国家电工电子实验教学中心模拟电子技术实验报告.doc

优质文本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：电信学院专 业：通信工程学生姓名：马福文学 号：15211172任课教师：任希指导教师： 2017 年 5 月 16 日优质文本目 录1 实验题目及要求11.1 根底局部11.2 发挥局部22 实验目的与知识背景32.1 实验目的32.2 知识点32.3 实验方案42.3.1 查找资料42.3.2 电路仿真42.3.3 理论计算72.3.4 根本原理82.3.5 解决方法113 实验过程123.1 制作过程 123.2 实验电路123.2.1 电路图123.2.2 电路说明153.3 输入输出波形153.4 遇到的问题与解决方法173.5 对电路的改造与创新183.6 失真研究思考题184 总结与体会194.1 本人所作工作及组员之间合作情况194.2 收获与体会194.3 对本课程的意见与建议205 参考文献20优质文本1 实验题目及要求1.1 根底局部ui1 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。0.5mst25mVuo 0.5Vt0.5ms50mVtui0.5ms放大电路tuo0.5ms（2） 下列图放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真。1.2 发挥局部设计电路并改良。讨论产生失真的机理，阐述解决问题的方法。50mVtui0.5ms放大电路tuo0.5ms3 下列图放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真。设计电路并改良。讨论产生失真的机理，阐述解决问题的方法。50mVtui0.5ms放大电路tuo0.5ms4 下列图放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真。设计电路并改良。讨论产生失真的机理，阐述解决问题的方法。2.5Vtui0.5ms放大电路tuo5下列图放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真。设计电路并改良。讨论产生失真的机理，阐述解决问题的方法。1.2 发挥局部1下列图放大电路输入是标准正弦波，其输出波形失真。放大电路uiu设计电路并改良。讨论产生失真的机理，阐述解决问题的方法。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针对工程问题，收集信息、查阅文献、分析现有技术的特点与局限性。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依据解决方案，实现系统或模块，在设计实现环节上表达创造性。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对设计系统进行功能和性能测试，进行必要的方案改良，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方法。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应电路的特点及其可能产生的失真。2.3 实验方案2.3.1 查找资料三极管的特性曲线失真现象的原理2.3.2 电路仿真饱和失真截止失真双向失真交越失真不对称失真2.3.3 理论计算1.截止失真的计算方法当输入信号 时，如果没有附加电源，发射节是截止的，三极管不能进行放大作用，如果要是三极管导通，就要增加基极电位，使输入的信号同时增加某相同的电位，使要放大的输入信号都能满足大于 ，为此，如下列图所示，在基极增加一个静态电源，使 + >，保证三极管导通。2.饱和失真的计算方法方法一：增加 VCC 由于三极管饱和的根本原因是集电结收集电子的能力缺乏，所以增加 VCC能够增强集电极收集电子的能力，但必须保证 VCC在三极管的能承受范围内，在 和管子不变的情况下，能够消除饱和失真，的大小应该满足如下条件： >即： 方法二：增加基极电阻以减小基极电流，从而集电极电流= ，在集电极电阻 和集电极电源 不变的情况下，由=-得集电极电压变大，从而使集电极收集电子能力增强，消除饱和失真，应满足的条件如下:由得方法三：减小集电极电阻，在电路中其他参数不变的情况下，减小集电极电阻 就减小在 上的压降。由=- 知加在集电结的电压增大，也增强了集电极收集电子的能力，从而消除饱和失真，同理由公式得2.3.4 根本原理 失真现象：一个理想的放大器，其输出信号应当如实反映输入信号，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，输出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在保持线性关系，这样产生的失真成为非线性失真。 非线性失真产生的原因主要来源于两方面：一是晶体管等特性的非线性，二是静态工作等位置设置的不适宜或输入信号过大。由于放大器件工作在非线性区而产生的非线性失真有五种：饱和失真，截止失真，双向失真，交越失真和不对称失真。