北京交通大学模电实验报告

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：失真放大电路的研究学院：电信学院专业：通信工程学生姓名：学号：任课教师：2014年5月30日1目录1.实验要求..........................22.实验目的与知识背景................42.1实验目的.............................42.2知识点..............................43.实验过程..........................43.1实验电路及输入输出波形......................43.2每个电路的讨论和方案比较.....................173.3分析研究实验数据.........................174.总结与体会.......................185.参考文献.........................1921实验题目及要求基本要求：（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。设计电路并改进。讨论产生失真的机理，阐述解决问题的办法。（3）下图放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真。设计电路并改进。讨论产生失真的机理，阐述解决问题的办法。（4）下图放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真。设计电路并改进。讨论产生失真的机理，阐述解决问题的办法。（5）下图放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真。设计电路并改进。讨论产生失真的机理，阐述解决问题的办法。3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20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。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。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fT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，4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。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)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。(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基本要求：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。经分析，我们可采用如图1所示的射级偏置电路：5图1射级偏置电路分析知道，其增益为：同时，对于基本要求中的（2）、（3）、（4），我们可以知道对于射级偏置电路，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；当输入信号太大时，可能使被放大的信号同时在饱和区与截止区，这就产生了双向失真。于是，我们可以设计如图2所示电路满足题目要求。图2射级偏置电路原理图实验结果：6正常波形截止失真饱和失真7双向失真对于基本要求中的（5），我们分析知道，此输出波形为交越失真。我们可以采用乙类功率放大器，改进时使用甲乙类功率放大器。于是我们采用图3所示电路。图3交越失真电路图实验结果：正常波形8交越失真发挥部分：下图放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真。由波形图可知，此电路产生的是非对称失真，我们可以采用如图4所示电路。图4非对称失真电路图若要改善非对称失真，则只需在原电路图中引入负反馈失真。9实验结果：非对称失真改善后的波形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。图5测增益带宽fT运放的顶部底部双向失真电路原理图10实验结果：测量增益带宽积fT时，我先记录下输入与输出波的峰值的比值，记做Au，然后不断增大输入波形的频率，使输出波形的峰值变为原来的0.707倍，记下此时的频率f,则fT=Au*f。实验中我们测得Au=2.4f=279.6kHz,可得fT=Au*f=671.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。图6负反馈放大电路通过示波器测量，当振荡器频率提高至fT/100的95%，观察输出波形没有失真，若将振荡器频率提高至fT/100的110%，观察输出波形失真。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：11正常波形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：12改善后的波形设计一频率范围在20Hz～20kHz语音放大器。将各种失真引入语音放大器，观察、倾听语音输出。图7语音放大器电路图失真研究：（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，13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14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Vr.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15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16（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