模電實驗報告-吳佳倩-12213083-電子1203班

1、國家電工電子實驗教學中心模擬電子技術實驗實驗報告國家電工電子實驗教學中心模擬電子技術實 驗 報 告實驗題目： 放大電路的失真研究 學 院：電子信息工程學院專 業(yè)：電子科學與技術學生姓名：吳佳倩學 號：12213083任課教師：黃亮2014 年 5 月 31 日目 錄模擬電子技術課程實驗設計1.設計題目及實驗要求12.實驗目的及知識背景42.1飽和失真與截止失真52.1.1截止失真62.1.2飽和失真62.2 雙向失真72.3 交越失真72.4 不對稱失真82.5 增益帶寬積82.6 容性負載92.7 語音放大93實驗過程93.1截止、飽和、雙向失真電路93.2交越失真電路143.3不對稱失真電

2、路173.4 增益帶寬積183.5 容性負載193.6 語音放大213.7 失真研究214總結與體會285參考文獻29 1實驗題目及要求實驗題目：放大電路失真的研究實驗要求：1、 基本要求（1）輸入一標準正弦波，頻率2kHz，幅度50mV，輸出正弦波頻率2kHz，幅度1V。 0.5Vtuo0.5ms正弦波與常見失真波形如下： 正常波形 頂部失真 底部失真 雙向失真 交越失真 非對稱失真（2）下圖放大電路輸入是標準正弦波，其輸出波形失真。50mVtui0.5ms放大電路tuo設計電路并改進。討論產生失真的機理，闡述解決問題的辦法。（3）下圖放大電路輸入是標準正弦波，其輸出波形失真。50mVtui

3、0.5ms放大電路tuo0.5ms1、設計電路并改進。2、討論產生失真的機理，闡述解決問題的辦法。思考：npn型組成的共射放大電路和pnp型組成的共射放大電路在截止和飽和失真方面的不同。（4）下圖放大電路輸入是標準正弦波，其輸出波形失真。50mVtui0.5ms放大電路tuo0.5ms1、設計電路并改進。2、討論產生失真的機理，闡述解決問題的辦法。思考： 共基放大電路、共集放大電路與共射放大電路在截止和飽和失真方面的不同。（5）下圖放大電路輸入是標準正弦波，其輸出波形失真。設計電路并改進。討論產生失真的機理，闡述解決問題的辦法。思考：雙電源供電的功率放大器改成單電源供電會出現(xiàn)哪種失真？如何使單

4、電源供電的功率放大器不失真？2、發(fā)揮部分（1）下圖放大電路輸入是標準正弦波，其輸出波形失真。設計電路并改進。討論產生失真的機理，闡述解決問題的辦法。（2） 任意選擇一運算放大器，測出增益帶寬積fT。并重新完成前面基本要求和發(fā)揮部分的工作。（3） 將運放接成任意負反饋放大器，要求負載2k,放大倍數(shù)為1，將振蕩頻率提高至fT的95%，觀察輸出波形是否失真，若將振蕩器頻率提高至fT的110%，觀察輸出波形是否失真。（4）放大倍數(shù)保持100，振蕩頻率提高至fT的95%或更高一點，保持不失真放大，將純阻抗負載2k替換為容抗負載20mF，觀察失真的輸出波形。（5） 設計電路，改善發(fā)揮部分（4）的輸出波形失

5、真。3附加部分（1）設計一頻率范圍在20Hz20kHz語音放大器。（2）將各種失真引入語音放大器，觀察、傾聽語音輸出。4. 失真研究（1）由單電源供電的運算放大器電路會出現(xiàn)哪種失真？（2）負反饋可解決波形失真，解決的是哪類失真？（3）測量增益帶寬積fT有哪些方法？（4）提高頻率后若失真，屬于哪類失真？（5）電阻負載改成大容性負載會出現(xiàn)什么失真？（6）有哪些方法可以克服電阻負載改成大容性負載出現(xiàn)的失真？2 實驗目的與知識背景1 實驗目的實驗目的1）掌握失真放大電路的設計和解決電路的失真問題提高系統(tǒng)地構思問題和解決問題的能力。2）掌握消除放大電路各種失真技術系統(tǒng)地歸納模擬電子技術中失真現(xiàn)象。3）具

