北交大模電報(bào)告

1、國(guó)家電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心模擬電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告國(guó)家電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心模擬電子技術(shù)實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告 實(shí)驗(yàn)題目： 放大電路的失真研究 學(xué)院：電信學(xué)院 班級(jí)：通信1308 姓名：吳靖欽 學(xué)號(hào)：13211186 任課老師：侯建軍 目 錄一、實(shí)驗(yàn)題目及要求二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c知識(shí)背景 2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?2.2 知識(shí)點(diǎn)三、實(shí)驗(yàn)過程 3.1 選取的實(shí)驗(yàn)電路及輸入輸出波形 3.2 失真研究 3.3 分析研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)四、總結(jié)與體會(huì) 4.1 通過本次實(shí)驗(yàn)?zāi)切┠芰Φ玫教岣撸切┙鉀Q的問題印象深刻，有哪 些創(chuàng)新點(diǎn)。 4.2 對(duì)本課程的意見與建議五、參考文獻(xiàn)一、實(shí)驗(yàn)題目及要求 1、基礎(chǔ)部分（1）輸入一標(biāo)準(zhǔn)正弦波，頻率2KH

2、z，幅度50mV，輸出正弦波頻率2KHz，幅度1V。 輸入波形 輸出波形（2）下圖放大電路輸入是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其輸出為截止失真。 設(shè)計(jì)電路并改進(jìn)。 討論產(chǎn)生失真的機(jī)理，闡述解決問題的辦法。 輸入波形 輸出波形（3）下圖放大電路輸入是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其輸出為飽和失真。 設(shè)計(jì)電路并改進(jìn)。 討論產(chǎn)生失真的機(jī)理，闡述解決問題的辦法。 輸入波形 輸出波形（4）下圖放大電路輸入是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其輸出為雙向失真。 設(shè)計(jì)電路并改進(jìn)。 討論產(chǎn)生失真的機(jī)理，闡述解決問題的辦法。 輸入波形 輸出波形（5）下圖放大電路輸入是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其輸出為交越失真。 設(shè)計(jì)電路并改進(jìn)。 討論產(chǎn)生失真的機(jī)理，闡述解決問題的辦法。交越失真原理

3、圖2、 發(fā)揮部分（1）下圖放大電路輸入是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其輸出為不對(duì)稱失真。 設(shè)計(jì)電路并改進(jìn)。 討論產(chǎn)生失真的機(jī)理，闡述解決問題的辦法。（2）任意選擇一運(yùn)算放大器，測(cè)出增益帶寬積。并重新完成前面基本要求和發(fā)揮部分的工作。（3）將運(yùn)算放大器連接成任意負(fù)反饋放大器，要求負(fù)載2k,放大器的放大倍數(shù)為100，將振蕩器頻率提高至的95%，觀察輸出波形是否失真，若將振蕩器頻率提高至的110%，觀察輸出波形是否失真。（4）放大器的放大倍數(shù)保持100，將振蕩器頻率提高至的95%或更高一點(diǎn)，保持不失真放大，將純阻抗負(fù)載2k替換為容抗負(fù)載20mF，觀察失真的輸出波形。（5）設(shè)計(jì)電路，改善發(fā)揮部分（4）的輸出波形不失真

4、。 3、附加部分（1）設(shè)計(jì)一頻率范圍在20Hz 20kHz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(yùn)算放大器電路會(huì)出現(xiàn)哪種失真？（2）負(fù)反饋可解決波形失真，解決的是哪類失真？（3）測(cè)量增益帶寬積有哪些方法？（4）提高頻率后若失真，屬于哪類失真？（5）電阻負(fù)載改成大容性負(fù)載會(huì)出現(xiàn)什么失真？（6）有哪些方法可以克服電阻負(fù)載改成大容性負(fù)載出現(xiàn)的失真？（7）用場(chǎng)效應(yīng)管組成的放大電路或運(yùn)算放大器同樣會(huì)產(chǎn)生所研究的失真嗎？（8）當(dāng)溫度升高，晶體管組成的電路剛剛產(chǎn)生靜態(tài)工作點(diǎn)漂移，使電路產(chǎn)生某種 失真，此時(shí)由場(chǎng)效應(yīng)管組成的電路也同樣失真嗎？為什么？（9

