放大电路的失真研究
反相比例放大器波形失真的原因
反相比例放大器波形失真的原因以反相比例放大器波形失真的原因为标题，我们将详细讨论该问题。
反相比例放大器是一种常用的放大电路，能够将输入信号放大并反向输出。
然而，在实际应用中，我们常常会遇到波形失真的问题，即输出信号与输入信号存在差异或畸变。
波形失真的原因可以归结为若干方面，我们将逐一探讨。
反相比例放大器的波形失真可能与非线性元件特性有关。
在反相比例放大器中，常用的非线性元件是BJT（双极型晶体管）和MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）。
这些元件在工作过程中，会因为电流和电压的变化而引起非线性失真。
特别是在高频信号放大时，非线性元件的非线性特性更为明显，会导致输出波形失真。
反相比例放大器的波形失真可能与电容和电感元件有关。
在放大电路中，电容和电感元件常用于滤波和频率响应的调整。
然而，这些元件本身也具有一定的频率特性。
在高频信号放大过程中，电容和电感元件的频率特性可能会导致输出波形失真，尤其是在频率较高时。
反相比例放大器的波形失真还可能与输入信号的幅度和频率有关。
反相比例放大器的放大倍数通常是固定的，而输入信号的幅度和频率可能会超出放大器的工作范围。
当输入信号的幅度过大或频率过高时，放大器可能无法正确放大信号，导致输出波形失真。
因此，在设计反相比例放大器时，需要合理选择放大倍数和工作范围，以避免波形失真的问题。
反相比例放大器的波形失真还可能与电源电压的稳定性有关。
反相比例放大器通常需要外部电源电压来提供工作电压。
如果电源电压不稳定或存在噪声干扰，可能会影响放大器的工作状态，导致输出波形失真。
因此，在实际应用中，需要确保电源电压的稳定性和干净度，以提高反相比例放大器的波形质量。
反相比例放大器的波形失真还可能与电路布局和元件选择有关。
电路布局不合理或者元件选择不当，可能会引入电磁干扰或者噪声，从而影响放大器的工作效果，导致波形失真。
因此，在设计反相比例放大器时，需要考虑电路布局和元件选择的因素，以减少干扰和噪声的影响。
模电论文放大电路失真现象的研究
目录一、引言 (2)二、晶体管放大电路的类型 (2)2.1共射极放大电路 (2)2.2共集极放大电路 (2)2.3共基极放大电路 (2)三、几种类型的失真 (3)3.1非线性失真 (3)3.1.1饱和失真 (3)3.1.2截止失真 (4)3.1.3交越失真 (4)3.1.4双向失真 (6)3.2晶体管放大电路非线性失真的因素概括 (6)3.2.1信号源内阻 (6)3.2.2放大器接法 (6)3.2.3负反馈 (7)3.2.4多级反相放大 (7)3.3线性失真 (7)四、总结 (8)参考文献 (9)放大电路失真现象的研究张翔翔（北京交通大学电子信息工程学院北京 100044）摘要：本文介绍了几类放大电路，然后介绍了几种晶体管放大电路几种类型的失真。
并分析了失真产生的原因，又通过具体电路的具体波形非线性失真，介绍了线性失真和非线性失真的区别，着重讲解了减少线性失真和非线性失真的方法和步骤。
一、引言失真的情况在现实生活中随处可见，指的是指一个物体、影像、声音、波形或其他资讯形式其原本形状（或其他特征）的改变现象，而且往往是不希望出现的。
在理想的放大器中，输出波形除放大外，应与输入波形完全相同，但实际上，不能做到输出与输入的波形完全一样，这种放大电路中的失真无疑会给工程增加一些麻烦，所以对其失真类型的判断和采取相应的改进措施就显得颇为必要了。
放大电路常见的失真分为线性失真和非线性失真，其中非线性失真又包括饱和失真、截止失真和交越失真。
二、晶体管放大电路的类型晶体管放大电路中的关键器件便是晶体管。
由NPN型晶体管和PNP型晶体管组成基本放大电路各有3种，即共射极放大电路、共集电极放大电路和共基极放大电路。
2.1共射极放大电路图2-1左所示为共射极放大电路的基本结构，从图中可以看到该类电路是将输入信号加到晶体管基极和发射极之间，而输出信号又取自晶体管的集电极和发射极之间，由此可见发射极为输入信号和输出信号的公共接地端，具有这种特点的单元电路便称为共射极放大电路。
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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 01 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。
145 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）。
简述基本放大电路中,放大信号的波形出现失真的原因及其消除方法
简述基本放大电路中,放大信号的波形出现失真的原因及其消
除方法
