北京交通大学-模电实验-放大电路的失真研究

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学院：电子信息工程学院专业：通信工程学生姓名：学号：任课教师：白双佟毅2014 年 5 月27 日目录1 实验题目及要求 (2)1.1基本要求 (2)1.2发挥部分 (3)1.3附加部分 (3)2 实验目的与知识背景 (4)2.1实验目的 (4)2.2知识点 (4)3 实验过程 (4)3.1选取的实验电路及输入输出波形 (4)3.1.1共射放大电路（不失真、截止失真、饱和失真、双向失真） (4)3.1.2乙类功率放大电路及甲乙类互补推挽功率放大电路（交越失真及其消除） (8)3.1.3差分放大电路（不对称失真及其消除） (9)3.1.4 运算放大电路（测量增益带宽积，频率失真及改善） (11)3.1.5语音放大器（输出语音信号，加入失真） (14)3.2每个电路的讨论和方案比较 (14)3.2.1共射放大电路（不失真、截止失真、饱和失真、双向失真） (14)3.2.2乙类功率放大电路及甲乙类互补推挽功率放大电路（交越失真及其消除） (14)3.2.3 运算放大电路（测量增益带宽积，频率失真及改善） (15)3.3分析研究实验数据 (15)3.3.1截止、饱和、双向失真的原理 (15)3.3.2交越失真的原理 (17)3.3.3不对称失真的原理 (17)3.3.4失真分析 (17)4 总结与体会 (18)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。

(18)4.2对本课程的意见与建议 (18)5 参考文献 (19)1 实验题目及要求（写明实验任务要求，可复制题目原文。

）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。

本实验要求设计并焊接电路，产生各种失真并讨论消除失真的办法。

1.1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。

思考：NPN型组成的共射放大电路和PNP型组成的共射放大电路在截止和饱和失真方面的不同。

（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。

思考：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。

（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。

1.2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。

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。

（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20μF，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。

1.3附加部分（1）设计一频率范围在20Hz～20kHz的语音放大器。

（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）三极管的输入输出特性曲线、三极管静态工作点的计算及其对放大电路的影响。