5、）歸納失真現(xiàn)象，并闡述解決失真的技術(shù)。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c知識(shí)背景 2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）掌握失真放大電路的設(shè)計(jì)和解決電路的失真問題提高系統(tǒng)地構(gòu)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(shù)系統(tǒng)地歸納模擬電子技術(shù)中失真現(xiàn)象。（3）具備通過現(xiàn)象分析電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提高改善電路的能力。 2.2 知識(shí)點(diǎn)（1）輸出波形失真可發(fā)生在基本放大、功率放大和負(fù)反饋放大等電路中，輸出波形失真有截止失真、飽和失真、雙向失真、交越失真，以及輸出產(chǎn)生的諧波失真和不對(duì)稱失真等。（2）射極偏置電路、乙類、甲乙類功率放大電路、推挽電路和負(fù)反饋電路。（3）改進(jìn)各種失真的技術(shù)。三、實(shí)驗(yàn)過程 3.1 選取的實(shí)驗(yàn)電路及輸入輸出波

6、形 正常放大、飽和失真、截止失真、雙向失真等模擬電路對(duì)應(yīng)輸入、輸出波形：圖1-1 正常20倍放大圖1-2 底部失真圖1-3 頂部失真圖1-4 雙向失真交越失真及改進(jìn)后模擬電路對(duì)應(yīng)輸出波形：圖2-1交越失真圖2-2交越失真修正波形發(fā)揮部分*不對(duì)稱失真模擬電路對(duì)應(yīng)波形：圖3-1 不對(duì)稱失真對(duì)比波形圖3-2 不對(duì)稱失真修正波形*測(cè)量增益帶寬積、負(fù)反饋放大器及容性負(fù)載模擬電路通過示波器測(cè)得其增益為106倍，調(diào)節(jié)頻率使增益為原0.707倍時(shí)測(cè)得其帶寬為12kHz，故該選擇運(yùn)放的增益帶寬積為12k*106=1.272MHz接成負(fù)反饋放大器，將振蕩頻率提高至fT/100的95%，觀察輸出波形無明顯失真，將振

7、蕩頻率提高至fT/100的110%時(shí)觀察輸出波形失真。波形如圖：圖3-3振蕩頻率提高位fT/100的95%圖3-4振蕩頻率提高至fT/100的110%接容性負(fù)載產(chǎn)生失真：圖3-5 容性失真示波器接容性負(fù)載失真改善： 圖3-5容性失真改善頻率范圍在20Hz20kHz語音放大器模擬電路（該實(shí)驗(yàn)由于硬件缺失，不能呈現(xiàn)出較好的效果，只能輸出信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)，體現(xiàn)出頻率變化產(chǎn)生的影響，無法表現(xiàn)出失真所產(chǎn)生的影響，且放大的聲音較小。）3.2 失真研究（1）由單電源供電的運(yùn)算放大器電路會(huì)出現(xiàn)哪種失真？答：此時(shí)我們將電路中的R4設(shè)為不會(huì)失真的阻值，然后僅將VEE設(shè)為0V，此時(shí)出現(xiàn)的波形和底部失真的波形很像

8、。當(dāng)我們僅將VCC設(shè)為0V，此時(shí)出現(xiàn)的波形和頂部失真的波形很像。當(dāng)單電源供電的時(shí)候，某一半周的交流信號(hào)可以幾乎沒有損耗地被放大。也就是說抬高交流信號(hào)的直流電平。解釋：雙電源供電時(shí)，一般情況下，運(yùn)放的正負(fù)電壓，大小相等，符號(hào)相反，中間值接地（地是+VDD，和-VCC和的一半），當(dāng)輸入信號(hào)是以地參考時(shí)，運(yùn)放的輸出是以地進(jìn)行參考的，盡管一般情況下，運(yùn)放電源本身并不接地，（有些芯片有REF引腳可以接地）。而且單電源工作時(shí)，加上運(yùn)放的非理想性，如果將運(yùn)放其中一個(gè)腳接成地，從雙電源的角度來看的話，相當(dāng)于接到了較低電源電壓端，而運(yùn)放要想輸出0V地，也就是達(dá)到較低的電源power rail，這對(duì)運(yùn)放的軌輸出能