在基本放大电路中，放大信号的波形出现失真的原因主要有两个方面：非线性失真和频率响应失真。
1. 非线性失真：非线性失真是指放大器输出的波形不精确地复制了输入信号的形状。
这是因为放大器的非线性特性会导致输出信号中包含原始信号所没有的额外谐波成分。
该失真的消除方法包括：
- 使用线性放大器：选择具有较高线性特性的放大器，尽量减少非线性失真；
- 使用负反馈：将一部分放大器的输出信号送回输入端，对放大器进行修正，减少非线性失真；
- 使用补偿电路：通过加入适当的补偿电路，可以抵消放大器中的非线性特性，减轻非线性失真。
2. 频率响应失真：频率响应失真是指放大器对不同频率的信号放大程度不同，导致输出信号的波形形状发生变化。
该失真的消除方法包括：
- 设计合适的放大器截止频率：根据需要放大的信号频率范围，选择合适的截止频率，使得放大器具有平坦的频率响应； - 使用频率补偿电路：通过加入补偿电路，在放大电路中对不同频率进行补偿，使得输出信号的频率响应更加平坦；
- 选择合适的电容和电感元件：在放大电路中选择合适的电容和电感元件，以满足不同频率的信号传输要求，减少频率响应的失真。
通过以上方法的综合应用，可以减少放大信号波形的失真，使得放大
电路输出的波形更加准确地复制了输入信号的形状。
放大器的非线性失真
放大器的非线性失真非线性失真是模拟电路中影响电路性能的重要因素之一。
本章先从非线性的定义入手，确定量化非线性的一个度量标准，然后研究放大器的非线性失真及其差动电路与反馈系统中的非线性，并介绍一些线性化的技术。
12.1 概述 非线性的定义电路非线性是指输出信号与输入信号之比不为一个常量，体现在输出与输入之间的关系不是一条具有固定斜率的直线，或体现为小信号增益随输入信号电平的变化而变化。
放大器的非线性定义：当输入为正弦信号时，由于放大器（管子）的非线性，使输出波形不是一个理想的正弦信号，输出波形产生了失真，这种由于放大器（管子）参数的非线性所引起的失真称为非线性失真。
由于非线性失真会使输出信号中产生高次谐波成分，所以又称为谐波失真。
非线性的度量方法1 泰勒级数系数表示法：用泰勒级数展开法对所关心的范围内输入输出特性用泰勒展开来近似：)()()()(33221 +++=t x t x t x t y ααα （12.1）对于小的x ，y (t)≈α1x ，表明α1是x ≈0附近的小信号增益，而α2，α3等即为非线性的系数，所以确定式(12.1)中的α1，α2等系数就可确定。
2 总谐波失真（THD ）度量法：即输入信号为一个正弦信号，测量其输出端的谐波成分，对谐波成分求和，并以基频分量进行归一化来表示，称为“总谐波失真”(THD )。
把x(t)=Acosωt 代入式(12.1)中，则有：+++++=+++=)]3cos(cos 3[4)]2cos(1[2cos cos cos cos )(332213332221t t A t A t A t A t A t A t y ωωαωαωαωαωαωα （12.2）由上式可看出，高阶项产生了高次谐波，分别称为偶次与奇次谐波，且n 次谐波幅度近似正比于输入振幅的n 次方。
例如考虑一个三阶非线性系统，其总谐波失真为：2331233222)43()4()2(THD A A A A αααα++= （12.3） 3 采用输入/输出特性曲线与理想曲线（即直线）的最大偏差来度量非线性。
放大器的非线性失真
放大器的非线性失真The document was prepared on January 2, 2021放大器的非线性失真非线性失真是模拟电路中影响电路性能的重要因素之一.本章先从非线性的定义入手,确定量化非线性的一个度量标准,然后研究放大器的非线性失真及其差动电路与反馈系统中的非线性,并介绍一些线性化的技术.概述非线性的定义电路非线性是指输出信号与输入信号之比不为一个常量,体现在输出与输入之间的关系不是一条具有固定斜率的直线,或体现为小信号增益随输入信号电平的变化而变化.放大器的非线性定义：当输入为正弦信号时,由于放大器管子的非线性,使输出波形不是一个理想的正弦信号,输出波形产生了失真,这种由于放大器管子参数的非线性所引起的失真称为非线性失真.由于非线性失真会使输出信号中产生高次谐波成分,所以又称为谐波失真.非线性的度量方法1 泰勒级数系数表示法：用泰勒级数展开法对所关心的范围内输入输出特性用泰勒展开来近似：)()()()(33221 +++=t x t x t x t y ααα 对于小的x ,y t≈α1x ,表明α1是x ≈0附近的小信号增益,而α2,α3等即为非线性的系数,所以确定式中的α1,α2等系数就可确定.2 总谐波失真THD 度量法：即输入信号为一个正弦信号,测量其输出端的谐波成分,对谐波成分求和,并以基频分量进行归一化来表示,称为“总谐波失真”THD .