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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: 失真放大电路研究

学院：电子信息工程学院

专业：通信工程

学生姓名：李光磊

学号：11211108

任课教师：佟毅刘颖

2013 年 6 月 1 日

目录

实验报告 0

实验题目: 失真放大电路研究 0

1 实验题目及要求 (1)

2 实验目的与知识背景 (1)

2.2.1饱和失真 (1)

2.2．2截止失真 (2)

2.2.3双向失真 (3)

2.2.3交越失真 (5)

2.2.4不对称失真 (10)

2.2.5瞬态互调失真 (11)

2.2.6频率失真 (12)

2.2.6带容性负载造成的失真 (12)

3 实验过程 (13)

3.1 选取的实验电路及输入输出波形 (14)

3.2 每个电路的讨论和方案比较 (14)

（各种失真对应的电路参数及测量数据与不失真电路的参数测量数据的比较分析） (14)

4 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

5 参考文献 (15)

[1]路勇.模拟集成电路基础（第三版）[M].中国铁道出版社，2010，8：44-60 (15)

1 实验题目及要求

题目：失真放大电路研究

要求：

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

2.2.1饱和失真

（1）理论分析

晶体管有三个工作区：饱和区、截止区和放大区（线性区）（如图2-1）。对于共射极放大电路而言，其输入波形正好与输出波形反相，就是相位相差180°，当输入正弦波正的部分时，应该输出负的部分。而当输入的波形的峰峰值较大，超过了电路的放大区到达饱和区或者截止区的时候，就会出现失真。如果是输入信号的正半周超出了三极管放大区，那么就会进入晶体管的饱和区，也就是三极管的静态直流工作点偏高或者静态工作点已经在三极管的饱和区，造成饱和失真（如图2-2）。对应的输出信号由于相位差180°的原因，所以输出信号的负半周的波形失真,也就是底部失真。

图

2-1

图2-2

（2）解决方法

对于单管共射级放大电路（如图2-3）而言，饱和失真就是输入信号的正半

周超过了三极管的放大能力造成的失真，对应的就是输出波形底部失真，即输出

时三极管进入饱和区，Q 点设置过高。根据公式 可知， 即公式中BQ I 的过大，因为BEQ U 不变，是由管子自身决定，所以可以通过减小直流电源电压C E 或者增大偏置电阻b R 来减小BQ I ，即降低Q 点的设置。

图2-3

2.2．2截止失真

（1）理论分析

对于共射极放大电路而言（如图2-3），与饱和失真相类似的，如果是输入信号的负半周超出了三极管放大区，那么就会进入晶体管的截止区，也就是三极管的静态直流工作点偏低或者静态工作点已经在三极管的截止区，造成截止失真（如图2-4）。对应的输出信号由于相位相差180°的原因，

所以输出信号的正半

b

BEQ C BQ R U E I -=

周的波形失真，也就是顶部失真。

图2-4

(2)解决方法

对于单管共射级放大电路（如图2-3）而言，截止失真就是输入信号的负半周超过了三极管的放大能力造成的失真，对应的输出波形就是输出波形顶部失

真，即输出时三极管进入截止区，Q 点设置过低。根据公式 可知， 即公式中BQ I 的过小，因为BEQ U 不变，由管子自身决定，所以可以通过增大直流

电源电压C E 或者减小偏置电阻b R 来增大BQ I ，即提高Q 点的设置。 2.2.3双向失真

（1）理论分析

当输入的波形的峰峰值较大，超过了电路的放大区到达饱和区以及截止区的时候，就会出现双向失真。即输出的信号的正半周和负半周都有波形的失真。

（2）解决方法

对于单管共射级放大电路（如图2-3）而言，双向失真就是输入信号的正负半周都超过了三极管的方法能力，造成的失真，对应的输出波形就是输出波形的顶部和底部都失真。这种情况无论你怎样调节Q 点的位置都是没有作用的，都不能保证输出的信号完全不失真。可能调节Q 点的位置保证了输出信号正半周没有失真，但是输出信号的负半周肯定失真，同理要是保证了输出信号的负半周没有失真，但是输出信号的正半周肯定失真。这是因为输入信号的峰峰值过大导致的，这种情况下，只有减小输入信号的峰峰值才能解决这个问题。