6、備通過現(xiàn)象分析電路結構特點提高改善電路的能力。2 知識點1）非線性失真原理介紹失真現(xiàn)象：一個理想的放大器，其輸出信號應當如實的反映輸入信號，即他們盡管在幅度上不同，時間上也可能有延遲，但波形應當是相同的但是，在實際放大器中，由于種種原因，輸入信號不可能與輸入信號的波形完全相同，這種現(xiàn)象叫做失真非線性失真：放大器件的工作點進入了特性曲線的非線性區(qū)，使輸入信號和輸出信號不再保持線性關系，這樣產生的失真稱為非線性失真。非線性失真產生的主要原因：（1）晶體管等特性的非線性；（2）靜態(tài)工作等位置設置的不合適或輸入信號過大。由于放大器件工作在非線性區(qū)而產生的非線性失真有5種：飽和失真、截止失真、雙向失真、

7、交越失真和不對稱失真。非線性失真的特征是產生新的頻率分量，即產生輸入信號的單頻分量為基波分量的高次諧波分量。飽和失真與截止失真當放大器的工作點選的太低,或太高時,放大器將不能對輸入信號實施正常的放大。如右圖：三極管工作區(qū)域劃分 如下圖：輸入、輸出波形關系圖例 2.1.1截止失真圖3-1-1所示為工作點太低的情況,由圖可見,當工作點太低時,放大器能對輸入的正半周信號實施正常的放大,而當輸入信號為負半周時,因 將小于三極管的開啟電壓,三極管將進入截止區(qū),ib=0,ic=0,輸出電壓u0=uCE=Vcc將不隨輸入信號而變化,產生輸出波形的失真。 這種失真是因工作點取的太低,輸入負半周信號時,三極管進

8、入截止區(qū)而產生的失真,所以稱為截止失真。2.1.2飽和失真圖3-1-2所示為工作點太高的情況,由圖可見,當工作點太高時,放大器能對輸入的負半周信號實施正常的放大,而當輸入信號為正半周時,因 太大了,使三極管進入飽和區(qū),ic=ib的關系將不成立,輸出電流將不隨輸入電流而變化,輸出電壓也不隨輸入信號而變化,產生輸出波形的失真。這種失真是因工作點取的太高,輸入正半周信號時,三極管進入飽和區(qū)而產生的失真,所以稱為飽和失真。2.2 雙向失真工作點偏 高,輸出波形易產生飽和失真;工作點偏低,輸出波形易產生截止失真。但當輸入信號過大 時,管子將工作在非線性區(qū),輸出波形會產生雙向失真。此時靜態(tài)工作點合適，但輸

9、入波形的幅度超過了直流的最大幅度，當輸出信號過大時可能會出現(xiàn)飽和失真與截止失真一塊兒出現(xiàn)的失真現(xiàn)象，稱之為雙向失真。即出現(xiàn)如圖3-2所示的波形。2.3交越失真交越失真是乙類推挽放大器所特有的失真。在推挽放大器中，由兩只晶體管分別在輸入信號的正、負半周導通，對正、負半周信號進行放大。而乙類放大器的特點是不給晶體管建立靜態(tài)偏置，使其導通的時間恰好為信號的半個周期。但是，由于晶體管的輸入特性曲線在Ube較小時是彎曲的，晶體管基本上不導通，即存在死區(qū)電壓V r。當輸入信號電壓小于死區(qū)電壓時， 兩只晶體管基本上都不導通。這樣，當輸入信號為正弦波時，輸出信號將不再是正弦波，即產生了失真. 這種失真是由于兩

