非线性失真研究-模电设计性实验-北交大

《模拟电路实验》课程实验设计
——非线性失真分析报告
*名：**
学号： ********
学院：电信学院
班级：通信1108班
指导教师：***
北京交通大学 6月4日
目录
《模拟电路实验》课程实验设计 (1)
目录 (2)
1.实验设计背景 (4)
2.设计要求及实验目的 (4)
2.1实验目的 (4)
2.2实验要求 (5)
3.非线性失真原理介绍 (5)
3.1饱和失真与截止失真 (5)
3.1.1截止失真 (6)
3.1.2饱和失真 (7)
3.2 双向失真 (7)
3.3 交越失真 (8)
3.4 不对称失真 (8)
4.减小非线性失真方法探究 (9)
4.1减小截止失真.、饱和失真的方法 (9)
4.2避免双向失真的方法 (10)
4.3克服交越失真的方法 (10)
4.4 减弱不对称失真的方法 (11)
5. 设计失真电路并改进、仿真报告 (11)
5.1截止、饱和、双向失真电路及仿真 (11)
5.2交越失真电路及仿真结果 (12)
5.2不对称失真仿真结果 (13)
6调试过程中所遇故障的分析 (14)
6.1电路设计不合理，三极管电流过大，被烧毁 (15)
6.2输入电压没有控制好，检测不到输出结果。

(15)
6.3焊点的虚焊 (15)
7非线性失真实验总结 (16)
8实验体会 (16)
参考文献 (17)
附录 (18)
1．元件清单 (18)
1.实验设计背景
非线性失真亦称波形失真、非线性畸变，表现为音响系统输出信号与输入信号不成线性关系，由电子元器特性：曲线的非线性所引起，使输出信号中产生新的谐波成分，改变了原信号频谱，包括谐波失真、瞬态互调失真、互调失真等，非线性失真不仅会破坏音质，还有可能由于过量的高频谐波和直流分量烧毁音箱高音扬声器和低音扬声器。

非线性失真存在于音响系统的各个环节中，无论采取何种技术措施，想要完全消除它是不可能的。

但是通过对电路的改进我们可以通过负反馈，限幅二极管等常见器件进行电路的改进，从而减弱失真的强度，使输出波形尽可能的接近输入波形，满足实验要求。

本文重点论述针对不同类型的非线性失真的原理进行介绍，并对改进后的电路进行软件仿真验证，以及实物电路的实验结果的解释说明。

2.设计要求及实验目的
2.1实验目的
1）熟悉掌握非线性失真的类型和波形特点；
2）掌握改进电路的方法原理；
3）使用multisum软件进行仿真；
4）实物的焊接练习，实现设计指标并测试。

2.2实验要求
1）设计一个具有截止失真，饱和失真，和双向失真的电路；
2）设计一个交越失真的电路，并提出改进电路方法进行验证；
3）设计一个不对称失真的电路，提出改进电路方法进行验证。

对以上电路进行仿真验证及实物的数据测量。

3.非线性失真原理介绍
失真现象：一个理想的放大器，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，时间上也可能有延迟，但波形应当是相同的．但是，在实际放大器中，由于种种原因，输入信号不可能与输入信号的波形完全相同，这种现象叫做失真．
非线性失真：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，这样产生的失真称为非线性失真。

非线性失真产生的主要原因：（1）晶体管等特性的非线性；（2）静态工作等位置设置的不合适或输入信号过大。

由于放大器件工作在非线性区而产生的非线性失真有5种：饱和失真、截止失真、双向失真、交越失真和不对称失真。

非线性失真的特征是产生新的频率分量，即产生输入信号的单频分量为基波分量的高次谐波分量。

3.1饱和失真与截止失真
当放大器的工作点选的太低,或
太高时,放大器将不能对输入信号实
施正常的放大。

如右图：三极管工作区域划分
如下图：输入、输出波形关系图例
3.1.1截止失真
图3-1-1所示为工作点太低的情况,由图可见,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,因将小于三极管的开启电压,三极管将进入截止区,ib=0,ic=0,输出电压u0=uCE=Vcc将不随输入信号而变化,产生输出波形的失真。

这种失真是因工作点取的太低,输入负半周信号时,三极管进入截止区而产生的失真,所以称为截止失真。

图3-1-2所示为工作点太高的情况,由图可见,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,因太大了,使三极管进入饱和区,ic=βib的关系将不成立,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,产生输出波形的失真。