9、力output voltage swing提高了要求。而且運(yùn)放無法輸出超過電源范圍的電平，當(dāng)使用正電源和地單電源供電時(shí)，運(yùn)放無法輸出負(fù)電壓。單電源供電對(duì)運(yùn)放的影響是：影響了輸入輸出電壓范圍，進(jìn)而限制了電路的動(dòng)態(tài)范圍，導(dǎo)致信號(hào)失真。（2）負(fù)反饋可解決波形失真，解決的是哪類失真？答：負(fù)反饋只能在一定程度上抑制管子的非線性失真，而不能對(duì)反饋環(huán)外的失真起作用。而且負(fù)反饋會(huì)壓低增益，大環(huán)路負(fù)反饋還可能加劇互調(diào)失真，因此負(fù)反饋深度不宜過大。非線性失真包括交越失真、不對(duì)稱失真等。（3）測(cè)量增益帶寬積有哪些方法？答：a.可以首先測(cè)量帶寬，然后測(cè)量增益，帶寬乘以增益既是增益帶寬積。b.可以測(cè)量特征頻率，即晶體管

10、喪失電流放大能力的極限頻率就是增益帶寬積。c.通過示波器測(cè)出3dB的時(shí)候的對(duì)應(yīng)的頻率，算出帶寬。測(cè)出后一個(gè)3dB對(duì)應(yīng)的輸出增益計(jì)算出增益帶寬積。（本報(bào)告中測(cè)增益帶寬三種方法均采用了）（4）提高頻率后若失真，屬于哪類失真？答：提高頻率后若失真，屬于線性失真。（5）電阻負(fù)載改成大容性負(fù)載會(huì)出現(xiàn)什么失真？答：電阻負(fù)載改成大容性負(fù)載會(huì)出現(xiàn)相位失真。（6）有哪些方法可以克服電阻負(fù)載改成大容性負(fù)載出現(xiàn)的失真？答：由本次實(shí)驗(yàn)所知，加大負(fù)反饋。（7）用場(chǎng)效應(yīng)管組成的放大電路或運(yùn)算放大器同樣會(huì)產(chǎn)生所研究的失真嗎？答：不一定。不同場(chǎng)效應(yīng)管會(huì)產(chǎn)生不同的效果。MOSFET管的失真研究圖3-1 場(chǎng)效應(yīng)管電路圖圖3-2

11、MOSFET正常波形（）圖3-3 MOSFET管失真波形（）通過仿真我們可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時(shí)，不論R2、R3的值如何改變，只會(huì)改變輸出波形的峰峰值，也就是說只是改變了放大倍數(shù)，而不會(huì)使波形發(fā)生失真現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)，輸出波形可能出現(xiàn)了失真現(xiàn)象，但并有出現(xiàn)和運(yùn)算放大器、三極管一樣的頂部底部或者雙向失真，而是出現(xiàn)了規(guī)律的不平整并且不斷變化的鋸齒狀波形。此時(shí)，當(dāng)我們調(diào)節(jié)R3的時(shí)候，又出現(xiàn)了如下的兩種波形：圖3-4 MOSFET管波形（）圖3-5 MOSFET管雙向失真波形（）從圖3-4我們可以看出當(dāng)R3在一定的值的范圍之內(nèi)，場(chǎng)效應(yīng)管失真波形逐漸恢復(fù)成正常波形；從圖3-5我們可以看出當(dāng)R3很小的時(shí)候，場(chǎng)效應(yīng)管出現(xiàn)了