b

BEQ

C

BQ R U E I -=

扩展：

在讨论饱和失真、截止失真的时候，在教材中，均以NPN 管放大电路作为分析对象分析其输出波形的失真情况，而没有介绍PNP 管子对于失真的影响。

NPN 管放大电路，在发生饱和失真时，输出波形的负半周产生失真，即为底部失真；在发生截止失真时，输出波形的正半周产生失真，即为顶部失真。而对于PNP 管放大电路来说，可以想象得到，波形失真情况恰恰相反，在发生饱和失真时，输出波形的正半周产生失真，即为顶部失真；在发生截止失真时，输出波形的负半周产生失真，即为底部失真。而初学者在学习中常会遇到这一类的问题，因而造成了初学者理解和掌握上的困难。

NPN 管组成的放大电路失真情况在本文中已有详尽分析说明，这里不再重复。下面对PNP 管放大电路的失真情况利用图解法做详细分析。

与NPN 管组成的放大电路相比较，PNP 管组成的放大电路c I 和CE U 均为负，故画出其输出特性曲线（如图2-5）。设输出特性曲线上1Q 及2Q 两点，即当将放大电路基极偏置电阻b R 的阻值取成较小值时，放大电路工作点变高，如1Q 点，接近饱和区；当将放大电路基极偏置电阻b R 的阻值取成较大值时，放大电路工作点变低，如2Q 点，接近截止区。所以当输入一定幅度的正弦信号时，可以看到，在工作点1Q 处，放大电路输出波形正半周首先出现失真，也就是顶部失真，说明PNP 管在发生饱和失真时是顶部失真。而工作点在2Q 处时，放大电路输出波形负半周首先出现失真，也就是底部失真，说明PNP 管的截止失真是底部失真；而对于NPN 管放大电路来说，在发生饱和失真时，输出波形的负半周产生失真，即为底部失真，在发生截止失真时，输出波形的正半周产生失真，即为顶部失真。PNP 管组成的放大电路输出波形失真情况与NPN 管组成的放大电路输出波形失真情况完全相反。

图2-5

2.2.3交越失真

（1）理论分析

在研究甲类功率输出级的时候，为了提高转换效率，我们提出了乙类功率输出级，大大的提高了转换效率。

比较一下甲类和乙类功率输出级（如图2-6）之间的关系： 1）甲类功率输出级主要优点是失真小，主要缺点是效率低。

最大输出功率：2o (max)

L

2c E P R =； 电源功耗：2

2C DC L E P R =

；

集电极最大功耗：2

max 24C c o L

E P P R =

=；

最大效率：(max)1

25%4

o DC P P η=

== 2）乙类功率输出级的主要优点是效率高，主要缺点是存在交越失真。

最大输出功率：2

o (max)

L

2c E P R =； 电源功耗：()ax π2

c DC L

2m E P R ≈；

集电极最大功耗：2

max (max)2

20.4C c o L

E P P R π=

≈；

最大效率：(max)78.5%4

o DC P P π

η=

=≈ 通过对甲类和乙类功率输出级的比较，很显然乙类功率输出级的管耗减小了

很多，效率大大的提高。但是发现乙类功率输出级在输出的波形上存在问题，那就是交越失真。

首先我们先了解一下乙类功率输出级的工作原理，以便于更好的理解交越失真的本质。

对于乙类功率输出级，当输入信号处于正半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时NPN 型三极管导通。有电流通过负载L R ，按图中方向由上到下，与假设正方向相同。当输入信号为负半周时，且幅度远大于三极管的开启电压，此时PNP 型三极管导通。有电流通过负载L R ，按图中方向由下到上，与假设正方向相反。于是两个三极管一个正半周，一个负半周轮流导电，在负载上将正半周和负半周合成在一起，得到一个完整的不失真波形（如图2-7）。

