模电实验报告.docx
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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:
放大电路的失真研究
学院:
电子信息工程
专业:
轨道交通信号与控制
学生姓名:
韩佳伟
合作者:
蒋明宇李祥
学号:
13212065
任课教师:
白双
2015年6月16日
目录
实验报告1
实验题目:
放大电路的失真研究1
1实验题目及要求2
2实验目的与知识背景3
2.1实验目的3
2.2知识点3
2.3非线性失真原理介绍3
3实验过程4
3.1选取的实验电路及输入输出波形4
1截止失真、饱和失真、双向失真4
2交越失真6
3非对称失真8
4增益带宽积9
5语音放大电路9
6容性负载10
3.2每个电路的讨论和方案比较11
3.3分析研究12
4总结与体会18
4.1通过本次实验哪些能力得到提高,哪些解决的问题印象深刻,有哪些创新点?
18
4.2对本课程的意见与建议19
5参考文献19
1实验题目及要求
题目:
失真放大电路的研究
要求:
(1)输入一标准正弦波,如图1(a),频率2KHz,幅度50mV,输出正弦波频率2KHz,幅度1V。
(2)图1(b)是电路输出波形,若达到要求,如何设计电路,并修改。
(3)图1(c)是电路输出波形,若达到要求,如何设计电路,并修改。
(4)图1(d)是电路输出波形,若达到要求,如何设计电路,并修改。
(5)输入一标准正弦波,频率2KHz,幅度5V,设计电路使之输出图1(e)输出波形,并改进。
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).截止失真、饱和失真、双向失真、交越失真等。
(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。
2.3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实验过程
3.1选取的实验电路及输入输出波形
1截止失真、饱和失真、双向失真
分析知道,满足要求的电路很多,我们可以采用射级偏置电路。
原理图
饱和失真截止失真
双向失真
实验效果图:
2交越失真
采用乙类功率放大器,改进时使用甲乙类功率放大器。
原理图:
3非对称失真
4增益带宽积
增益带宽积表示增益和带宽的乘积,因此,我们测量增益带宽积fT时,可以根据定义来测量,即先测量中频增益,然后测量带宽。
5语音放大电路
6容性负载
输出图像:
改善后图像:
3.2每个电路的讨论和方案比较
1.饱和截止双向失真
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。
即减小R4。
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。
即增大R4。
双向失真:
减小输入信号的幅度。
2.交越失真
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.
3.不对称失真
采用负反馈,减小环内的非线性失真。
我们采用电压并联负反馈。
4.增益带宽积
增益带宽积的含义是,该芯片的最大能力。
极致情况下,带宽和增益最大的折中。
放大倍数通过调整反馈回路实现,无失真放大带宽则被相应改变。
3.3分析研究
(1)双向饱和截止失真的原理分析
a、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0.7;锗管为0.3)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,根据PN结的特性,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。
图三极管的输出特性曲线
b、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。
c.双向失真原理分析
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。
图3-1射级偏置电路
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。
(2)通过图1(e)的失真设计,讨论产生失真的机理,阐述解决问题的办法。
e.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时,三极管也工作在线性区域。
既是甲乙类功率放大器。
(3)通过图1(f)的失真设计,讨论产生失真的机理,阐述解决问题的办法。
f.不对称失真
失真的机理:
不对称失真是差分输入电路和乙类互补推挽功率放大电路所特有的失真。
在差分电路中,由于电路结构的不对称,使两个三极管对信号的放大倍数不相同而引起的。
在乙类互补推挽功率放大电路,它是由于推挽管(NPN管和PNP管)特性不对称,而使输入信号的正、负半周不对称造成的。
解决方法:
采用负反馈,减小环内的非线性失真。
(4)讨论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。
NPN型管,截止失真是顶部削平,饱和失真是底部削平,PNP型管,截止是底部削平,饱和顶部削平。
(5)讨论共基放大电路、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。
电路形式
共射极放大电路
共集电极放大电路
共基极放大电路
电路放大系数
较大,例如200
较大,例如200
=<1
电压放大系数
较大,例如200
=<1
较大,例如100
功率放大倍数
很大,例如20000
较大,例如300
较大,例如200
输入电阻
中等,例如5K
较大例如50K
较小,例如50
输出电阻
较大,例如10K
较小,例如100
较大,例如5K
输出与输入
电压相位
相反
相同
相同
特点
一般用作放大电路的中间级;
共射极放大器的集电极跟零电位点之间是输出端,接负载电阻
当前极提供给放大电路同样大小的信号电压时,所需提供的电流减小,从而减轻了信号源的负载。
高频特性较好;
多用于高频和宽频带电路或恒流源电路中
(6)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。
(7)双电源供电的功率放大器改成单电源供电会出现哪种失真?