把xt=Acosωt 代入式中,则有：+++++=+++=)]3cos(cos 3[4)]2cos(1[2cos cos cos cos )(332213332221t t A t A t A t A t A t A t y ωωαωαωαωαωαωα由上式可看出,高阶项产生了高次谐波,分别称为偶次与奇次谐波,且n 次谐波幅度近似正比于输入振幅的n 次方.例如考虑一个三阶非线性系统,其总谐波失真为：2331233222)43()4()2(THD A A A A αααα++= 3 采用输入/输出特性曲线与理想曲线即直线的最大偏差来度量非线性.在所关心的电压范围0 V i,max 内,画一条通过实际特性曲线二个端点的直线,该直线就为理想的输入/输出特性曲线,求出它与实际的特性曲线间的最大偏差ΔV ,并对最大输出摆幅V o,max 归一化.即在如图所示.V图 非线性的确定单级放大器的非线性1 由于管子特性引起的非线性以共源放大器为例来说明单级放大器的非线性,如图所示是带电阻负载的共源放大器.V S +v sVo图 共源放大器图中V S 为M 1管的直流工作点,即栅源电压,而v s 则为输入的交流小信号,假定输入的交流小信号为：t cos V v m s ω= 则根据饱和萨氏方程可得其漏极电流为： 2)cos (t V V V K I m th GS N D ω+-=上式中I D0为直流输出,所以在输出端的交流信号可表示为：+++-=)]2cos(1[21cos )(22t V K t V V V K I m N m th GS N d ωω输出信号的基波与二次谐波的幅度之比为：)(42th GS mV V V A A -=ωω 由上式可以看出MOS 放大器的非线性失真是由于输出电流与输入电压的平方关系引起的,当V m 很小时,二次谐波可以忽略.2 由放大器传输特性引起的非线性带电阻负载的共源放大器的传输特性如图所示.V图 带电阻负载的共源放大器的传输特性由上图可以看出,放大器的非线性失真与输入信号大小、直流工作点偏置点有关.一般放大器的最大输出幅度是指无失真的输出.所以当偏置点不同时同一放大器的输出幅度是不同的.由于V o ＝V DD －I D R ,而放大器的电压增益为：A v =－g m R ,所以当电源电压为常数时,随着电阻R 值的增大,放大器的增益增加,但输出幅度的动态范围减小.差分电路的非线性对于差分电路,由于输入与输出间表现出一种“奇对称”的关系,即f －x=－fx ,所以对式的泰勒展开式进行简化,应只有奇次项,所有的偶次项系数为零,即输入为差分信号时差分放大器不存在偶次谐波,从而减少了非线性.V图 相同电压增益的单端放大器与差分放大器对于如图所示的差分放大器,其小信号电压增益为：)(2 R V V K R g A th GS N m v -=≈ 与共源放大器一样,假设输入信号为V m cosωt .则有：21D D o I I I -= 21GS GS id V V V -=根据饱和萨氏方程有：22221)(4 2idth GS id N id NS idN D D V V V V K V K I V K I I --=-=-从式可以看出,只有当N S id K I V /2≤时,I D1、I D2才有意义,而当V id 较小时,△I D ＝I D1－I D2和V id 才是线性的.所以一般认为在满足N S id K I V /±≤时,差分放大器是线性的.如果|V id |<<V GS －V th ,则将式中的根号下的式子展开得：)(8cos cos )(2 )(81)(2)(41)(2233222221⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡---=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡---≈---=-th GS m m th GS N th GS idth GS id N th GS idth GS di N D D V V t V t V V V K V V V V V V K V V V V V V K I I ωω 利用三角函数的性质cos 3ωt=3cosωt+cos3ωt/4对式进行进一步的简化,有：)(32)3cos(cos )(323232321th GS m m th GS m m m D D V V t V g t V V V V g I I --⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=-ωω 由上式可以看出：差分放大器的非线性失真只包含有奇次谐波,而无偶次谐波分量,且当])(32[323th GS m m V V V V ->>时,其三次谐波分量与基次谐波分量的比值为： )(32/22th GS m V V V -.与式相比可发现：在提供相同的电压增益与输出摆幅的情况下,差动电路呈现的失真要比共源放大的失真要小得多.