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3.1.1.基本要求2
3.1.2.发挥部分8
3.2每个电路的讨论和方案比较16
3.3分析研究实验数据17
4总结与体会17
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。
17
4.2对本课程的意见与建议18
5、参考文献18
1.实验题目及要求
1.1.基本要求
(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。
1.2.发挥部分
(1)图1(f)是电路输出失真波形,设计电路并改进。
(2)任意选择一运算放大器,测出增益带宽积fT。
并重新完成前面基本要求和发挥部分的工作。
(3)将运算放大器连接成任意负反馈放大器,要求负载2kΩ,放大器的放大倍数为100,将振荡器频率提高至fT/100的95%,观察输出波形是否失真,若将振荡器频率提高至fT/100的110%,观察输出波形是否失真。
(4)放大器的放大倍数保持100,将振荡器频率提高至fT/100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20F,观察失真的输出波形。
(5)改善发挥部分(4)的输出波形不失真,设计并完成电路。
1.3.附加部分
(1)设计一频率范围在20Hz~20kHz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。
1.4失真研究
(1)通过图1(b)、(c)和(d)的失真设计,讨论产生失真的机理,阐述解决问题的办法。
(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。
(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。
(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。
(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。
(6)负反馈可解决波形失真,解决的是哪类失真?
(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?
(8)由单电源供电的运算放大器组成电路会出现哪种失真?
(9)测量增益带宽积fT有哪些方法?
(10)提高频率后若失真,属于哪类失真?
(11)电阻负载改成大容性负载会出现什么失真?
(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?
(13)归纳失真现象,并阐述解决失真的技术。
(14)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?
(15)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?
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.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。
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。
3.实验过程
3.1选取的实验电路及输入输出波形
3.1.1.基本要求
(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。
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:
图1-1射级偏置电路
分析知道,其增益为:
图1-2
(2)设计电路使电路输出波形为图1(b),(c),(d),并改进。
对于射级偏置电路,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;
当输入信号太大时,可能使被放大的信号同时在饱和区与截止区,这就产生了双向失真。
通过调节滑动变阻器改变三极管的工作点,从而产生不同的失真。
正常波形
双向失真
顶部失真
底部失真
图1-3饱和截止双向失真
(3)设计电路使电路输出波形为图1(e),并改进。
分析知道,此输出波形为交越失真。
我们可以采用乙类功率放大器,改进时使用甲乙类功率放大器。
交越失真电路图
交越失真
改进后波形
(4)设计电路使电路输出波形为图1(f),并改进。
图1(f)是电路输出失真波形,设计电路并改进。
不对称失真是由电路不对称,而使输入信号的正、负半周不对称,这种失真称为不对称失真.
不对称失真
不对称失真改进波形
3.1.2.发挥部分
(1)选择一运算放大器,测出增益带宽积fT。
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。
先测中频增益,得到A=500;
信号源的幅度不变,增大输入信号的频率,当输出信号的幅度下降到中频增益的0.707倍即3dB时,此时对应的频率即为上限频率。
(4.94x0.707=3.49)
所以测得增益带宽积为33x500=16500
(2)用运放设计电路实现饱和,截止,双向失真。
顶部底部双向失真电路
运算放大器失真电路图
底部失真顶部失真
双向失真
负载电容、电阻电路图
(4)将运算放大器连接成任意负反馈放大器,要求负载2kΩ,放大器的放大倍数为100,将振荡器频率提高至fT/100的95%,观察输出波形是否失真,若将振荡器频率提高至fT/100的110%,观察输出波形是否失真。
通过示波器测量
当振荡器频率提高至fT/100的95%,观察输出波形没有失真;
当fT/100为110%时,出现相位失真。
fT/100为110%时负载为2kΩ时输出波形加入负反馈后波形
负载为22uF时输出波形容性负载失真改善波
3、附加部分
语音放大器输出电路
LM386是一种音频集成功放,具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围0.5W。
失真研究:
a、截止失真原理分析
晶体管是非线性元件,在它们的输出曲线上只有一段区域是线性的。
我们通过设置静态工作点,使晶体管,效应管工作在线性区域。
但是,有可能静态工作点太高,太低,输入信号太大,或者增益太大使输出信号发生失真;
当静态工作点太低时,导致输出波形顶部被截去,则为截止失真;
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。
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。
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。
采用负反馈,减小环内的非线性失真。
由以上分析可得,放大电路的静态工作点Q选得过低,将导致产生截止失真;
Q点选得过高,将导致饱和失真;
只有Q点选在交流负载线的中央,才可获得最大不失真输出电压幅值,亦可得到放大电路的最大输出动态范围。
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
=<
1
电压放大系数
较大,例如100
功率放大倍数
很大,例如20000
较大,例如300
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
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
(1)单电源供电的运算放大器电路会出现哪种失真?