10、只晶體管在交替工作時“交接”不好而產生的,稱為交越失真. 如圖3-3所示，此即為交越失真波形。2.4 不對稱失真不對稱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對稱,而使輸入信號的正、負半周不對稱。消除這種失真的辦法是選用特性對稱的推挽管. 尤其是在O TL 與OCL 電路中,互補管應選用同一種材料的, 就是說都選用鍺管,或者都選用硅管,以保證其輸入特性的對稱。如圖3-4所示為一甲乙類推挽放大器，當開關K在右邊時該放大器的推挽管推挽特性完全對稱，此時輸入與輸出無失真。當開關K在左邊時，晶體管T1串聯(lián)了一個電阻R0，相當于T1的基射極阻抗增加了R0，若將T1,R0整體看做一個晶體管，則

11、此時T1，T2的推挽特性不再對稱，輸出圖3-4-1正負半周幅度不同的失真信號，此即為不對稱失真的波形。 圖3-4-1非對稱失真2.5增益帶寬積增益帶寬積是用來簡單衡量放大器的性能的一個參數(shù)。就像它的名字一樣，這個參數(shù)表示增益和帶寬的乘積。在頻率足夠大的時候，增益帶寬積是一個常數(shù)。假設運算放大器的增益帶寬積為1 MHz，它意味著當頻率為1 Mhz時，器件的增益下降到單位增益。即此時A=1。同時說明這個放大器最高可以以1 MHz的頻率工作而不至于使輸入信號失真。由于增益與頻率的乘積是確定的，因此當同一器件需要得到10倍增益時，它最高只能夠以100 kHz的頻率工作。2.6容性負載一般把帶電容參數(shù)的

12、負載，即符合電壓滯后電流特性的負載稱為容性負載。充放電時，電壓不能突變。其對應的功率因數(shù)為負值。對應的感性負載的功率因數(shù)為正值。電路中類似電容的負載，可以使電流超前電壓降低電路功率因數(shù)在高頻領域,是指負載虛部為負值的負載。容性負載：和電源相比，負載電流超前負載電壓一個相位差，此時負載為容性負載（如補償電容負載）。一般電源控制類產品，所給出的負載，如未加說明則是給出的是視在功率，即總容量功率；它既包括有功功率，也包括無功功率；而一般感性負載說明中給出的往往是有功功率的大小，例如熒光燈，標注為1540瓦的熒光燈，鎮(zhèn)流器消耗功率約為8瓦，實際在考慮用定時器，感應開關在控制它時，則要加上這8瓦；具體不

13、同的產品感性部分，即無功功率的大小，可以通過其給出的功率因數(shù)來計算?；炻?lián)電路中，若容抗比感抗大,電路呈容性，反之為感性。通常的用電器中并沒有純感性負載和純容性負載。因為這兩種負載不做有用功。只有在補償電路中才使用純感性負載或純容性負載。又因為絕大多數(shù)負載除阻性外，多數(shù)為感性負載，因此補償?shù)臅r候多數(shù)就用電容來補償，所以，純容性負載用得比純感性負載多。如電動機，變壓器等等，通常為感性負載。部分日光燈為容性負載。2.7語音放大利用運放實現(xiàn)語音放大。3 實驗過程3.1 飽和、截止、雙向失真電路分析題目，我們可采用共射放大電路。其增益為：對于射級偏置電路，當靜態(tài)工作點太低時，導致輸出波形失真，則為截止失

14、真；當靜態(tài)工作點太高時，導致輸出波形失真，則為飽和失真；當輸入信號太大時，可能使被放大的信號同時在飽和區(qū)與截止區(qū)，這就產生了雙向失真。電路圖：通過對輸入電壓和滑動變阻器的調整實現(xiàn)上述失真3.1.1正常正弦波放大：輸入(滑動變阻器調至37.5%)：輸出：3.1.2截止失真輸入（滑動變阻器調至60%）：輸出：3.1.3飽和失真輸入（滑動變阻器調至28%）：輸出：3.1.4雙向失真輸入（滑動變阻器調至37.5%）：輸出：上述解決失真的辦法：調節(jié)電位器，變化靜態(tài)工作點，使得圖像不失真3.2交越失真電路波形為交越失真，我們可以采用乙類功率放大器，改進時使用甲乙類功率放大器。電路圖：輸入：輸出：改進后(開