12、雙向失真。JFET管的失真研究仿真電路：圖3-6 JFET管電路圖仿真結(jié)果：如圖所示，JFET場(chǎng)效應(yīng)管可以出現(xiàn)如一般放大電路或運(yùn)算放大器同樣會(huì)產(chǎn)生所研究的失真?？偨Y(jié)：總體來說，場(chǎng)效應(yīng)管能否出現(xiàn)和一般放大電路或運(yùn)算放大器同樣的失真主要看他們的所處的電路是否達(dá)到要求。 上圖是四種MOSFET管的轉(zhuǎn)移特性曲線，下圖是兩種JFET管的轉(zhuǎn)移特性曲線和輸出特性曲線。從圖中我們可以知道只有當(dāng)柵-源電壓大于門限電壓的時(shí)候，場(chǎng)效應(yīng)管才能夠正常工作。也就是說當(dāng)柵-源電壓小于門限電壓的時(shí)候才會(huì)發(fā)生失真現(xiàn)象，所以我們判斷這個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管在該電路中能否產(chǎn)生和一般放大電路或運(yùn)算放大器同樣的失真就看這個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管的柵-源電壓在該

13、電路中能否小于（或者大于門限電壓）。所以我們并不能準(zhǔn)確的說場(chǎng)效應(yīng)管能否產(chǎn)生和一般放大電路或運(yùn)算放大器同樣的失真，而要分情況討論。（8）當(dāng)溫度升高，晶體管組成的電路剛剛產(chǎn)生靜態(tài)工作點(diǎn)漂移，使電路產(chǎn)生某種失真，此時(shí)由場(chǎng)效應(yīng)管組成的電路也同樣失真嗎？為什么？答：通過查閱資料我們得到如下的曲線：溫度-導(dǎo)通電阻曲線 溫度-柵源電壓曲線場(chǎng)效應(yīng)管不會(huì)形成波形失真，但是我們可以從圖中看到放大倍數(shù)同樣會(huì)因?yàn)闇囟鹊淖兓l(fā)生變化。BJT三極管的溫度漂移是因?yàn)闇囟壬仙臅r(shí)候，會(huì)大幅增加，從而造成靜態(tài)工作點(diǎn)向上漂移，形成飽和失真。而場(chǎng)效應(yīng)管則不一樣，隨著溫度的上升，并不會(huì)上升，反而會(huì)下降，因此靜態(tài)工作點(diǎn)不會(huì)上移反而會(huì)下

14、移，飽和失真不可能形成。而另一方面，溫度的上升會(huì)導(dǎo)致，也就是下降，場(chǎng)效應(yīng)管的門限電壓進(jìn)一步下降，因此原電路的一定能保持場(chǎng)效應(yīng)管處于打開狀態(tài)，因此也不會(huì)產(chǎn)生截止失真綜上所述，雖然溫度漂移會(huì)對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)和放大倍數(shù)造成影響，但由于場(chǎng)效應(yīng)管本身的特性，決定了溫度的升高并不會(huì)引起失真。（9）歸納失真現(xiàn)象，并闡述解決失真的技術(shù)。答：失真現(xiàn)象：截止失真、飽和失真、雙向失真、交越失真、不對(duì)稱失真a.截止失真原理分析由二極管的伏安特性曲線可知，只有加到發(fā)射結(jié)上的電壓高于 （開啟電壓，硅管為0.7V；鍺管為0.3V）時(shí)，發(fā)射結(jié)才有電流通過，而當(dāng)發(fā)射結(jié)被加反向電壓時(shí)（只要不超過其反向擊穿電壓），只

15、有很小的反向電流通過，我們認(rèn)為這種情況下三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，而在實(shí)際應(yīng)用中，我們會(huì)遇到各種各樣的信號(hào)需要放大，有較強(qiáng)的信號(hào)，有較弱的信號(hào)，也有反向的信號(hào)，根據(jù)PN節(jié)的特性，當(dāng)加到發(fā)射結(jié)上的信號(hào)為較弱的信號(hào)（小于開啟電壓），或者是反向信號(hào)時(shí)，發(fā)射結(jié)是截止的，三極管不能起到放大的作用，輸出的信號(hào)，也會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)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(shí)晶體三極管工作在三極管輸出特性曲線的截止區(qū)，呈現(xiàn)截止失真現(xiàn)象。圖3-1 三極管的輸出特性曲線b.飽和失真原理分析我們知道，當(dāng)三極管的發(fā)射結(jié)被加正向電壓且（開啟電壓）時(shí)，三極管的發(fā)射結(jié)有電流通過。發(fā)射區(qū)通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)向基區(qū)發(fā)射電子

