验图交越失真改善图2、发挥部

6、分（1）放大电路输入是标准正弦波，其输出波形出现不对称失真。不对称失真是因为晶体管等元器件的非线性特性而引起的失真不对称仿真图不对称改善图不对称失真电路图不对称失真实验对比图（2） 选择一运算放大器LM324Na.增益带宽积表示增益和带宽的乘积，因此，我们测量增益带宽积fT 时，可以根据定义来测量，即先测量中频增益，然后测量带宽。J2断开，测出增益带宽积fT； 电路频率仿真图及计算过程b.用运放设计电路实现饱和，截止，双向失真J2闭合，利用J1和电位器来控制工作点，并产生顶部、底部失真；加大输入电压，将产生双向失真。运放顶部失真（按下开关后改变偏置出现底部失真）运放双向失真电路图（3） 将运放

7、接成任意负反馈放大器，要求负载2k,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。J1接通1k电阻，J2接通2k电阻通过示波器测量，当振荡器频率提高至fT/100的95%，观察输出波形没有失真，若将振荡器频率提高至fT/100的110%，观察输出波形失真。（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2k替换为容抗负载20uF，观察失真的输出波形。J1接通100k电阻，J2接通20uf电容通过示波器测量，发现波形失真。容性负载失真电路图（5） 设计电路，改善发挥部分（4）

8、的输出波形失真。通过引入负反馈电路，消除容性负载失真，如下图，闭合开关J3容性负载失真改善图3、附加部分（1）设计一频率范围在20Hz20kH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。3.2 每个电路的讨论和方案比较（在实验过程中遇到的问题包括自拟构思的问题、产生原因、解决方法。）（1）.双向饱和截止失真的原理分析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；锗管为）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，

9、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 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

10、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

11、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，即=0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。图3-1 射级偏置电路解决方法：截止失真：使静态工作点上

12、移。对于射极偏置电路，方法是增加基极的电压。既是减小Rb1或者增大Rb2.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Rb1或者减小Rb2.双向失真：减小输入信号或者换晶体管。（2）通过交越失真设计，讨论产生失真的机理，阐述解决问题的办法。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

13、, 即存在死区电压V r . 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。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）通过不对

14、称失真设计，讨论产生失真的机理，阐述解决问题的办法。f.不对称失真失真的机理：不对称失真是元器件的非线性特性而使输出信号的正、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。（4）讨论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。NPN型管，截止失真是顶部削平，饱和失真是底部削平，PNP型管，截止是底部削平，饱和顶部削平。（5）讨论共基放大电路、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。电路形式共射极放大电路共集电极放大电路共基极放大电路电路放大系数较大，例如200较大，例如200=<1电压放大系数较大，例如200=<

15、1较大，例如100功率放大倍数很大，例如20000较大，例如300较大，例如200输入电阻中等，例如5K较大例如50K较小，例如50输出电阻较大，例如10K较小，例如100较大，例如5K输出与输入电压相位相反相同相同特点一般用作放大电路的中间级；共射极放大器的集电极跟零电位点之间是输出端,接负载电阻当前极提供给放大电路同样大小的信号电压时，所需提供的电流减小，从而减轻了信号源的负载。高频特性较好；多用于高频和宽频带电路或恒流源电路中（6）负反馈可解决波形失真，解决的是哪类失真？ 负反馈解决反馈环内的非线性失真，不能解决反馈环外的失真。（7）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

16、何使单电源供电的功率放大器不失真？双电源供电的功率放大器改成单电源供电会出现一部分没有波形，线性失真。（8）由单电源供电的运算放大器组成电路会出现哪种失真？为了消除失真，可以采用电源的中点电压供电。因为采用电源的中点电压的话，负半周的交流信号可以几乎没有损耗的被放大。这也就是大家常说的太高交流信号的直流电平。（9）测量增益带宽积fT有哪些方法？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。（10）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。（11）电阻负载改成大容性负载会出现什么失真？

17、电阻负载改成大容性负载会出现相位失真。（12）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？会，温度影响的半导体的特性参数，场效应管和晶体管一样是有半导体制成的。（13）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。（14）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

18、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

19、输入信号或者换晶体管。 交越失真是在乙类功率放大器（图8）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。4 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。本次放大电路失真现象研究历时5周，开始做的第一周是一无所知的。然后开始知道Multisim软件，并自学了软件的使用。接下来的两周一直通过软件进行所有失真电路的仿真，并且去中发采购原件。后两周几乎是在实验室度过的，但是由于焊接技术及对示波器使