电路中器件引起的非线性前面介绍的者是假定无源组件为线性,但实际上,特别是在集成电路中,无源组件也都是非线性的.这里主要介绍电容以及用MOS 管作电阻的非线性. 1 电容的非线性电容的非线性主要体现在开关电容电路中,电容器对电压的依赖关系可能会引入相当大的非线性.如图所示的电容结构,则是一个非线性电容.图 一种非线性电容结构对于图中的电容,由于其电容值的大小与PX 二点的电压值即电容两端的电压有关,通常此电容可表示为：)1(2210 +++=V V C C αα 为了考虑电容非线性的影响,分析如图a 所示的开关电容电路.CV oV i0a b图 a 非线性电容的开关电容电路 b 输出曲线假设图中放大器输入电容C 1上有一初始电压为V i0,而输出电容C 2的初始电压为零,且C 1是一非线性电容,并假设C 1/C 2＝K 电路的死循环增益,C 1＝KC 01＋α1V ,则电容C 1上获得的电荷为：201000100112)1( 00i i V V V KC V KC dV V KC dV C Q i i αα+=+==⎰⎰而在放大模式终止时,电容C 2上的电荷为：2100222o o V V C V C dV C Q oα+==⎰而根据电荷守恒定理,Q 1＝Q 2,所以可令式与式相等,则可求得：)211(10120211i i o V K V K V ααα+++-=上式中平方根项下的后两项通常远小于1,因此可以对平方根项展开,有：20102)1(i i o V K K KV V α-+≈从上式可以看出输出电压V o 的非线性是由第二项产生的.2 MOS 管作为电阻的非线性如图所示,为一个有源滤波器,其中使用MOS 管作为其电阻,V VGV oV V o图 用MOS 管作为电阻的有源滤波器选择V G 的电压使MOS 管工作在线性区,因此根据萨氏方程有： DS DSth GS N d V )2V V V (K i --= 对上式进行泰勒展开得：+----=)(21))((22S D N S D th GS N d V V K V V V V K i 式中V D －V S ＝V DS ,则其等效电阻为：++--==)(21)(S D N th GS N DS d V V K V V K V i R 上式中第一项为线性电阻,第二项为非线性电阻,使滤波器电路产生非线性,所以用简单管子工作在非饱和区作电阻时使电路产生非线性,当V D ＋V S 很小时,非线性可以忽略.克服非线性的技术 原理在模拟电路中改善和克服非线性失真的方法基本上都是采用负反馈.其基本的工作原理如下：考虑放大器的非线性失真时,输出信号可以表示为：h v di v o v DA v A v 00+=式中D 为谐波失真系数,v h 为输入端的谐波信号.则一个反馈系统可用图表示.Dv图 反馈系统的对非线性的影响的原理框图由上图可得到：of v f v F v ⋅= f sf di v v v -= di v h v of v A Dv A v 00+=把式、代入式h v sf v v v of Dv A v A F A v 000)1(+=+即：vv hv vv sf v of F A Dv A F A v A v 000011+++=上式说明,非线性失真减小是用降低系统增益换来的,反馈放大器输入信号幅度与无反馈时相同,则负反馈放大器的输出信号缩小了1＋A v0F v 倍.为了便于比较,应将输出信号中的基波幅度调到与无反馈时相同,则有： s v v sf v F A v )1(0+= 把式代入到式中可得到：vv hv s v of F A Dv A v A v 0001++=由上式可以看出负反馈作用使放大器输出信号中的谐波成分减小了,若以D F表示,则有： vv F F A DD 01+=上式说明负反馈放大器非线性失真比无反馈放大器减小了1＋A v0F v 倍.上述情况也可以从放大器的传输特性曲线来理解.假定一个放大器一般放大器的开环传输特性曲线失真可以用分段线性近似,如图所示.图 传输特性曲线失真的分段线性近似表示法当v s ≤V s1时,放大器开环增益为A 1；当V s1＜v s ≤V s2时,放大器开环增益为A 2；当v s ＞V s2时,放大器开环增益为A 3.实际为传输特性的斜率,从此可以看出A 3为零,由于放大器随着输入信号的变化放大器增益的不一致,使输出波形将有失真.当放大器加反馈后该放大器闭环时的增益分别为假定反馈系数都为F v vvo v v F A A A 10111+=vvo v v F A A A 20221+=当反馈深度足够时,则有：A v1=1/F v ,A v2=1/F v ,A V3=0因为A 3＝0.由上述关系画出闭环放大器传输特性如图中虚线所示,可以看出放大器的增益降低了,但线性范围扩展了,只有当v s >V s2时输出信号被限幅,才会失真.