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:
XXX
专业:
XXX
学生姓名:
XXX
学号:
XXX
任课教师:
XXX
XXX年XXX月XXX日
目录
一、实验目的1
二、技术指标及设计要求1
2.1基本要求1
2.2发挥部分2
2.3失真研究3
三、放大失真的知识背景3
3.1截止失真3
3.2饱和失真4
3.3双向失真4
3.4交越失真5
3.5不对称失真5
四、实验过程6
4.1选取的实验电路及输入输出波形6
4.1.1截止饱和双向失真7
4.1.2交越失真11
4.1.3不对称失真12
4.2每个电路克服失真的方案讨论13
4.2.1饱和截止双向失真13
4.2.2交越失真14
4.2.3不对称失真15
4.3发挥部分16
4.3.1测量增益带宽积16
4.3.2容性负载16
五、实验体会和建议17
5.1感想17
5.2建议19
六、参考文献19
一、实验目的
电路输出波形失真引起信号不能正确的传输,解决失真问题是电路设计工程师面对的一个重要问题。
我们所熟知的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。
因此本实验,旨在--
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、技术指标及设计要求
2.1基本要求
(1)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。
(2)下图放大电路输入是标准正弦波,其输出波形失真。
(3)下图放大电路输入是标准正弦波,其输出波形失真。
设计电路并改进。
讨论产生失真的机理,阐述解决问题的办法。
思考:
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。
(4)下图放大电路输入是标准正弦波,其输出波形失真。
设计电路并改进。
讨论产生失真的机理,阐述解决问题的办法。
思考:
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。
2.2发挥部分
(1)下图放大电路输入是标准正弦波,其输出波形失真。
设计电路并改进。
讨论产生失真的机理,阐述解决问题的办法。
(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)将运放接成任意负反馈放大器,要求负载2kΩ,放大倍数为1,将振荡频率提高至fT的95%,观察输出波形是否失真,若将振荡器频率提高至fT的110%,观察输出波形是否失真。
(4)放大倍数保持100,振荡频率提高至fT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)设计电路,改善发挥部分(4)的输出波形失真。
2.3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?
(2)负反馈可解决波形失真,解决的是哪类失真?
(3)测量增益带宽积fT有哪些方法?
(4)提高频率后若失真,属于哪类失真?
(5)电阻负载改成大容性负载会出现什么失真?
(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?
(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?
(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?
(9)归纳失真现象,并阐述解决失真的技术。
三、放大失真的知识点背景
3.1截止失真
截止失真是由于静态工作点较低造成的,共射极放大电路的截止失真的表现是输出电压的顶部出现削波,即信号的正半周被削减。
此时三极管处于微导通或不导通状态。
波形一部分进入截止区,这样就会出现截止失真。
输入正弦波,当静态工作点正好合适时,输出也是正弦波。
当输入信号的正半周被削减,呈现圆弧状,而负半周正常时,其为截止失真波形。
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办法更好实现。
将Rb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。
3.2饱和失真
饱和失真的产生原因与截止失真相反。
饱和失真是由于工作点过高造成的。
静态工作点处于三极管的饱和区,于是不能实现信号的线性放大。
对于共射放大电路,饱和失真的现象是信号的负半周被削掉,呈现一个平底。
解决饱和失真的办法同样有两个:
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(R1),使静态工作点升高。
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β。
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。
3.3双向失真
双向失真是由于输入信号太大或增益太大造成的,它是饱和失真、截止失真的结合。
输入信号过大,造成超过线性放大范围,信号的正负半周均被削减。
一方面,由于饱和失真,输出信号负半周削平。
另一方面,由于截止失真,信号正半周削弱。
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。
3.4交越失真
交越失真是由于三极管PN结门限电压(0.7V)造成的。
在分析电路时把三极管的导通电压看作零,当输入电压较低时,因三极管截止而产生的失真称为交越失真。
这种失真通常出现在通过零值处。
与一般放大电路相同,消除交越失真的方法是设置合适的静态工作点,使得三极管在静态时微导通。
交越失真出现在乙类放大电路,甲类放大电路失真最小但是效率较低,乙类有交越失真但是其效率高,所以出现了甲乙类放大电路,比甲类效率高,比乙类失真小。
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,一旦加入输入信号,使其马上进入线性工作区。
提供给晶体管静态偏置使其微导通有两种方法:
(1)利用二极管的压降产生偏置电压;
(2)利用电阻上的压降产生偏置电压。
3.5不对称失真
不对称失真是非线性失真的一种。
不对称失真是由于晶体管的非线性,信号在被放大的同时,输出信号中会产生输入信号所没有的谐波分量,而使输出信号的正、负半周不对称,这种失真称为不对称失真。
负反馈可改善放大器的非线性失真,引入反馈后,若反馈网络为纯阻无源网络,它不再引入失真,反馈信号也应是正半周小负半周大的波形。