图

2-6

图2-7

但是，我们理论上分析交越失真时，并没有考虑三极管的开启电压，是把三级管的开启电压看作为零，但实际中，三极管的开启电压不能为零，且电压和电流的关系不是线性的，在输入电压较低时，输出电压存在着死区，此段输出电压与输入电压不存在线性关系，产生失真。这种失真出现在通过零值处，因此它被称为交越失真（如图2-8）。

图2-8

（2）解决方法

想要消除交越失真，就要从产生交越失真的源头找起。理论分析乙类功率输出级时，没有考虑三极管的开启电压的问题，将其忽略。而实际上产生交越失真的原因就是因为忽略了三极管的开启电压。那就要避开三极管的开启电压，使每一个三极管处于即将导通的状态，一旦加入输入信号，使其马上进入线性工作区。这样就可以消除交越失真。我们知道，硅管的开启电压在0.5V-0.7V左右，锗管的开启电压在0.1V-0.2V左右，只要将输入信号的电位稍微抬高一些，就可以保证进入线性工作区。然而二极管的作用之一就有平移电位，所以我们提供了一个新的电路解决了交越失真这一问题，叫做甲乙类功率输出级（如图2-9）。

图2-9

扩展：

下面简单分析各种甲乙类功率输出级工作原理。

（1）对于图2-9左面的电路图所示，是个标准的甲乙类功率输出级电路图用来改善交越失真。用二极管来给三极管稍稍加一点偏置，使T1管和T2管工作在线性区，避免了交越失真。

（2）对于图2-9右面的电路图所示，是利用三极管恒压源提供偏置，采用正负双电源供电，静态输出电位为零，负载电阻L R 可以直接连到功放电路的输出端，不需要输出耦合电容。4VT 、1R 、2R 组成的恒压源电路为2VT 、3VT 管提供直流偏压，423CEQ BEQ BEQ U U U =+。若忽略4BQ I ，则12R R I I ≈，于是

24412

BEQ CEQ R U U R R ≈

+

即

1

442

(1)CEQ BEQ R U U R ≈+

调整12、R R 的比值，可以改变2VT 、3VT 基极间的电压，使之符合要求。从而达到消除失真的目的。

（3）对于双电源甲乙类功率输出级，可以进行变化，变成单电源供电——单电源互补推挽功率输出级（OTL 电路）（如图2-10）。 其中：

3T ——共射激励级，做电压放大；

1T 、2T ——互补推挽输出级；

4T 、5T ——输出过载保护。正常工作时，4T 、5T 管处于截止状态，保护电路不起作用。一旦输出电流过载或输出短路，使12R 、R e e 上压降增加，引起4T 、5T 管导通，由于4T 、5T 管导通后分流注入到1T 、2T 管的基极电流，从而限制了1T 、2T 管集电极电流的增加，以免损坏功率管1T 、2T ，实现了过载自动保护。

图2-10

静态时：

1T 、2T 对称且12e e R R = , 调整静态电压使2

c

e E U =

，输出端经外接大电容1

C 后连接至负载。由于电容1C 充放电时间常数远远大于信号的半个周期，因此，在

1T 、2T 管轮流导通期间，电容两端电压基本上稳定在12

c

c E U =。

动态时：

当输入U i 为负半周时， T 3输出为正半周， T 1导通。此时由c E 经1T 管，向L

R 注入正半周电流1o I

当输入U i 为正半周时， T 3输出为负半周， T 2导通。此时电容1C 放电，其电流由电容1C 正端经2T 管，向L R 注入负半周电流2o I 。

C1既是耦合电容，又是储能电容，在T2导通时，作辅助电源。

（4）对单电源甲乙级功率输出级和双电源甲乙级功率输出级进行比较： 双电源：

最大输出功率：2o (max)

