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

 

                     年       月         日

目      录

一、实验题目及要求 ------------------------------------------------- 1

二、实验目的与知识背景

  2.1 实验目的 ---------------------------------------------------- 1

  2.2 知识点

  （1）饱和失真截止失真及双向失真 --------------------------------- 1

  （2）交越失真 --------------------------------------------------- 2

  （3）非对称失真 ------------------------------------------------- 3

  （4）测出LM324运算放大器的增益带宽积f_T ------------------------- 3

  （5）在运算放大器电路中接上容性负载观察其失真 ------------------- 4

  （6）语音放大器的设计方案 --------------------------------------- 4

三、实验过程

  3.1 选取的实验电路及输入输出波形

  （1）输出正常波形、饱和失真、截止失真以及双向失真 --------------- 6

  （2）交越失真及其改善 ------------------------------------------- 8

  （3）非对称失真及其改善 ----------------------------------------- 8

  （4）在运算放大器电路中接上容性负载观察其失真 ------------------- 8

  3.2 每个电路的讨论和方案比较 ------------------------------------ 9

  3.3 失真研究 --------------------------------------------------- 11

四、总结与体会 --------------------------------------------------- 12

五、参考文献 ----------------------------------------------------- 12

一、实验题目及要求

（1）、输出正常波形、饱和失真、截止失真以及双向失真；

（2）、交越失真及其改善；

（3）、非对称失真及其改善；

（4）、测出LM324运算放大器的增益带宽积f_T；

（5）、在运算放大器电路中接上容性负载观察其失真；

（6）、设计频率范围在20Hz～20kHz语音放大器。

二、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）、饱和失真截止失真及双向失真：

如下图，在作三极管静态分析时，我们有

I_BQ×R₁+I_BQ×（1+β）×R₄+U_BEQ=U_CC

I_CQ×R₂+I_BQ×（1+β）×R₄+U_CEQ=U_CC

可以求出静态工作点I_BQ、U_CEQ、I_CQ，

画出交直流U-I图如下：

如图所示，当R₁很大时，静态工作点I_BQ很低，导致我们输入的正弦波有一部分进入了截止区，从而导致了截止失真（即顶部失真）；而当R₁很小时，静态工作点I_BQ很高，导致我们输入的正弦波有一部分进入了饱和区，从而导致了饱和失真（即底部失真）；而当R₁很小，且R₂ 和R₄很大时，导致I_BQ很高，而U_CE的范围比较小，或者输入的正弦波形幅值较高时，顶部和底部分别进入了截止区和饱和区，从而导致了双向失真。

（2）、交越失真原理；

如下图，在乙类推挽功率放大器中

三极管T1和T2的偏压分别由输入的正弦信号U_i提供，所以，当U_i<U_BEO（U_BEO为三极管阈值电压）时，输出电压接近于零，所以产生了交越失真。

（3）、非对称失真原理：

在差分放大电路中，由于左右两边电路并非完全对称，从而导致了静态工作点的偏移，从而导致了非对称失真；而在推挽功率放大器中，由于上下两个npn三极管和pnp三极管的参数不完全一致，从而导致了各半个周期内对输入型号的放大不一致，也导致了非对称失真。

电路原理图如下：

（4）、测出LM324运算放大器的增益带宽积f_T：

    电路如下：

首先观察输出波形，测出中频增益，当输出信号的波形幅值下降到原来的0.707倍的时候的频率为f（T），并用f（T）乘以中频增益即可得到增益带宽积。

（5）、在运算放大器电路中接上容性负载观察其失真：

相位失真：在负反馈放大电路中，增益是频率的函数，随着工作频率的变化，不仅增益的绝对值下降，而且也会出现相位的附加相移，由于这种附加相移的存在，将有可能在高频区的某个频率上，反馈信号与输入信号同相位，使负反馈变为正反馈，当正反馈信号幅值达到一定值时，放大电路输入端不加信号，输出端也会产生输出信号，这种现象便称为自激振荡，相位失真便运用了这个原理。

当把阻值为2K的电阻改为22uF的大电容作为大容性负载时，电容在高频电路中产生了震荡，于是形成了相位失真。

其电路原理图如下：

（6）、语音放大器的设计方案：

    语音放大器包括三级：第一级为对信号的放大，采用同向比例放大器的接法，采用两级放大，如下图：

    第二级为对噪声等进行滤波，滤除20Hz～20kHz以外的噪声信号，采用LM324实现带通滤波器，如下图：

    第三级为功率放大器，这时我们可以采用前面的乙类功率推挽功率放大器，从而放大电流，驱动负载（喇叭）发出声音，电路如下图：

这样，再在输入端接上麦克风，把三级连接起来，就形成了简易的语音放大器。

三、实验过程

3.1 选取的实验电路及输入输出波形

（1）、输出正常波形、饱和失真、截止失真以及双向失真的实验结果如下：

截止失真：

饱和失真：

双向失真：

正常波形：

（2）、交越失真实验结果如下：

（3）、非对称失真实验结果如下：

（4）、在运算放大器电路中接上容性负载观察其失真的实验结果如下：

3.2  每个电路的讨论和方案比较

（1）、解决饱和失真、截止失真以及双向失真的办法：

根据三极管静态工作点的计算式子

I_BQ×R₁+I_BQ×（1+β）×R₄+U_BEQ=U_CC

I_CQ×R₂+I_BQ×（1+β）×R₄+U_CEQ=U_CC

使R₁很稍大，且让R₂和R₄稍小时，U_CE的范围比较大，且让I_BQ处于一个中间水平，而且输入的正弦波形幅值不能过大，这时便能够从根本上解决饱和截止双向失真。

（2）、解决交越失真的办法：

根据的失真原理：三极管T₁和T₂的偏压分别由输入的正弦信号U_i提供，所以，当U_i<U_BEO（U_BEO为三极管阈值电压）时，输出电压接近于零，所以产生了交越失真。