这种失真是因工作点取的太高,输入正半周信号时,三极管进入饱和区而产生的失真,所以称为饱和失真。

3.2 双向失真
工作点偏高,输出波形易产生饱和失真;工作点偏低,输出波形易产生截止失真。

但当输入信号过大时,管子将工作在非线性区,输出波形会产生双向失真。

此时静态工作点合适，但输入波形的幅
度超过了直流的最大幅度，当输出信号过大
时可能会出现饱和失真与截止失真一块儿
出现的失真现象，称之为双向失真。

即出现
如图3-2所示的波形。

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。

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. 这种失真是由于两只晶体管在
交替工作时“交接”不好而产生的,称为交越
失真.
如图3-3所示，此即为交越失真波形。

3.4 不对称失真
不对称失真也是推挽放大器所特有的失真。

它是由于推挽管特性不对称,而使输入信号的正、负半周不对称。

消除这种失真的办法是选用特性对称的推挽管. 尤其是在O TL 与OCL 电路中,互补管应选用同一种材料的, 就是说都选用锗管,或者都选用硅管,以保证其输入特性的对称。

如图3-4所示为一甲乙类推挽放
大器，当开关K在右边时该放大器的
推挽管推挽特性完全对称，此时输入
与输出无失真。

当开关K在左边时，晶体管T1串联
了一个电阻R0，相当于T1的基射极阻
抗增加了R0，若将T1,R0整体看做一个
晶体管，则此时T1，T2的推挽特性不再
对称，输出图3-4-1正负半周幅度不同的
失真信号，此即为不对称失真的波形。

4.减小非线性失真方法探究
4.1减小截止失真.、饱和失真的方法
电压放大器工作时应防止饱和失真和截止失真的现象,当饱和失真或截止失真出现时,通过改变工作点的设置就可以消除失真。

对于NPN管子组成的共发射极放大器而言，输入的正半周信号与静态工作点电压相加,将使放大器的工作点进入饱和区，产生饱和失真，减小的方法是降低静态工作点的数值，将其选在交流负载线的中点；当输出信号的正半周产生失真时,说明输入信号为负半周时电路产生了失真,输入负半周信号与静态工作点电压相减,将使放大器的工作点进入截止区,产生截止失真,消除的办法是提高电路静态工作点
的数值是指到达交流负载线的中点。

这种判断的方法仅适用于由NPN型三极管组成的放大器,对于由PNP型三极管组成的放大器,结论刚好与NPN型的相反。

4.2避免双向失真的方法
如果所使用的放大器件是PNP 型的，则饱和失真时将出现削顶，而截止失真将出现削底。

若输入信号幅度过大，有可能同时出现饱和失真和截止失真。

改变这种失真的方法就是工作点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。

4.3克服交越失真的方法
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。

甲乙类互补对称法电路原理如下图所
示。

由图可见,T3组成前置放大级,T1和
T2组成互补输出级。

静态时,在D1,D2上
产生的压降为T1,T1提供了一个适当的偏
压,使之处于微导通状态。

由于电路的对
称,有信号时,由于电路工作在甲乙类,即使V I很小,基本上也可以进行线性放大。

4.4 减弱不对称失真的方法
不对称失真一般采用负反馈法改善失真波形。

通过负反馈会形成与新的不对称失真信号，此信号恰好与原输出失真信号正负半周的幅度值相反，进行叠加后能够减弱不对称失真。

负反馈改善失真波形原理
由于放大器对信号正半周放大能力强，负
半周能力弱，这样就会使输出波形上大下
小。

为了补偿这种失真，我们采用闭环
负反馈放大电路，输入波形Vi通过放大器
产生一个上大下小的波形，
这个失真的波形通过负反馈环节反馈到输入环节与输入波形相叠加产生Vi’波形再通过放大环节使得输出信号近似于线性放大，补偿了放大器所造成的失真。

5. 设计失真电路并改进、仿真报告
5.1截止、饱和、双向失真电路及仿真
电路图：
仿真结果：
5.2交越失真电路及仿真结果设计交越失真电路图：
改进后的电路：
改进后电路输出波形：交越失真明显消除
5.2不对称失真仿真结果
原理图：
从图中对比可看出：输入信号正
负半周的幅值一致，而橘色的输
出信号明显正半周信号的幅值
小，负半周信号的幅值大，有明
显的不对称失真现象。