15、啟開關)的輸出：3.3非對稱失真電路不對稱失真是由電路不對稱, 而使輸入信號的正、負半周不對稱, 這種失真稱為不對稱失真。電路圖：輸出：改進方法：加入負反饋(閉合開關)輸出：3.4增益帶寬積增益帶寬積表示增益和帶寬的乘積，因此，我們測量增益帶寬積fT 時，可以根據定義來測量，即先測量中頻增益，然后測量帶寬。電路圖：輸出：增益為2.4倍，帶寬為291kHZfT =2.4*291=698.43.5容性負載電路圖：輸出：改善輸出：3.6語音放大電路圖：3.7 失真研究1通過圖1（b）、（c）和（d）的失真設計，討論產生失真的機理，闡述解決問題的辦法。（1）.雙向飽和截止失真的原理分析a、截止失真原理

16、分析由二極管的伏安特性曲線可知，只有加到發(fā)射結上的電壓高于 （開啟電壓，硅管為0.7；鍺管為0.3）時，發(fā)射結才有電流通過，而當發(fā)射結被加反向電壓時（只要不超過其反向擊穿電壓），只有很小的反向電流通過，我們認為這種情況下三極管處于截止狀態(tài)，而在實際應用中，我們會遇到各種各樣的信號需要放大，有較強的信號，有較弱的信號，也有反向的信號，根據PN結的特性，當加到發(fā)射結上的信號為較弱的信號（小于開啟電壓），或者是反向信號時，發(fā)射結是截止的，三極管不能起到放大的作用，輸出的信號，也會出現(xiàn)嚴重的失真，此種失真稱為截止失真。如圖（三極管的輸出特性曲線）所示，此時，晶體三極管工作在三極管輸出特性曲線的截止區(qū)，

17、呈現(xiàn)截止失真現(xiàn)象。 圖 三極管的輸出特性曲線 b、飽和失真原理分析 我們知道，當三極管的發(fā)射結被加正向電壓且（開啟電壓）時，三極管的發(fā)射結有電流通過。發(fā)射區(qū)通過擴散運動向基區(qū)發(fā)射電子，形成發(fā)射極電流；其中一小部分與基區(qū)的空穴復合，形成基極電流，又由于集電極加反向電壓，所以從發(fā)射極出來的大部分電子在集電極電壓作用下通過漂移運動到達集電極，形成集電極電流。當集電極上加不同電壓時，有以下三種情況：1).當集電結加反向電壓時，集電結反偏。此時，集電極有能力收集從發(fā)射極發(fā)射出的電子，三極管處于穩(wěn)定的放大狀態(tài)。此時，晶體三極管工作在輸出特性曲線的放大區(qū)，能夠正常放大信號。2).當集電極加正向電壓，集電極正

18、偏。此時，發(fā)射極雖發(fā)射電子，但由于集電極收集電子能力不足，即使基極電流增大，發(fā)射極發(fā)射電子電流增大，集電極電流也不會增大，這種情況稱為三極管的飽和導通。飽和導通時，三極管對信號也失去了發(fā)放大作用，此時三極管的失真稱為飽和失真?？梢?，飽和失真時晶體三極管工作在輸出特性曲線的飽和區(qū)，輸出信號呈現(xiàn)飽和失真。3）.當集電結所加電壓為零，即=0時，三極管處于飽和放大的臨界狀態(tài)。c.雙向失真原理分析 由以上分析可知，三極管對信號的放大倍數(shù)是有限的。調整電路使三極管工作在合適的靜態(tài)工作點，即是放大信號在三極管輸出特性曲線的放大區(qū)。選取合適的輸入信號可以得到正常的放大波形，當增加輸入信號的幅度時，放大信號的幅