输入信号减去反馈信号后,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。
四、实验过程
4.1选取的实验电路及输入输出波形
失真是晶体管放大电路中的一个常见问题,也是模拟电子电路中的一个重要知识点。
如下是一个NPN三极管共射放大电路,该电路有合适的偏置,通过将R1调整到合适的阻值,可以实现信号的无失真放大。
我们控制输入信号为50mV、2kHz的交流信号。
输出波形如下图所示,可见波形是对称的、无失真的,通过调节负载电阻R3的大小,可以控制输出电压峰峰值。
仿真结果中,输出电压近似为1V。
实际图像:
然而对于这一电路,如果各个阻值选择不合适,则可能出现饱和失真、截止失真及双向失真。
4.1.1饱和截止双向失真
【饱和截止双向失真实验电路图】
饱和失真:
【仿真图像】:
其中输入波形为B通道,绿色曲线;输出波形为A通道,红色曲线。
【实际图像】
截止失真:
【仿真图像】:
其中输入波形为B通道,绿色曲线;输出波形为A通道,红色曲线。
【实际图像】
双向失真:
【仿真图像】:
其中输入波形为B通道,绿色曲线;输出波形为A通道,红色曲线。
【实际图像】
4.1.2交越失真
当两开关都闭合时,出现交越失真
【仿真图像】:
其中输入波形为B通道,绿色曲线;输出波形为A通道,红色曲线。
交越失真输入输出波形
【实际图像】
4.1.3不对称失真
当开关断开时,即出现了不对称失真
【仿真图像】:
其中输入波形为B通道,绿色曲线;输出波形为A通道,红色曲线。
产生不对称失真输入、输出波形
【实际图像】
不对称失真波形
4.2每个电路克服失真的方案讨论
4.2.1饱和失真、截止失真、双向失真
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。
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。
双向失真:
减小输入信号的幅度。
4.2.2交越失真消除失真的方法
交越失真是由于晶体管的门坎电压而产生,所以在输入信号电压很低的时候,晶体管的集电极电流基本上为零,则负载所得到的电压或电流将出现一段“死区”,这种现象称为交越失真。
交越失真的存在,使得输出信号波形发生严重变形。
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。
在上述电路中,我们可以改变静态工作点,加大电阻阻值,加入两个二极管,产生0.7V压降的静态工作点电压,使输入信号即使是为零,三极管也工作在线性区域。
既是甲乙类功率放大器。
【仿真图像】:
其中输入波形为B通道,绿色曲线;输出波形为A通道,红色曲线。
消除交越失真输入、输出波形
【实际图像】
消除交越失真波形
4.2.3不对称失真消除失真方法
采用负反馈,减小环内的非线性失真。
我们采用交直流混合电流并联负反馈。
消除失真后的波形是失真的波形通过馈环节反馈到输入环节与输入波形相叠加产生的,再通过放大环节使得输出信号近似于线性放大,补偿了放大器造成的失真。
但是负反馈改善波形的实质是利用失真减小失真,但不能完全消除失真,而且负反馈只能减小反馈环内的失真,如果输入信号本身就是失真的负反馈则不能改善其失真。
【仿真图像】
消除不对称失真输入、输出波形
【实际图像】
消除不对称失真波形
4.3发挥部分
4.3.1测量增益带宽积
4.3.2接容性负载出现三角波型及相位失真
【实际图像】
五、实验体会和建议
5.1感想
半个学期的模电实验设计眨眼间就过去了。
通过这几周的实践,我对模拟集成电路基础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、怎样根据已知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。
这次设计试验主要验证分析了五种失真电路,包括饱和失真、截止失真、双向失真、交越失真和不对称失真。
此外,自我发挥部分也对容性失真,如何让测量增益带宽积等做出了要求。
因为之前只有焊万用表的经验,在得知需要自主焊接几个失真电路后,我有些茫然,不知道该如何把课本上的理论知识转化为实际电路。
在接连焊接的两个电路都不能正常运行后,我感觉有些沮丧,问题完全看不出来,到底是电路问题还是焊接问题,我无法判断。
最终,在我请教了周边同学之后,我决定重新焊接。
经过上一个设计实验失败后,我能感觉到自己对设计性的实验有了很大的适应,我按照步骤从理论知识开始推到,重新设计电路进行仿真,然后买元件、焊电路板。
令人开心的是实际测试时,我的饱和截至双向失真和交越失真第一次就清楚地显示出来。
一切都进行的井井有序,我不得不说,对于设计实验,只要认认真真的去做,哪怕出现问题,也都能准确、快速的解决。
不过在测量增益带宽积和容性失真时,我再次出现了问题,图像能够显示出来,但是调节完全没有办法,经老师出指点,我才发现了在焊接原件上的失误。
连续两次焊接电路板,我都出现了一些问题,证明我对设计焊接电路板还不够熟悉,我需要更多的练习。
不过呢,我觉得大概老师让我们自主焊接电路板的目的就在于此吧----实践是检验理论的最佳利器,认真决定成功!
5.2建议
在收集相关资料的过程中,我首先选择课本,我把放大电路失真部分的章节及课件认真地重新研读了一遍,但是发现课本所能提供的信息太少了,为此我就通过网络检索,但是网络上的内容鱼目混珠,甚至还有完全错误的东西。
因此,我希望老师们能给我们提供更多的资源,例如,怎样进行仿真,以及提供相关软件等等。
焊接电路时,元件也是问题。
刚开始准备做的时候,去中关村买元件,结果被告知一种元件低于五十个不卖,当时很是为难。
后来,院社团组织统一批发,情况才稍微好了一点。
但是,后来该社团也停止了批发。
因此希望学院能有对材料这方面的对策。
六、参考文献
[1] 路勇,刘颖,侯建军. 模拟集成电路基础[M].北京:
北京交通大学出版社,2008
[2]侯建军,佟毅,刘颖,等.电子技术基础实验、综合设计实验与课程设计[M].北京:
高等教育出版社,2007.
[3]刘颖.模拟电子技术[M].北京,北京交通大学出版社,2008.
[4]闻跃,高岩,杜普选.基础电路分析[M].北京,北京交通大学出版社,2008.
出版社,2007.
[5] 王林川,潘文明,李庆鑫,牟瑞. 基于负反馈原理的功放电路交越失真解决方法研究[J],北京电子科技学院学报,2008,6:
16-2.
[6] 陈希湘,张明波.三极管放大电路波形失真分析小结[J].电脑知识与技术, 2012,6:
1-8.
[7] 刘蕴涛. 功率放大器瞬态互调失真的产生与改善方法[J].枣庄师专学报,1996:
3-51.
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