L

2c E P R = 电源功耗：()ax π2

c DC L

2m E P R ≈

最大效率：o(max)

100%78.5%η=

?≈DC

P P 单电源：

最大输出功率：2

2

o (max)

L

(

)228c

c L

E E P R R == 电源功耗：()ax π2π2

DC

L

L

2(

)2

c

c

m E E P R R ?≈

=

最大效率：om

100%78.5%4

πη=

?=≈DC P P 总结：对于单电源甲乙级功率输出级和双电源甲乙级功率输出级，他们的最大

输出效率相同，但是最大输出功率和最大直流功率都不一样。因为单电源甲乙类功率输出级在处理时，应该将公式中的c E 应换成

2

c

E 即可。

2.2.4不对称失真

（1）理论分析

下面研究下放大器非线性失真过程，这里以大小头失真为例，来说明放大器失真过程。输入放大器的信号X 是一个标准、光滑的正弦波信号，它的正半周信号和负半周信号幅度一样大。o X 是经过放大器放大后产生了失真的输出信号，为一个大小头失真的信号，如图2-11输出信号波形所示，它的正半周信号幅度小于负半周信号幅度（也可以是负半周信号幅度小于正半周信号幅度），说明放大器对正半周信号的放大量小于对负半周信号的放大量。这是放大器的非线性失真的一种。

图2-11

对于理想的放大电路，输出和输入信号应该完全呈线性关系。但由于晶体管本身的非线性，输出信号波形可能不再是正弦波，在输出信号中可能会出现谐波，产生非线性失真。

（2）解决方法

负反馈在放大电路中广泛应用，它对电路的性能指标有较大的影响。根据反馈方式的不同，可分为电压串联型负反馈、电压并联型负反馈、电流串联型负反馈和电流并联负反馈四种。

在放大器中加入负反馈电路之后，负反馈电路能够减小放大器非线性失真。由于输出信号存在正半周信号幅度小、负半周信号幅度大的失真，所以它通过负反馈电路后的负反馈信号也存在这种正半周信号幅度小、负半周信号幅度大的失真，由于是负反馈电路，所以输入信号与负反馈信号之间是相减的关系，所以得到的净输入信号变成正半周信号幅度大、负半周信号幅度小的失真。由于放大器本身存在非线性失真，即对正半周信号的放大量小于对负半周信号的放大量，所以经过负反馈后放大器输出信号后正、负半周信号幅度相差的量减小，达到减小失真的目的。

注意，负反馈改善波形失真的实质是利用失真减小失真，但不能完全消除失真。还有，负反馈只能减小反馈环内的失真，如输入信号本身就是失真的，负反馈则不能改善失真。

2.2.5瞬态互调失真

（1）理论分析

在输入脉冲性瞬态信号时，因电路中的电容使输出端不能立即得到应有的输出电压，而使负反馈电路不能得到及时的响应，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，这种失真在晶体管功放上表现较为严重。

（2）解决方法

瞬态互调失真是功放的一个动态指标，主要由功放内部的深度负反馈引起的。降低这种失真的方法主要有：

1）选择好的器件和调整工作点，尽量降低放大器的开环增益。

2）加强各放大级自身的负反馈，取消大环路负反馈。

3）可在设计制作电路时要尽量减小各级间电容C的容量，使各级的转换速度加快，从而减小反馈量不起作用阶段的时间。

2.2.6频率失真

（1）理论分析

放大器的实际输入信号通常是由许多频率分量按照一定的幅度比例关系和相位关系叠加而成的非正弦信号。在放大器中由于器件的电抗效应和电抗性元件的存在，使得放大器对不同频率信号具有不同的放大能力，也即放大器的增益随频率不同而改变。例如对单级阻容耦合放大器，由于耦合电容的存在，在低频段的源电压增益1K 与中频段的源电压增益2K 以及放大器下限频率L f 之间的关系为