19、度也成倍增加，此時放大信號的幅度過大，導致放大信號的峰部超出三極管輸出特性曲線的放大區(qū)，一部分在飽和區(qū)，一部分在截止區(qū)，于是出現(xiàn)了雙向失真。換一種說法，也可以解釋為放大信號同時出現(xiàn)了飽和失真和截止失真。 圖3-1 射級偏置電路解決方法：截止失真：使靜態(tài)工作點上移。對于射極偏置電路，方法是增加基極的電壓。既是減小Rb1或者增大Rb2.飽和失真：使靜態(tài)工作點下移。對于射極偏置電路，方法是減小基極的電壓。既是增大Rb1或者減小Rb2.雙向失真：減小輸入信號或者換晶體管。（2）通過圖1（e）的失真設計，討論產生失真的機理，闡述解決問題的辦法。e.交越失真原理分析失真的機理：交越失真是乙類推挽放大器所特

20、有的失真. 在推挽放大器中, 由2 只晶體管分別在輸入信號的正、負半周導通, 對正、負半周信號進行放大. 而乙類放大器的特點是不給晶體管建立靜態(tài)偏置, 使其導通的時間恰好為信號的半個周期. 但是,由于晶體管的輸入特性曲線在VBE 較小時是彎曲的, 晶體管基本上不導通, 即存在死區(qū)電壓V r . 當輸入信號電壓小于死區(qū)電壓時, 2 只晶體管基本上都不導通. 這樣,當輸入信號為正弦波時, 輸出信號將不再是正弦波,即產生了失真.因此在正、負半周交替過零處會出現(xiàn)一些失真，這個失真稱為交越失真。解決方法：消除交越失真的辦法是給晶體管建立起始靜態(tài)偏置, 使它的基極電壓始終不小于死區(qū)電壓. 為了不使電路的效

21、率明顯降低, 起始靜態(tài)偏置電流不應太大. 這樣就把乙類推挽放大器變成了經常使用的甲乙類推挽放大器.在上述電路中，我們可以改變靜態(tài)工作點，加大電阻阻值，產生0.7V壓降的靜態(tài)工作點電壓，使輸入信號即使為0時，三極管也工作在線性區(qū)域。既是甲乙類功率放大器。（3）通過圖1（f）的失真設計，討論產生失真的機理，闡述解決問題的辦法。f.不對稱失真失真的機理：不對稱失真是差分輸入電路和乙類互補推挽功率放大電路所特有的失真。在差分電路中，由于電路結構的不對稱，使兩個三極管對信號的放大倍數(shù)不相同而引起的。在乙類互補推挽功率放大電路，它是由于推挽管（NPN管和PNP管）特性不對稱，而使輸入信號的正、負半周不對稱

22、造成的。解決方法：采用負反饋，減小環(huán)內的非線性失真。（4）討論npn型組成的共射放大電路和pnp型組成的共射放大電路在截止和飽和失真方面的不同。NPN型管，截止失真是頂部削平，飽和失真是底部削平，PNP型管，截止是底部削平，飽和頂部削平。（5）討論共基放大電路、共集放大電路與共射放大電路在截止和飽和失真方面的不同。電路形式共射極放大電路共集電極放大電路共基極放大電路電路放大系數(shù)較大，例如200較大，例如200=<1電壓放大系數(shù)較大，例如200=<1較大，例如100功率放大倍數(shù)很大，例如20000較大，例如300較大，例如200輸入電阻中等，例如5K較大例如50K較小，例如50輸出電