如何使单电源供电的功率放大器不失真?
双电源供电的功率放大器改成单电源供电会出现一部分没有波形,线性失真。
(8)由单电源供电的运算放大器组成电路会出现哪种失真?
为了消除失真,可以采用电源的中点电压供电。
因为采用电源的中点电压的话,负半周的交流信号可以几乎没有损耗的被放大。
这也就是大家常说的太高交流信号的直流电平。
(9)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。
(10)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。
(11)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。
(12)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?
负反馈。
(13)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
我们知道,所有电路相当于一个特定的数学运算,放大电路实现一种幅度变化运算。
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的波形完全相同,产生了失真.
非线性失真是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而产生的失真.常见非线性失真有五种:
饱和失真、截止失真、双向失真、交越失真和不对称失真。
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。
饱和失真、截止失真是由于静态工作点选择不合适造成的,而双向失真是由于输入信号太大造成的。
它的改进方法:
饱和失真:
使静态工作点下移。
对于射极偏置电路,方法是增加基极的电压。
截止失真:
使静态工作点上移。
对于射极偏置电路,方法是减小基极的电压。
双向失真:
减小输入信号或者换晶体管。
交越失真是在乙类功率放大器中,当输入信号变化时,不足以克服三极管的死区电压,三极管不导通电。
在正、负半周交替过零处会出现一些失真。
它的改进方法:
去除失真的原理:
我们可以改变静态工作点,加大电阻阻值或者加两个二极管,产生0.7V压降的静态工作点电压,使没有输入信号,三极管也工作在线性区域。
既是甲乙类功率放大器。
不对称失真,就是由于工艺等因素,导致电路不对称使输出信号的正负半周信号幅度、波形,与输入信号不一致。
它的改进方法:
我们可以采用负反馈,减小反馈环内产生的非线性失真。
线性失真是放大器的频率特性不好,对输入信号中不同频率成分的增益不同或延时不同而产生的失真.线性失真是由于放大电路中有隔直流电容、射极旁路电容、结电容和各种寄生电容,使得它对不同频率的输入信号所产生的增益及相移是不同的.常见的线性失真是相位失真。
4总结与体会
4.1通过本次实验哪些能力得到提高,哪些解决的问题印象深刻,有哪些创新点?
本次实验使我的电工技术有了一定的提高和巩固,操作更加熟练,同时对电路的分析和软件模拟使得我对这门课程有了更深入的了解,以前理论上不太清晰的知识点经过实验的磨合越发清楚,理解也更透彻了。
在动手实践之前,我在网上搜集资料也占据了很大的准备工作。
有了电路图以后,我没有急于焊板子测试。
首先进行仿真,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,感觉心里有了一些底子。
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。
但焊接的过程也不是一帆风顺,我们小组因为对元件的排版不太密集,导致接下去的实验无法继续了只能拆掉重新焊接。
后来终于使电路板开始密集了,而器件挨得近了,可以省却很多接导线的麻烦。
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!
于此同时,实验暴露出了许多问题,比如对电路的分析能力还是不够,对一些仪器的操作很生疏,尤其是示波器的使用,很成问题,需要多加练习和体会。
4.2对本课程的意见与建议
每天焊接的时段只有两个小时两个小时的,有时候焊接到关键的地方却断电了,或者测试到一半要关门了,这样实验的连续性毕竟不好,希望实验时段可以再延长一些。
5参考文献
[1]路勇.模拟集成电路基础[M].北京:
中国铁道出版社,2012.
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