所以负反馈放大器在输出信号中非线性失真减小,反馈越深,负反馈放大器线性工作范围越大缓冲器最大：它是全反馈,非线性失真也越小,当放大器进入饱和区后,输出波形限幅.当放大器输入信号本身包含有谐波成分时,负反馈是无法将这种谐波成分减小的,只有加滤波器.改善放大器非线性失真的实际电路1 共源放大器线性电阻源级负反馈如图a所示,这是一个串联负反馈电路,且反馈系数为F＝R S.VoViIa b图a带电阻负反馈的共源级 b不同反馈时的漏电流与Vi的关系负反馈减小了晶体管栅源之间施加的信号的摆幅,因此使得输入－输出特性具有更好的线性.忽略体效应,共源级的等效跨导为：1Smmm RggG+=当g m R S>>1时,则G m接近于1/R S,这是一个与输入无关的值.由图b可以发现R S越大,则ID越稳定.该电路的电压增益为：G m R,由于R S与R都是线性化的,因此A v也是线性的.并且该电路的线性范围直接取决于g m R S,g m R S越大则线性范围越大.例对于一个偏置电流为I0的共源级放大电路如图所示,其输入电压摆幅使漏电流由变化到.则MOS管的跨导发生变化,引起电路的非线性失真,计算以下三种情况下小信号电压增益的变化a R S＝0,b g m R S＝2的负反馈,c g m R S＝4,其中g m是I D＝I1时的跨导.解：假定M1工作于饱和区,则有DmIg∝.则：a当R S＝0时,即不存在负反馈时,有：4.06.0,,=lmhmggb 当g m R S＝2时,由式可得：4.06.00.89)6.021()4.021(4.06.0)4.01/(4.0)6.01/(6.0,,=++=++=SmmSmmlmhmRggRggGGc 同理,当g m R S ＝4时有：4.06.00.86 )6.041()4.041(4.06.0)4.01/(4.0)6.01/(6.0,,=++=++=S m m S m m lm h m R g g R g g G G由式与式可知：当g m R S ＝2时,线性度提高了11%；而当g m R S ＝4时,线性度提高了14%.2 差分放大器的线性负载共源放大器线性电阻源级负反馈,可直接应用到差分放大器中形成差分放大器的线性负载负反馈.如图a 、b 所示.a b图 差分对中使用的源级负反馈 a 一个电阻 b 两个电阻图a 、b 中的差分输入的半电路相同,如同图a 所示.因此其负反馈的作用也与带线性电阻负反馈的共源放大器的效果一样.在图a 中, V GS 抬高了I S R S /2电压值比不带反馈的放大器,而当V id ＝0时,电阻上通过I S /2的电流,因而提高反馈深度以提高线性范围与输出压摆之间是一矛盾的关系,另外,失调与噪声都存在负反馈作用,所以对失调与噪声都有改善.而图b 中,仅用一个电阻,且电阻2R S 上无电流流过,因此失调与噪声不存在负反馈作用,所以容易产生较大的失调和噪声.在MOS 差分运算放大器中,要求R S 能很精确,但是由于工艺原因,其电阻值存在着很大误差,所以一般在制造中采用工作在很深三极管区的MOS 管作为电阻,此时的电阻呈线性特征,当V DS 很小时有：R on3=1/2K N V GS -V th .如图所示.图 通过工作在深线性区的MOSFET 实现负反馈的差分对然而,当输入摆幅较大时,不能保证M 3处于深线性区,因此它的导通电阻将会增大,从而引入了非线性.当图中的电阻R S 用两个工作于深线性区的NMOS 管来实现时,就构成了如图所示的电路.图 用两个工作在线性区的MOSFET 负反馈的差分对当V id ＝0时,M 3与M 4都处在深线性区.假设V id 为负值,即V G1＜V G2,由于V D4＝V G4－V GS2,晶体管M 4处在线性区,而M 4则因为其漏极电压大于栅源电压,最终将进入饱和区.因此,即使一个负反馈器件进入饱和区,电路仍能保持相对线性.在设计时,令W/L 1,2≈7W/L 3,4,则可得到较宽的线性范围.但是在图中,当M 3、M 4进入饱和区时,电阻增加,在管子上的压降增大,使电路脱离了线性区.3 改变输入对管的输入特性来克服放大器的非线性强制输入对管始终工作在深的线性区,如图所示,图中运放A 1、A2使得：V A ＝V B ≈V b,且不受输入电平变化的影响,而且要求V b <<V GS1－V th1,因此输入对管M 1、M 2始终工作于深线性区.13V b图 输入器件工作在线性区的差分对该电路的特点为：1 由于M 1、M 2工作于深线性区,故它们的跨导较小,且为：g m1=g m2=2K N1V DS =2K N1V b . 所以这种线性范围的扩大是以增益的降代为代价的.2 因为M 1、M 2的工作状态与V i 的共模电平有关,所以输入共模电平必须严格控制,并跟踪V b ,以便确定I D1和I D2.3 M 3,M 4与两个辅助放大器在输出端会产生很大的噪声.4 利用器件特性的互补法其思路是将放大器看作由一个电压－电流V/I转换器后面再接一个电流－电压I/V转换器构成.这样在理想情况下,电压－电流转换时的非线性用其后的电流－电压的非线性相互抵消,从而产生线性的放大器.但在实际中,由于存在着各种其它非理想效应都会在电路中产生非线性,从而减小了放大器的线性工作范围.。
