模电实验报告-放大电路失真研究

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

专业：

任课教师：白双

2015 年 6 月18 日

目录

1 实验题目及要求 ..................... 错误！未定义书签。

1．1基本要求 ......................... 错误！未定义书签。

1.2发挥部分 ............................ 错误！未定义书签。

1.3附加部分 ............................ 错误！未定义书签。

1.4失真研究 ............................ 错误！未定义书签。

2 实验目的与知识背景 ............. 错误！未定义书签。

2.1 实验目的 ........................... 错误！未定义书签。

2.2 知识点 ............................. 错误！未定义书签。

3 实验过程 ................................. 错误！未定义书签。

3.1 选取的实验电路及输入输出波形错误！未定义

书签。

3.2 每个电路的讨论和方案比较 (17)

3.3 分析研究实验数据 (18)

4 总结与体会 (19)

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。 (19)

4.2 对本课程的意见与建议 (19)

5 参考文献 (20)

1 实验题目及要求

题目：放大电路的失真研究要求：

1.基础部分

（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）下图放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真。

（3）下图放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真。

（4）下图放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真。

（5）下图放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真。

2.发挥部分

（1）下图放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真。

（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2kΩ,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2kΩ替换为容抗负载20F，观察失真的输出波形。

（5）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20Hz～20kHz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。

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.基础部分

（1）饱和截止双向失真

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。

原理：

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,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,产生输出波形的饱和失真。

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，输出电压将不随输入信号而变化,产生输出波形的截止失真。

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。

分析知道，满足要求的电路很多，我们可以采用射级偏置电路：

增益为：

实验电路为：

实验图像为：

截止失真

饱和失真

双向失真

解决方法：

截止失真：使静态工作点上移。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

（2）交越失真

原理：由于晶体管存在阈值电压BEO U ，因此输出电压在BEO i U U 范围内接近于零，从而使输出电压波形在这一范围内失真。 实验电路为：

实验图像为：

交越失真

消除交越失真的办法：

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。加入硅材质二极管稳压。

2.发挥部分

（1）不对称失真

原理：不对称失真是由电路不对称，输出特性不同，而使输入信号的正、负半周不对称,这种失真称为不对称失真。

实验电路：

实验图像为：

不对称失真解决办法：采用负反馈，减小环内的非线性失真。

f。

（2）选择一运算放大器，测出增益带宽积

T

原理：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。

实验电路：

增益带宽积测量电路

电路的频率响应

用示波器测得带宽为：444.5khz，中频增益为6dB

f T =8.188khz*10^(37.68/20)=626.8

将运放接成任意负反馈放大器，要求负载2kΩ,放大倍数为1，将振荡频率提高至f T的95%，观察输出波形是否失真，若将振荡器频率提高至f T的110%，观察输出波形是否失真。

图14 负反馈放大电路

/100的95%，观察输出波形没有（3）通过示波器测量，当振荡器频率提高至f

T

/100的110%，观察输出波形失真。

失真，若将振荡器频率提高至f

T

放大倍数保持100，振荡频率提高至f T的95%或更高一点，保持不失真放大，将纯阻抗负载2kΩ替换为容抗负载20 F，观察失真的输出波形。

我们控制电位器J2是电路接入容性负载。通过示波器测量，发现波形失真。

实验结果：

图14 正常波形

图15 容性负载失真

设计电路，改善发挥部分（4）的输出波形失真。

采用负反馈，通过开关J1，使负反馈加大。观察波形，得到：实验结果：

（3）语音放大电路

在具体试验中将实验饱和截止双向的图和交越失真的图链接在一起，交越失真就相当于图示中的功放。

失真研究：

（1）.双向饱和截止失真的原理分析

①．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，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。

②．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。③．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。

解决方法：

截止失真：使静态工作点上移。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。

④．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, 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。

⑤．不对称失真

失真的机理：

如下图所示，不对称失真产生的原因是三极管输入特性曲线中的线性区并非为完全线性的，当输入Ui时，对应的ib上下并不完全对称，从而输出Uo也并非完全对称的。

解决方法：

采用负反馈，减小环内的非线性失真。

（1）由单电源供电的运算放大器电路会出现哪种失真？

单电源供电会出现一部分没有波形，是线性失真。

（2）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。

（3）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。（4）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。

（5）电阻负载改成大容性负载会出现什么失真？

电阻负载改成大容性负载会出现相位失真。

（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？

可引入负反馈来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？会，因为场效应管也有不同的工作区，我们可以通过调整静态工作点来产生不同的失真。

（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，此时由场效应管组成的电路也同样失真吗？为什么？

不会，因为场效应管只有多子参与导电，而三极管有多子和少子两种载流子参与导电，因少子浓度受温度影响较大，所以场效应管比三极管温度稳定性好。所以温度升高时，场效应管组成的电路不会产生同样失真。

（9）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

放大电路是一种幅度的变化运算，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：减小输入信号或者换晶体管。交越失真是在乙类功率放大器中，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。

3.2 每个电路的讨论和方案比较

在不对称电路中，刚开始电路输出端没有加电容隔直流，造成输出很高。之后添加隔直电容，之后输出较为正常。

（2）在语言放大器电路的设计中，一开始选用了LM324，但是效果一直不太好，后来查阅资料选用了专用的音频功率放大器LM386，并增加了电容，发现效果较好。

3.3 分析研究实验数据（1）饱和截止双向电路参数：R1:3k

R2：24k

2个变阻器:500k

C1,C2:10uF

三极管：S8050

测量数据：输入50mv,输出1V （2）交越电路参数：

R1，R2，R3，R4：1k

R5：10k

三极管;S8050,S8550

二极管两个

开关1个

输入2v，频率500Hz

（3）不对称电路参数;

R1,R2,R3,R4,R5:10k

R6,R7:1k

C1：10uF

三极管三个：S8050

开关一个

（4）增益带宽积参数：

R1，R2：10k

R3:5k

运放;LM324N

（5）容性负载电路参数：

R1，R2，R3，R4：1k

R5:100k

R6：2k

C1:22uF

运放：LM324

（6）语音放大电路参数：

变阻器R1：10k

R2:10k

C1,C2:0.1uF

C3:100uF

运放：LM386N

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。

研究放大电路信号失真的原理与掌握克服失真的方法对实际运用具有重要的意义。通过此次实验，为了找到关于放大电路失真方面的相关资料，我积极利用网上图书馆中的数据库，大量搜索，进步一锻炼了我利用网络工具查找文献的能力。通过一次次调试示波器，我对示波器功能有了更多的了解，还学习了调另一种示波器的方法。而且我对模电中关于放大电路频率响应中的相关知识又有了进一步的了解与掌握。特别是对失真及其克服方法这一块，我查阅了几本不同的教材，每一本教材的写法都有自己的特色，因此极大地加深了我对理论知识的理解。深刻理解了放大电路中的各种失真及其产生原理。使用模拟电子技术中放大电路，把某一输入模拟信号经过一个电路，进行在幅度上放大，然后输出。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，即他们的频谱成分应该相同，仅仅是幅度不同（看起来就是形状相同，幅度不同）。但是，在实际放大电路中，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，这就是电路产生了失真的缘故。失真分为线性失真和非线性失真。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。

在焊接电路板的时候，我动手实践能力也得到了提高，我印象最深刻的是在焊接语音放大器电路时，我们将前两个饱和截止双向失真电路与交越失真电路连接起来再加入扬声器连接电路，这样，我们可以将使声音通过扬声器播放出来，效果还不错。