23、阻較大，例如10K較小，例如100較大，例如5K輸出與輸入電壓相位相反相同相同特點一般用作放大電路的中間級；共射極放大器的集電極跟零電位點之間是輸出端,接負載電阻當前極提供給放大電路同樣大小的信號電壓時，所需提供的電流減小，從而減輕了信號源的負載。高頻特性較好；多用于高頻和寬頻帶電路或恒流源電路中（6）負反饋可解決波形失真，解決的是哪類失真？ 負反饋解決反饋環(huán)內的非線性失真，不能解決反饋環(huán)外的失真。（7）雙電源供電的功率放大器改成單電源供電會出現(xiàn)哪種失真？如何使單電源供電的功率放大器不失真？雙電源供電的功率放大器改成單電源供電會出現(xiàn)一部分沒有波形，線性失真。（8）由單電源供電的運算放大器組成電

24、路會出現(xiàn)哪種失真？為了消除失真，可以采用電源的中點電壓供電。因為采用電源的中點電壓的話，負半周的交流信號可以幾乎沒有損耗的被放大。這也就是大家常說的太高交流信號的直流電平。（9）測量增益帶寬積fT有哪些方法？a.可以首先測量帶寬，然后測量增益，帶寬乘以增益既是增益帶寬積。b.可以測量特征頻率，即晶體管喪失電流放大能力的極限頻率就是增益帶寬積。（10）提高頻率后若失真，屬于哪類失真？提高頻率后若失真，屬于頻率失真。（11）電阻負載改成大容性負載會出現(xiàn)什么失真？電阻負載改成大容性負載會出現(xiàn)相位失真。（12）有哪些方法可以克服電阻負載改成大容性負載出現(xiàn)的失真？負反饋。（13）歸納失真現(xiàn)象，并闡述解決

25、失真的技術。失真現(xiàn)象：截止失真，飽和失真，雙向失真，交越失真，不對稱失真 我們知道，所有電路相當于一個特定的數(shù)學運算，放大電路實現(xiàn)一種幅度變化運算。對于理想的的放大電路，其輸出信號應當如實的反映輸入信號，即他們盡管在幅度上不同，但波形應當是相同的但是，在實際放大電路中，由于種種原因，輸出信號不可能與輸入信號的波形完全相同，產生了失真非線性失真是放大器件的工作點進入了特性曲線的非線性區(qū)，使輸入信號和輸出信號不再保持線性關系而產生的失真常見非線性失真有五種：飽和失真、截止失真、雙向失真、交越失真和不對稱失真。當靜態(tài)工作點太低時，導致輸出波形失真，則為截止失真；當靜態(tài)工作點太高時，導致輸出波形失真，

26、則為飽和失真。飽和失真、截止失真是由于靜態(tài)工作點選擇不合適造成的，而雙向失真是由于輸入信號太大造成的。它的改進方法：飽和失真：使靜態(tài)工作點下移。對于射極偏置電路，方法是增加基極的電壓。截止失真：使靜態(tài)工作點上移。對于射極偏置電路，方法是減小基極的電壓。雙向失真：減小輸入信號或者換晶體管。 交越失真是在乙類功率放大器中，當輸入信號變化時，不足以克服三極管的死區(qū)電壓，三極管不導通電。在正、負半周交替過零處會出現(xiàn)一些失真。它的改進方法：去除失真的原理：我們可以改變靜態(tài)工作點，加大電阻阻值或者加兩個二極管，產生0.7V壓降的靜態(tài)工作點電壓，使沒有輸入信號，三極管也工作在線性區(qū)域。既是甲乙類功率放大器。不對稱失真，就是由于工藝等因素，導致電路不對稱使輸出信號的正負半周信號幅度、波形，與輸入信號不一致。它的改進方法：我們可以采用負反饋，減小反饋環(huán)內產生的非線性失真。線性失真是放大器的頻率特性不好，對輸入信號中不同頻率成分的增益不同或延時不同而產生的失真線性失真是由于放大電路中有隔直流電容、射極旁路電容、結電容和各種寄生電容，使得它對不同頻率的輸入信號所產生的增益及相移是不同的常見的線性失真是相位失真。4 總結與體會4.1 通過本次實驗那些能力得