什么是电路中的放大器失真
什么是电路中的放大器失真放大器是电子电路中常见的一个重要组件，其主要功能是将输入信号放大至需要的幅度，并将其输出。
然而，在实际应用中，放大器常常会引入一定的失真，影响信号的传输和质量。
本文将介绍什么是电路中的放大器失真，以及其产生的原因和常见类型。
一、放大器失真的定义在电路中，放大器失真指的是放大器输出信号与输入信号之间存在的非线性关系，导致输出信号形状或幅度发生改变，与原始信号存在差异。
这种失真会导致原始信号的畸变，降低信号的准确性和保真度。
二、放大器失真的原因1. 非线性特性：放大器在放大信号时，其放大增益往往会随着输入信号的变化而变化。
当输入信号较小或靠近放大器的饱和区时，放大器会表现出非线性的放大特性，导致失真现象的发生。
2. 频率响应：放大器在不同频率下的放大特性可能有所不同，其中某些频率段上的放大增益会有所衰减或变化。
这种频率响应不均导致输出信号的失真。
3. 输出载荷：放大器的输出端常常需要连接负载电阻或其他电子组件。
不正确的负载匹配或负载电阻的变化也会导致放大器输出信号的失真。
4. 温度效应：放大器在工作时会产生一定的发热，而温度的变化会引起电子器件的参数变化。
因此，温度的变化可能导致放大器工作状态发生变化，从而导致失真的发生。
三、放大器失真的类型1. 线性失真：线性失真是放大器输出信号与输入信号之间存在的线性变化关系。
例如，信号增益的非线性变化将导致放大器输出的失真。
2. 非线性失真：非线性失真是放大器输出信号与输入信号之间存在的非线性变化关系。
非线性失真可以进一步细分为各种类型，如谐波失真、交叉失真等。
谐波失真指的是输出信号中包含输入信号频率的整数倍频率成分，而交叉失真则指的是输出信号中包含输入信号频率之外的频率成分。
3. 相位失真：相位失真是指放大器输出信号的相位与输入信号的相位之间存在的差异。
相位失真会导致信号波形的畸变或时序错误。
四、放大器失真的影响放大器失真对信号的传输和质量会产生多种影响，其中包括：1. 信号失真：放大器失真会引起输入信号的形状、幅度或频谱发生变化，从而导致信号的失真。
放大电路失真现象研究
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3 实验过程 (2)5 参考文献 (20)1 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）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f T。
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。
（4）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20m F，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～20kH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f T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。
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放大电路的失真研究——模拟电子技术实验教学案例参赛作品黄亮、佟毅、李赵红导师：***北京交通大学电子信息工程学院国家电工电子实验教学示范中心2013年5月28日目录1.放大电路的失真研究 (3)1.1电路背景 (3)1.2实验目的 (3)1.3技术指标及设计要求 (3)1.4评分标准 (5)1.5实验特点 (6)1.6实验原理 (6)1.7方案比较 (11)1.8实验数据分析 (12)1.9实践能力 (13)参考文献： (13)1. 放大电路的失真研究（模拟电子技术实验） 黄亮 佟毅 李赵红 2013年4月9日1.1电路背景电路输出波形失真引起信号不能正确的传输，解决失真问题是电路设计工程师面对的一个重要问题。
输出波形失真可发生在基本放大、功率放大和负反馈放大等电路中，输出波形失真有截止失真、饱和失真、双向失真、交越失真，以及输出产生的谐波失真和不对称失真等。
1.2实验目的掌握失真放大电路的设计和解决电路的失真问题可以提高学生系统地构思问题和解决问题的能力。
通过失真放大电路实验可以系统地归纳模拟电子技术中失真现象和掌握消除各种失真技术，培养学生通过现象分析电路结构特点，进而改善电路的能力。