对应波形分别为： 饱和失真 截止失真 双向失真 交越失真不对称失真产生原因分别为：1.饱和失真和截止失真由于静态工作点的设置不当，导致信号会产生顶部失真与底部失真的情况。如下列图，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,因输入信号太大,使三极管进入饱和区,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,产生输出波形的饱和失真；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,产生输出波形的截止失真。2.双向失真双向失真是指即在三极管输出特性曲线的饱和区失真又在截止区失真，三极管有饱和状态又有截止状态，向上到达饱和状态，向下到达截止状态，出现这种非线性失真不是由于电路中某个电路元件选择的不适宜，而是由于信号源输入的信号过大导致三极管在放大时出现了双向失真。3.交越失真交越失真是由于晶体管的门坎电压即死区电压而产生，减小或克服交越失真是人们一直关注的课题之一。当三极管工作在纯乙类状态时，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，由于输入回路没有加基极偏流，而管子的必须在大于一定数值(即门坎电压，硅管约为07 V)后才有显著地增加。所以在输入信号电压很低的时候，晶体管的集电极电流根本上为零，那么负载所得到的电压或电流将出现一段“死区， 使得输出信号波形在两管交替导通处出现失真。这种现象称为交越失真。4.不对称失真不对称失真是非线性失真的一种。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。消除这种失真的方法是选用特性对称的推挽管. 尤其是在OTL 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。负反应可改善放大器的非线性失真，引入反应后，假设反应网络为纯阻无源网络，它不再引入失真，反应信号也应是正半周小负半周大的波形。输入信号减去反应信号后，净输入信号产生“预失真，从而接近正常的正弦波，减小不对称失真。2.3.5 解决方法1.截止失真解决截止失真的方法是抬高工作点，具体的方法有二：一、调整偏置电阻。二、调整直流电压。显然，在这里通过调整电阻的方法更好实现。将Rb1调小，于是基极电压升高，Ib、Ic随之增大，工作点脱离截止区，进入线性区，实现信号的线性放大，或者增大Rb2，在保证Rb1/Rb2<<1+Re的前提下，同样可以实现截止失真的消除。2.饱和失真解决饱和失真的方法同样有两个：一、调整偏置电阻阻值。二、调整电源电压Vc。在实际操作中，通常通过改变电阻。具体方法是增大Rb，较小Rb2，使静态工作点升高。3.双向失真为了解决双向失真，我们应该将输入信号调小，使其峰峰值能够处于线性放大区之内。另一种不太实用的方法是增大直流电源，改变曲线的两轴截距。总而言之，对于NPN单管共射放大电路，饱和失真就是输入信号的正半波超过了三极管的放大能力，造成失真，对应的输出波形就是输出波形底部失真，即输出时三极管进入饱和区，Q设置过高。因为饱和失真是输出端失真所以解决饱和失真的方法就是调低静态工作电流Ib增大Rb，减小Rc，减小。减小VBB，增大VCC也可以做到，但这两种方法并不常用。通过减小Rb，我们降低静态工作点，使其处于线性放大区。4交越失真克服交越失真的措施是避开电压死区，使每一晶体管处于微导通状态，一旦参加输入信号，使其马上进入线性工作区。提供应晶体管静态偏置使其微导通有两种方法：利用二极管的压降产生偏置电压；利用电阻上的压降产生偏置电压。通过改变电路结构，方法如常见的方法有：甲乙类双电源互补对称电路法和甲乙类单电源互补对称电路。甲乙类互补对称法电路原理如下列图所示。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,硅管为0.7V 使之处于微导通状态。由于电路的对称, 静态时=,=0,=0。有信号时, 由于电路工作在甲乙类, 即使很小, 根本上也可以进行线性放大。但是左图的缺点就是其偏置电压不易调整, 改良电路如右图所示, 在右图中流人T4的基极电流远小于流过R1、r2的电流, 那么由图可以求出=(R1+R2)/R2, 因此, 利用T4管的be根本为一固定值, 只要调整R1、R2的比值, 就可以改变T1、T2的偏压值, 此法在集成电路中经常应用。5不对称失真负反应可改善放大器的非线性失真，引入反应后，假设反应网络为纯阻无源网络，它不再引入失真，反应信号也应是正半周小负半周大的波形。输入信号减去反应信号后，净输入信号产生“预失真，从而接近正常的正弦波，减小不对称失真。3 实验过程3.1 制作过程 首先，针对所提出的问题进行了分析讨论，再进一步复习以及深入学习了相关知识之后，设计出了所用的三个电路。之后，根据所设计的电路在Mulisim软件上进行仿真，并改正仿真过程中所出现的错误，并对参数进行调整，保证实验效果尽可能明显。然后，再根据仿真电路进行焊接，在电路板上实现电路的功能。最后，在仪器之上进行调试，得出正确的波形。3.2 实验电路3.2.1 电路图饱和失真截止失真双向失真交越失真不对称失真3.2.2 电路说明1. 饱和失真，截止失真：运用电位器，调整静态工作点的上下。