（2）截止失真、饱和失真、双向失真、交越失真及不对称失真产生的原理及其消除办法。

（3）射极偏置电路、乙类功率放大电路、甲乙类互补推挽功率放大电路、差分放大电路及电压串联负反馈电路的特点及其可能产生的失真。

（4）增益带宽积的测量。

频率失真产生的原理及其消除办法。

（5）语音放大器的设计及制作。

3 实验过程3.1 选取的实验电路及输入输出波形3.1.1共射放大电路（不失真、截止失真、饱和失真、双向失真）实验电路及仿真波形如下图。

其中输入信号幅值为50mV，频率为2KHz。

上波形为输入波形，下波形为输出波形。

此时输出波形不失真，电位器的电阻大小为50%。

调节电位器使电阻减小为23%，可以观察到底部失真。

电路中使用的三极管为NPN型，则底部失真又叫饱和失真。

饱和失真的仿真波形如图。

调节电位器使电阻增大为65%，可以观察到顶部失真。

电路中使用的三极管为NPN型，则顶部失真又叫截止失真。

截止失真的仿真波形如图。

将输入信号幅值增大到为500mV，频率仍为2KHz。

可以观察到双向失真。

此时电位器的电阻大小为50%。

仿真波形如图。

实验得到的示波器波形如图。

正常波形。

饱和失真。

截止失真。

双向失真。

3.1.2乙类功率放大电路及甲乙类互补推挽功率放大电路（交越失真及其消除）实验电路如下图。

其中输入信号幅度为2.5V，频率为2KHz。

当开关闭合时，电路为乙类功率放大电路，产生交越失真。

仿真波形及实验波形如下图。

当开关断开时，电路为甲乙类互补推挽功率放大电路，会消除乙类功率放大电路产生的交越失真，输出正常波形。

仿真波形及实验波形如下图。

3.1.3差分放大电路（不对称失真及其消除）实验电路如下图。

其中输入信号幅度为50mV，频率为2KHz。

当开关断开时，电路会产生不对称失真，输出上下峰值不等的不对称正弦波形。

仿真波形波形如下图。

可以看出，红色的输出波形产生了上下不对称的失真。

实验波形如下图。

当开关闭合时，电路中加入了电压串联负反馈，消除了之前产生的不对称失真，输出了正常波形。

仿真波形波形如下图。

可以看出，红色输出波形是上下对称的。

实验波形如下图。

3.1.4 运算放大电路（测量增益带宽积，频率失真及改善） 实验电路如下图。

其中输入信号幅度为50mV ，频率为2KHz 。

当开关J2接在R5端时，输出峰峰值约为10V 的不失真正弦波。

如图。

此时中频增益为：10050210=⨯==mVVU U A i o U将频率逐渐调大，直至增益约下降-3dB ，即输出信号的电压峰峰值下降到7.07V 时，记录此时输入信号的频率f T ，则电路的增益带宽积为：()下上f -f A GB U ⋅=式中f 上即为截止频率f T ，因运算放大器的f 下太小，视为f 下=0。

当输入信号的频率调节到10kHz 时，输出波形如下图，此时电压峰峰值约为7V ，则此电路的增益带宽积约为：()()Hz M k GB 1010100=-⋅=另外，调节输入信号的频率，可以明显地看到输出波形的峰峰值会随着输入信号频率的增大而减小。

这就是频率失真中的幅度失真。

当开关J2接在C1端时，输出波形产生明显的失真，即频率失真中的相位失真。

如图。

实验波形如图。

再将开关J1接到R2端，调整负反馈，可以改善容性负载失真。

如图。

3.1.5语音放大器（输出语音信号，加入失真）语音放大器喇叭发声部分实验电路如图。

整个语音放大器分为四个部分，分别是前置放大、驱动、滤波和发声电路，其中前置放大电路可以使用前面制作的射级放大电路或运算放大电路，驱动电路为甲乙类互补推挽功率放大电路，滤波为喇叭前面的RC滤波，最后接上喇叭就可以实现语音放大器，并加入饱和、截止、双向、交越等失真。

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。

）3.2.1共射放大电路（不失真、截止失真、饱和失真、双向失真）这是实验的第一个电路，调试时我对示波器的使用还不太熟悉，给调试带来了许多问题。

实验需要的输入信号为50mV，电压比较小，而示波器的带宽比较大，所以对小信号的噪声也比较多，导致前几次测量都没能调试出正确的波形，基本上全是杂波。

后来我通过查找资料，知道了小信号情况下示波器的调节技巧。

例如使用平均模式、高分辨率模式、交流AC等等，解决了调试时遇到的难题，也为后面的调试和测量打下基础。

3.2.2乙类功率放大电路及甲乙类互补推挽功率放大电路（交越失真及其消除）刚开始设计电路的时候，我直接在两个三极管的C极分别接上了正负12V的直流电压，如下图。

因为没有考虑到三极管的工作电流比较小，在调试时一接上直流电源，三极管就冒出一阵青烟，烧毁了。

我仔细检查电路才发现原来三极管C极没有加上Rc电阻，导致三极管工作电流太大烧毁了。

我修改了电路并重新进行电路仿真，更换了新的三极管，正确地完成了实验。

3.2.3 运算放大电路（测量增益带宽积，频率失真及改善）实际测量增益带宽积时，测量值会比理论值略小一些。

我测量到的增益带宽积是9kHz，而理论值是1MHz。

原因可能是在计算增益及带宽时都是近似取整，并没有精确计算，但这样的误差在允许范围之内。

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）3.3.1截止、饱和、双向失真的原理产生截止失真原因：静态工作点设置过低。

消除方法：减小R b，增大I BQ，提高Q点。

NPN管构成的放大电路出现截止失真时是顶部失真，而PNP管组成的放大电路出现截止失真时是底部失真。

截止失真在三极管输出曲线上的体现如下图。

产生饱和失真原因：工作点设置过高。

消除方法：增大R b，减小I BQ，降低Q点。

NPN管构成的放大电路出现饱和失真时是底部失真，而PNP管组成的放大电路出现饱和失真时是顶部失真。

饱和失真在三极管输出曲线上的体现如下图。

产生双向失真原因：输入信号过大，使三极管同时进入饱和区和截止区。

消除方法：工作点Q要设置在输出特性曲线放大区的中间部位，减小输入的信号，选择一个合理的输入信号，使之正好工作在放大区域内。

另外，共射、共集、共基组态放大电路的区别如下表所示。

3.3.2交越失真的原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，由两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U be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，两只晶体管基本上都不导通。