线性失真
(2)负反馈可解决波形失真,解决的是哪类失真?
负反馈解决反馈环内的非线性失真,不能解决反馈环外的失真。
(3)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。
(4)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。
(5)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
(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?
引进电压负反馈、增加放大器的驱动能力,本质是降低放大器输出电阻。
(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?
会的
(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?
不会,因为场效应管温度稳定性高,基本上是零温漂点。
(9)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:
交越失真是在乙类功率放大器(图8)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。
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。
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。
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。
)
双向饱和截止失真:
我先在multisim上仿真,结果出来,效果很明显。
照着电路图焊接,示波器上的图形很不错。
交越失真:
因为电路图有些错综交合,第一个焊接的图虽然很明显,也没有像其他方案的图那样把三极管烧坏了,所以就重新再焊接了一个,结果很完美。
非对称失真:
因为一开始没有理解非对称电路的原理,然后查资料,再试着仿真,根据负反馈的原理消除仿真。
在multisim里现象很好,但是在实际中,有非对称的图形出现,但是消除仿真的时候,需要把电压调大,不符合实验的要求。
3.3分析研究实验数据
双向电路:
正常波形:
50mv,2khz,
顶部失真:
50mv,2khz.
底部失真:
50mv.2khz
以上三个现象时,R2的值不一样
双向失真:
500mv,2khz
交越电路:
正常及失真波形:
2.5v,2khz
非对称电路:
50mv,2khz
运算放大器:
增益带宽积:
50mv,2khz,
正常波形:
顶部失真:
2.26v,2khz
底部失真:
2.03v,2khz
双向失真:
5.3v,2khz
提高频率失真:
50mv,13khz
容行阻抗:
150mv,2khz
恢复电路:
4总结与体会
通过本次模电实验,我发现了自身的很多不足之处,许多对电路不理解的地方在本次实验之后都有了更深刻的认识。
在实验过程中,我学会了利用图书馆丰富的藏书和方便快捷的网络资源来获取自己所需的资料;
在制作过程中,我发现只要合理利用印刷板上的铜膜不仅可以省去很多导线还可以使电路板美观简洁。
在生活中也是如此,只要我们善于观察,有效利用资源,就可以轻松的解决很多难题。
我们在设计实验电路时应熟练地掌握各元器件、集成块及单元电路的作用、功能以及它们之间的关系,还应熟练地掌握焊接和调试的方法及注意事项。
在装配焊接时要严格按照电路原理和设计要求进行操作,同时注意避免出现接错、漏接、虚焊等问题,当然在整个过程中也要注意安全。
调试过程不顺利时应该耐心寻找问题,积极冷静的解决问题。
我觉得实验对我们的帮助是很大的,它需要我们将学过的理论知识与实际系统地联系起来,加强我们对学过的知识的实际应用能力,将我们课堂上的知识真正的运用到实际中。
4.2对本课程的意见与建议
我觉得在本次实验中,老师在讲实验要求的时候,应该讲得更加详细。
比如说,最后验收时候图形出来的具体要求的数值以及准确的波形。
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.
[2]王冠华.Multisim11电路设计及应用[M].北京:
国防工业出版社,2010.
[3]张巍.晶体三极管放大电路的非线形失真及其解决办法.东北电子技术研究所,2009
[4]肖渊.基于Multisim的放大电路设计及仿真研究[J].陕西科技大学学报(自然科学版).2009
[5]侯建军、佟毅等。
《电子技术基础实验、综合设计实验与课程设计》.北京:
高等教育出版社,2007.10
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