使三极管进入饱和区，能够对输入信号进行正常的放大。2. 双向失真：通过减小输入信号，使三极管保持在饱和区，以消除双向失真。3. 交越失真：在电路中参加二极管，增加压降，是三极管始终不工作在截至区。4. 不对称失真：通过差放电路，输入双端共模信号。运用差放电路对共模电路的抑制能力，减小电路的增益，使输出信号更加稳定。3.3 输入输出波形饱和失真截止失真双向失真交越失真不对称失真3.4 遇到的问题与解决方法在第一次焊接的过程中，未考虑到直流分量对输出波形的影响，导致输出的波形不稳定，而且波峰波谷数值不符合对称特性。之后，在输出之前增加了隔直电容，消除了直流分量的影响，是效果更加明显。3.5 对电路的改造与创新在研究交越失真，我们在和两端分别加一个10K的电阻，此时可以减小电路的电流，起到稳定电路的作用，也使得电阻的调节对于电路的影响减小，使得交越失真更加容易出现。3.6 失真研究思考题1.造成单级放大电路失真的器件有哪些？Re的作用是什么？答：主要引起电路失真的器件有电阻Rb1、Rb2和Rc ;Re的主要作用是起到一个反应的作用，稳定电路，对于非线性失真具有一定的抑制作用。2.由单电源供电的运算放大器电路会出现哪种失真？答：主要是非线性失真。3.负反应可解决波形失真，解决的是哪类失真？答：主要是可以解决非线性失真。4.消除交越失真为什么要用二极管？答：二极管具有单向导通性，同时三级管导通的偏置电压Ube应为0.7V硅管，二极管的硅管的导通压降恰好也为0.7V。5.放大电路参加负载后会出现失真吗？为什么？答：参加一个容性负载后，会出现相位失真。6.如何测量放大电路的输入电阻、输出电阻和通频带。答：输入电阻可以通过测量输入端的电压和电流，比值即为输入电阻；将输入信号关闭，在输出端接以输入，测量此时的电压和电流的比值，那么为输出电阻；通过改变输入的频带，当下降3dB时，记录此时的频率，下限频率与上线频率之间即为通频带。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？答：因为静态工作点的变化，同样产生失真。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？答：不会。场效应管只有一种载流子，因此不会出现类似的问题。9.归纳失真现象，并阐述解决失真的技术。削波失真：因工作点设置不当或信号幅度超限致使晶体管截止或饱和，正弦电压波头被削平，称为削波失真随着信号幅度增大，工作点设置不当时正弦电压只有正波头或负波头被削平，发生单向削波失真；工作点设置合理时，那么正、负波头都被削平，发生双向削波失真削波失真属于硬伤削波失真一旦发生就难以弥补设置合理的工作点是防止削波失真的唯一措施。非线性失真：对线性电阻，输入是正弦波电压，那么输出电流亦是正弦波电阻阻值变化时，输入是正弦波，那么输出就会偏离正弦波将放大器中输入正弦电压(电流)时输出电流(电压)偏离正弦波的现象叫做非线性失真BJT放大器中的非线性失真电压(电流)波形的根本特征是一个波头矮胖，另一个瘦长非线性失真属于柔性失真非线性失真可以用假设干方法来抑制或补偿。4 总结与体会4.1 本人所作工作及组员之间合作情况在这次模电实验过程中，我主要电路仿真以及焊接电路的工作。和本组成员之间共同进行了几种失真的原理分析，以及电路的设计。最终在本组成员的共同努力之下，顺利完成了本次模电实验。4.2 收获与体会这次模电实验是将理论和实践相结合的最后的时机。通过电路设计的过程，不仅温习了在模电课上所学习的相关知识，还给我们提供了一个将所学习知识得以运用到实际之中的时机。在知识点方面，我对模拟集成电路根底理论课上所讲述的几种失真有了更加深刻的理解怎样产生、怎样消除、怎样根据电路目的来设计元件参数等等一些问题，而这些知识仅靠理论课的讲解是难以理解透彻的。在设计电路时，由于只有理论知识，只能通过一遍一遍的换电阻倍数来出现想要的波形。在焊接的时候，可能仿真成功的电路由于外界的因素以及焊接中存在的问题，没有出现预期的效果。而通过一次次的深入研究以及不断优化过程，有对这些知识有了更加深入的理解。通过这次模电实验我也发现了自身存在的缺乏之处。目前自己对于理论知识的理解只是停留在外表，每当进行深入探究就会发现力不从心，无法在其中进行进一步的开展。这对于我在接下来的学习具有指导性的意义。最后一点，在这次模电实验中，再次提升了自己的动手能力，将各种仪器的使用更加熟练，对于电路板的焊接技术也有了一定提升，可以进行焊接一些更加密集的原件，并且能够较好的进行电路的拆焊以及对焊好电路进行更改。相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。也大大提高了我的分析问题的能力。 4.3 对本课程的意见与建议 建议增加课时。在课下进行研究的过程中，遇到问题很难及时得到解决。而且在与同学讨论的过程中，会遇到一些普遍的问题或是普遍存在的疑惑，即使继续讨论也很难有所突破。如果增加了一些课上的操作，在遇到问题时可以向老师进行请教。老师也可以通过自己的丰富经验为我们提供指导，并且传授一些与电路设计、电路焊接相关的知识，这些知识将会真正有利于我们的通信生涯。5 参考文献1 路勇，刘颖，侯建军.模拟集成电路根底M. 北京：北京交通大学出版社，20162 刘颖.模拟电子技术M. 北京：北京交通大学出版社2016