2

11/L K K jf f

=

-；又由于晶体管极间电容等影响，在高频段的源电压增益3K 与

2K 以及放大器上限频率H f 之间的关系为2

11/H

K K jf f =

+。可见，频率不同，

源电压增益亦不同。这说明，放大器对不同频率分量表现出不同的增益将使输出信号出现失真。把这种对不同频率信号增益不一致而造成的波形失真现象称为频率失真。频率失真的特点，仅是信号中各频率分量的相对大小发生变化。

（2）解决方法

为了减小频率失真，使输入信号中的高低频分量均获得与中频同样的增益，必须展宽放大器的通频带，使信号中的高低频分量都处在通频带范围内。要达到这一展宽放大器通频带的目的，通常所采取的重要措施是在放大器中引入负反馈。由于负反馈放大器具有自动调节的能力，所以引入负反馈后，在高低频段，可使输出信号的下降引起反馈信号的下降，以致使放大器的净输入信号有所增加，从而使输出信号下降得到一定补偿。这相当于提高了H f 和降低了L f ，即展宽了通频带，改善了频率响应，使频率失真和相位失真大为减小。例如单级阻容耦合放大器引入电压负反馈后，可使通频带比未引入反馈时展宽了（1+AB ）倍，在保证不引起增益下降过大和自激以及串入外来干扰信号的情况下，反馈深度越深频带展宽得越多，改善频率失真效果越好。 2.2.6带容性负载造成的失真

（1）理论分析

运算放大器在驱动大容性负载时，若不采用正常的补偿，就会出现失真问题。在大多数情况下，负载电容并非人为地所加电容。它常常是人们不希望的一种客观存在，例如一段同轴电缆所表现出的电容效应。但是在有些情况下，要求对运算放大器的输出端的直流电压进行去耦，所以引入了容性负载。放大电路在接入容性负载时，根据高频截点公式：

增加负载电容C时，ωh减小，高频截频降低于是出现了上面介绍的频率失真，造

成了降低高频分量的增益的结果。

（2）解决方法

想要解决带容性负载造成的失真，方法有以下几种：

1）容性负载增大之后产生失真，就要减小电容的大小，那就在负载地方加

感性负载元件，来减小合成的容性负载大小。

2）如果不改变负载电容，那么我们就要增大频带宽度来消除高频截频减小带来的频率失真。

展宽频带的方法：

①引入负反馈可以增大频带宽度达到消除失真的目的，但是这样会减小增益。

②应用补偿电路法（如图2-12），根据

其中Z减小，Au增大。提高高频截频，达到展宽频带的作用。而且这样还能不减小增益，一举两得。

图2-12

③组合电路法。原理：改变电路的时间常数，提高高频截频。假设共射放大电路带容性负载之后，输出阻抗增大，可以级联输入电阻小的共基放大电路可以同时提高高频截频，达到展宽频带的方法。

3 实验过程

3.1 选取的实验电路及输入输出波形

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。）

3.3 分析研究实验数据

（各种失真对应的电路参数及测量数据与不失真电路的参数测量数据的比较分析）

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。

4.2 对本课程的意见与建议

5 参考文献

[1]路勇.模拟集成电路基础（第三版）[M].中国铁道出版社，2010，8：44-60.

[2]元增民.BJT放大电路失真类型及抑制失真的方法[J].长沙大学学报，2012，26(2)：29-31.

[3]王林川，潘文明，李庆鑫，牟瑞.基于负反馈原理的功放电路交越失真解决方法研究[J].北京电子科技学院学报，2008，16(2)：26-28,7.

[4]牧仁.PNP与NPN管放大电路输出波形失真情况仿真比较[J].现代电子技术，2010(2)：164-165.

[5]王军旗，刘晓晖，李向阳.集成运放的非线性失真分析及电路应用[J].现代电子技术，2010，33(8)：9-12.

[6] 华成英，童诗白.模拟电子技术基础（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[7] Grayson King.以运算放大器驱动电容性负载[J].电子与电脑，2007(12)：74-77.