1.3技术指标及设计要求 1.3.1基本要求（1）输入标准正弦波，如图1.1（a ），频率2kHz ，幅度50mV ，输出正弦波频率2kHz ，幅度1V 。
（2）图1.1（b ）是电路输出波形，若达到要求，如何设计电路，并修改。
（3）图1.1（c ）是电路输出波形，若达到要求，如何设计电路，并修改。
（a ）（b ）（c ）（d ）（e ） （f ）图1.1（4）图1.1（d）是电路输出波形，若达到要求，如何设计电路，并修改。
（5）输入标准正弦波，频率2kHz，幅度5V，设计电路使之输出图1.1（e）输出波形，并改进。
1.3.2发挥部分（1）图1.1（f）是电路输出失真波形，设计电路并改进。
（2）任意选择运算放大器，测出增益带宽积f T。
并重新完成前面基本要求和发挥部分的工作。
（3）将运算放大器连接成任意负反馈放大器，要求负载2kΩ,放大器的放大倍数为100，将振荡器频率提高至f T/100的95%，观察输出波形是否失真，若将振荡器频率提高至f T/100的110%，观察输出波形是否失真。
（4）放大器的放大倍数保持100，将振荡器频率提高至f T/100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。
（5）改善发挥部分（4）的输出波形不失真，设计并完成电路。
（6）其他失真研究1.3.3失真研究（1）通过图1.1（b）、（c）和（d）的失真设计，讨论产生失真的机理，阐述解决问题的办法。
（2）通过图1.1（e）的失真设计，讨论产生失真的机理，阐述解决问题的办法。
（3）通过图1.1（f）的失真设计，讨论产生失真的机理，阐述解决问题的办法。
（4）讨论npn型三极管组成的共射放大电路和pnp型三极管组成的共射放大电路在截止和饱和失真方面的不同。
（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。
（6）负反馈可解决波形失真，解决的是哪类失真？（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？如何使单电源供电的功率放大器不失真？（8）由单电源供电的运算放大器组成电路会出现哪种失真？（9）测量增益带宽积f T有哪些方法？（10）提高频率后若失真，属于哪类失真？（11）电阻负载改成大容性负载会出现什么失真？（12）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？（13）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？（14）当温度升高，三极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？（15）归纳失真现象，并阐述解决失真的技术。
1.4评分标准1.4.1基本要求1.4.2发挥部分1.5实验特点(1) 给出不同输出波形失真现象，逆向设计放大电路并改进，体现系统性。
(2) 归纳模拟电子技术放大电路失真问题和解决方法，展开思路，体现开放性。
加深知识点和技术：(1) 射极偏置电路、乙类、甲乙类功率放大电路和负反馈电路。
(2) 截止失真、饱和失真、双向失真、交越失真等。
(3) 克服各种失真的技术。
1.6实验原理1.6.1 截止、饱和和双向失真实验采用射极偏置电路实现截止、饱和和双向失真，仿真电路如图1.2所示。
设输入信号u i为正弦波，并且工作点选择在输入特性曲线的直线部分，使其输入电流i b也为正弦波。
图1.2 共射放大电路如果由于电路元件参数选择不当，使I BQ比较高，静态工作点电流I CQ比较高。
对于输入电流的负半周，基极总电流i b和集电极总电流i c都减小，使集电极电压u c升高，形成输出电压的正半周，这个输出电压仍然是正弦波，没有失真。
但是在输入电流的正半周中，当I BQ增加时，I CQ随之增大，由于输出电压反相，这样形成的输出电压的负半周的底部被削，不再是正弦波，产生了失真。
这种由于放大器件工作到特性曲线的饱和区产生的失真，称为饱和失真。
否则如果静态工作点电流I CQ选择的比较低，在输入电流正半周时，输出电压无失真。
但是，在输入电流的负半周，晶体管将工作到截止区，从而使输出电压的正半周的顶部被削，产生了失真。
这种失真是由于放大器工作到特性曲线的截止区产生的，称为截止失真。
在图1.2所示电路中，截止与饱和失真的调节通过电位器R2实现，R2增加，则静态工作点下移，输出波形出现截止失真，R2减小，则静态工作点上移，输出波形出现饱和失真。
出现双向失真是由于信号同时进入了饱和区和截止区，最简单的调节方法是增加输入信号的幅度，本实验就是采取增加输入实现双向失真的。
另外，通过调节集电极电阻R3和直流电源U CC也可以实现双向失真。