若要解决交越失真，则要在三极管的两端加上一个0.7V的“开启电压”，我们可以用二极管、电阻、三极管集电极与基极短接形成的二极管来为两个三极管提供0.7 V的电压，这时便解决了交越失真。

如图所示：

（3）、解决非对称失真的办法：

在差分放大电路和推挽功率放大器中，由于左右两边电路并非完全对称，从而导致了静态工作点的偏移，从而导致了非对称失真； 若在电路中加一个电压并联负反馈便能解决在差分放大电路和推挽功率放大器中的非对称失真，以达到预期的放大效果。

如图所示：

（4）、解决运算放大器带电容负载的相位失真的办法：

运算放大器的相位失真是由于在负反馈放大电路中，输入信号频率的增加，会出现相位的附加相移，由于这种附加相移的存在，将有可能在高频区的某个频率上，反馈信号与输入信号同相位，使负反馈变为正反馈，当正反馈信号幅值达到一定值时，放大电路输入端不加信号，输出端也会产生输出信号，这种现象便称为自激振荡，相位失真便运用了这个原理。

运用同样的方法，我们可以再输出端加一个电压并联负反馈便可以消除失真。

如图所示：

3.3  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？

由单电源供电的运算放大器电路可能会出现顶部、底部失真，若输入信号的幅值相对较大时也会出现双向失真。

（2）、负反馈可解决波形失真，解决的是哪类失真？

    负反馈解决的是反馈环路内的非线性失真，并不能解决反馈环路外的一系列失真。

（3）、测量增益带宽积f_T有哪些方法？

    测出中频增益，再测出衰减3db的截频，用中频增益乘以截频即为增益带宽积；或者绘制出波特图，根据波特图读出上限截频，乘以中频增益即为增益带宽积。

（4）、提高频率后若失真，属于哪类失真？

提高频率后产生的为相位失真，有可能产生震荡自激。

（5）、电阻负载改成大容性负载会出现什么失真？

提高频率后产生的也为相位失真。

（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？

   电压负反馈可以克服电阻负载改成大容性负载出现的失真

（7）、归纳失真现象，并阐述解决失真的技术。

对于电路内部造成的失真，我们通常采用负反馈或者增加补偿电路的方法来改善失真，而对于电路外部的一系列失真，如果采用负反馈或者补偿电路往往解决不了失真问题，可以采用外部滤波等处理来达到我们预期的效果。

四、总结与体会

在第一天上模电实验课看到所要求完成的题目时，我就觉得实验虽然看似简单，但所需要的是我们扎实的模拟电路知识基础。在接下来的几周里，我开始查阅资料，仔细研究模电课本上的相关知识，着手电路图的设计。

一个像书本后面的习题那样简简单单的电路，如果是给出了条件，让我来计算相关数据，按照基础理论就可以完成。而当像模电实验这样的一个真正的工程问题摆在我们的面前时，有一堆要求需要达成，而器件参数则是不固定的，这时我们便需要一个逆推的过程。在逆推的过程中，当需要考虑的参数超过5个或者5个以上时，各个参数之间的联系及其折中问题则是相当复杂的。在设计电路的时候，我还学习并使用了仿真软件Multisim 13.0，通过电脑仿真得到最终实际中要使用的参数。

在电路设计完后，我们将进行的便是电路的焊接。我曾经天真地以为电路的设计就是模电实验的重心，但是事实上，元件的购买、电路的布局、电路的焊接……这一系列问题都需要花费大量的时间和精力。不过当焊好每个模块后，都能在示波器上调出理想中波形的时候，都能感到由衷的喜悦，觉得花费了的时间确实是值得的。

通过此次实验，我对模电中关于放大电路这一块相关的理论知识有了进一步的认识，尤其是更加深刻地理解了失真问题及其解决的方式，对以后的实际工程问题中可能出现的一些现象有了本质上的理解。相信这次模电实验会让我在以后的模电学习中更加顺利。

五、参考文献

[1] 路勇. 模拟集成电路基础[M]. 中国铁道出版社, 2010.

[2] 童诗白, 华成英. 模拟电子技术基础[M]. 第四版. 高等教育出版社, 2006

[3] 陈大钦.电子技术基础实验.高等教育出版社，2000

[4] 何乐年，王忆.模拟集成电路设计与仿真，2008

[5] 牧仁. PNP与NPN管放大电路输出波形失真情况仿真比较[J]. 现代电子技术, 2010, 33(2).

[6] 周萍. 图解法分析放大电路三种基本组态的最大输出幅值及失真[J]. 邯郸学院学报, 2005, 15(3).

[7]（Gray，P.R.）. 模拟集成电路的分析与设计，2005