输出放大后图：
改进后：
荧光黄笔标示部分为设计
的负反馈。

输出波形：
可以看出输出结果和输入波
形（幅值不同，为方便观察，
调到波形近似）极为相似。

不
对称失真明显减弱。

6调试过程中所遇故障的分析
故障分析
6.1电路设计不合理，三极管电流过大，被烧毁
实验现象：在进行交越失真电路的实验过程，试用电源时，S8050三极管被烧爆了。

检查故障：经检查发现是通过三级管的电流过大，造成烧毁。

解决办法：在两个三极管的C端（集电极）对称的加上1K的电阻，起到限流的作用。

经检验，能达到实验预期效果。

6.2输入电压没有控制好，检测不到输出结果。

实验现象：将交越失真电路连接到电路中，输入信号为1V ，1KHz 的正弦信号，检验时输出直线，没有交流信号输出。

检查故障：交越失真是小信号失真，所以输入信号过大，不会出现交越失真。

解决方法：将输入信号改为50MV或者100Mv即可。

此时可以看到明显的交越失真的波形。

6.3焊点的虚焊
检测过程往往出现偶尔会看到输出正确的波形，但手一离开板子，波形就变化消失了，此时最应该检验的往往就是是否虚焊。

虚焊最常见又最容易被忽略。

所以大家应该在检验板子之前，先进行电路焊接点的检查工作，将烧坏元器件的概率降到最低。

7非线性失真实验总结
本文主要探讨了非线性失真的类型，现象，产生原因以及解决办法。

众所周知，解决非线性失真不可能彻底，但是我们还是可以通过负反馈等方法将失真降到最低，达到满足需求的设计指标即可。

根据以上对产生失真原因的分析, 可采用以下措施, 以减少失真：合理选择工作点, 使前置级工作于交流负载线的中部, 功放管有足够的起始偏置, 推挽管很好的配对, 从而在大信号时不产生饱和失真和截止失真, 小信号时不产生交越失真, 同时也不产生不对称失真,为防止对瞬时强信号造成的失真, 应使音响设备有一定的功率贮备。

同时通过实验的仿真部分，我们可以发现，借助功能强大的仿真软件能够帮助我们设计修改电路，甚至验证决定最终的实验方案。

仿真最大的优点应该是避免绝大部分器件损坏的最有效方法。

当通过仿真达到预期效果，你的电路基本就没有问题了。

8实验体会
在动手实践之前，还是询问了好几个班级的进度和成果。

网上搜集资料也占据了很大的准备工作。

在实验元器件方面，由于班级统一购买，所以省却了很多心思。

有了电路图以后，我没有急于焊板子测试。

经过仿真，过程中发现也解决了很多问题。

同时通过和同学的交流探讨，了解了电路图设计的基本思路和技巧，在这个前提下焊板子，感觉心里有底。

焊接前，发现还是集体的智慧很大，电阻可以查阅色环标示，更简单的是直接用万用表测量。

准备工作还包括将滑动变阻器、双向开关等器件的管脚研究清楚，再动起手来，就得心应手了。

焊接的后期我的电路板开始密集了，因为我发现器件挨得近了，可以省却很多接导线的麻烦（同时我不太确定会不会造成器件之间的干扰）。

准备工作和焊接工作后，就是检查电路了。

双向，饱和截止和不对称失真一次通过了检验，但是交越失真板子并没有一次通过检验，这一项反复弄了三次，最终成功了，心里各位的激动，小小的成功还是很容易令我满足的！
最后阶段是写现在这个论文，想想从查资料，排版，我弄了将近十几个小时吧，看着眼前二十来页的成果，我还是很欣慰的。

每一次写报告都觉得收获很大，因为前期试验可能对于试验本身能了解一半，但通过实验各种论文的查阅，解决了很多练习过程忽略的问题。

收获应该是大于付出的！
参考文献
[1] 路勇.模拟集成电路(第三版)[M].中国铁道出版社.2010
[2] 贺有金.放大器的线性失真与非线性失真[J].曲阜师范大学学报，2002-10（4）
[3] 王林川，潘月明，李庆心，等.基于负反馈原理的功放电路交越失真解决研究[J].2008-6（2）
附录
1．元件清单。