调节电路，经过测试可以得到清晰的截止、饱和和双向失真波形，如图1.3所示。
（a）截止失真（b）饱和失真（c）双向失真及正常正弦波图1.3 三种失真实验结果1.6.2交越失真采用基本乙类功率放大电路实现交越失真，仿真电路图如图1.4(a)所示。
由于三极管PN 结的压降，图1.4(b)所示的互补对称功放电路并不能使输出波形很好地反映输入的变化。
（a）基本乙类功率放大电路（b）甲乙类双电源互补对称电路图1.4 乙类功率放大电路由于采用双电源供电，在没有输入信号时，两个三极管的基极电位为零，由于没有直流偏置，管子的基极电流i b必须在U BE大于某一数值（即门槛电压，NPN硅管约为0.6V，PNP 锗管约为0.2V）时才有显著变化。
当u i低于这个数值时，Q1和Q2都截止，i c1和i c2基本为零，负载R L上无电流流过，出现一段死区，这就是交越失真产生的基本原理。
改善的电路采用甲乙类双电源互补对称电路，如图 1.5（b）所示。
静态时，在二极管D3、D4上产生的压降为Q1、Q2提供了一个适当的偏压，使之处于微导通状态。
由于电路对称，静态时i c1=i c2，i L=0，u o=0。
有信号时，由于电路工作在甲乙类，即使u i很小也可以进行线性放大。
调节电路，经过测试可以得到清晰的交越失真及其改善波形，如图1.5所示。
（a）交越失真（b）交越失真改善图1.5 交越失真实验结果1.6.3不对称失真实验实现不对称失真的电路如图1.6所示，由差分放大和恒流源电路组成。
由开关A控制失真电路和改善电路，开关打开时为不对称失真电路，开关闭合时接入负反馈，为不对称失真改善电路。
图1.6 不对称失真电路三极管输入电阻r be在正弦信号电压瞬时变化过程中一直随着总电流变化，电流越大，r be越小，这段区域就是三极管的非线性区。
当输入信号进入非线性区时，在正弦信号电压负半波，电流总量较小，r be较大，结果使信号电流、基极电流交流分量、集电极电流交流分量的负半波都比较小，反相后反映为负载电压正半波矮胖；在正弦信号电压正半波，电流总量较大，r be较小，使信号电流、基极电流交流分量、集电极电流交流分量的正半波都比较大，反相后反映为负载电压负半波瘦长。
就是说，输入信号电压虽然是正弦波形，但由于三极管的非线性输入特性，输出电压畸变为上半部矮胖下半部瘦长的非正弦波形，这就是不对称失真。
改善不对称失真的方法就是引入负反馈。
引入负反馈后，也就是在这种失真的输出信号中取出一部分信号送回到输入端，那么相应地反馈信号u f也是正半波矮胖，负半波瘦长。
由于反馈信号u f与原来的输入信号u i是反相的，因此反馈信号对原来的输入信号起削弱作用，这样使得净输入信号u id变成正半波瘦长而负半波矮胖，再经过放大，就可使两个半周的波形之间的差别比没有负反馈时要小，从而改善了不对称失真的程度。
调节电路，经过测试可以得到清晰的不对称失真及其改善波形，如图1.7所示。
（a）不对称失真（b）不对称失真改善图1.7不对称失真实验结果1.6.4运算放大器增益带宽积测量及失真本实验实现运算放大器增益带宽积测量以及失真研究的电路图如图1.8所示。
设计电路共有4个开关，不同开关组合时能实现不同功能。
图1.8 运算放大器电路当开关A断开、开关B闭合时，图1.8是同相比例放大电路。
3 u4100RAR==运算放大器实现100倍放大功能。
增益带宽积测量方法如下：先调出100倍不失真放大波形，调节信号源频率，观察示波器输出电压幅度示值，当增益下降到原来的0.707倍的时候，用此时的频率乘以增益100即可得到增益带宽积。
当频率增高时，可以明显观察到正弦波幅度变小，这就是频率失真中的幅度失真。
当开关C闭合时，运算放大器带容性负载，出现尖峰失真，再闭合开关A时，波形得到改善，原因是引入电压串联负反馈，负反馈程度增大，输出阻抗减小，提高了运算放大器带负载的能力。
调节电路，经过测试可以得到清晰的运算放大器失真及其改善波形，如图1.9所示。
（a）100倍放大波形（b）容性负载尖峰失真（c）容性负载改善波形图1.9 容性负载实验结果由图可以看出，容性负载改善波形并不是很完美，仍然有少许失真，这是由运算放大器本身结构造成的，运放不能带大容性负载。
1.7方案比较研究交越失真过程中，除了用二极管改善电路之外，还可以使用另一种基于负反馈方式的改善电路，电路图如图1.10所示。
图1.10 负反馈功率放大电路如图1.10所示，当前级运算放大器的输出电压低于三极管PN结电压时，三极管不能导通，电路处于交越失真状态。
负反馈信号线采样电压为零，由于运算放大器工作于差分放大，负反馈线上的反馈信号会使运算放大器自动调整放大系数，来增大输出电压，三极管立刻导通，保证输出与输入的线性关系。
为了验证上述分析的正确性，使用Multisim软件仿真，分别用示波器测量负载波形和基极电压波形，仿真结果如图1.11所示。