16、，形成發(fā)射極電流；其中一小部分與基區(qū)的空穴復(fù)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(yùn)動(dòng)到達(dá)集電極，形成集電極電流。當(dāng)集電極上加不同電壓時(shí)，有以下三種情況：1) 當(dāng)集電結(jié)加反向電壓時(shí)，集電結(jié)反偏。此時(shí)，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(shí)，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(hào)。2) 當(dāng)集電極加正向電壓，集電極正偏。此時(shí)，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(huì)增大，這種情況稱為三極管的飽和導(dǎo)通。飽和導(dǎo)通時(shí)，三極管對(duì)信號(hào)也失去

17、了發(fā)放大作用，此時(shí)三極管的失真稱為飽和失真?？梢?，飽和失真時(shí)晶體三極管工作在輸出特性曲線的飽和區(qū)，輸出信號(hào)呈現(xiàn)飽和失真。3) 當(dāng)集電結(jié)所加電壓為零時(shí)，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(duì)信號(hào)的放大倍數(shù)是有限的。調(diào)整電路使三極管工作在合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，即是放大信號(hào)在三極管輸出特性曲線的放大區(qū)。選取合適的輸入信號(hào)可以得到正常的放大波形，當(dāng)增加輸入信號(hào)的幅度時(shí)，放大信號(hào)的幅度也成倍增加，此時(shí)放大信號(hào)的幅度過大，導(dǎo)致放大信號(hào)的峰值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(hào)同時(shí)出現(xiàn)了飽和失真和

18、截止失真。圖3-2 射級(jí)偏置電路解決方法：截止失真：使靜態(tài)工作點(diǎn)上移。對(duì)于射極偏置電路，方法是增加基極的電壓。既是減小或者增大。飽和失真：使靜態(tài)工作點(diǎn)下移。對(duì)于射極偏置電路，方法是減小基極的電壓。既是增大或者減小。雙向失真：減小輸入信號(hào)或者換晶體管。e.交越失真原理分析失真的機(jī)理：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(hào)的正、負(fù)半周導(dǎo)通，對(duì)正、負(fù)半周信號(hào)進(jìn)行放大。而乙類放大器的特點(diǎn)是不給晶體管建立靜態(tài)偏置，使其導(dǎo)通的時(shí)間恰好為信號(hào)的半個(gè)周期。但是, 由于晶體管的輸入特性曲線在 較小時(shí)是彎曲的，晶體管基本上不導(dǎo)通，即存在死區(qū)電壓。當(dāng)輸入信號(hào)電壓小于死區(qū)電壓

19、時(shí)，兩只晶體管基本上都不導(dǎo)通。這樣，當(dāng)輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，輸出信號(hào)將不再是正弦波，即產(chǎn)生了失真。因此在正、負(fù)半周交替過零處會(huì)出現(xiàn)一些失真，這個(gè)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。為了不使電路的效率明顯降低，起始靜態(tài)偏置電流不應(yīng)太大。這樣就把乙類推挽放大器變成了經(jīng)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(diǎn)，加大電阻阻值，產(chǎn)生0.7V壓降的靜態(tài)工作點(diǎn)電壓，使輸入信號(hào)即使為0時(shí)，三極管也工作在線性區(qū)域。這就是甲乙類功率放大器。f.不對(duì)稱失真失真的機(jī)理：不對(duì)稱失真是差分輸入電路和乙類互補(bǔ)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(jié)構(gòu)的不對(duì)稱，使兩個(gè)三極管對(duì)信號(hào)的放大倍數(shù)不相同而引起的。在乙類互補(bǔ)推挽功率放大電路，它是由于推挽管（NPN管和PNP管）特性不對(duì)稱，而使輸入信號(hào)的正、負(fù)半周不對(duì)稱造成的。解決方法：采用負(fù)反饋，減小環(huán)內(nèi)的非線性失真。3.3 分析研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 各電路上的元件參數(shù)在對(duì)應(yīng)的模擬電路圖中均有較明顯的顯示，其中所選的運(yùn)算