失真电路研讨讲解

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1、模拟电路基础研讨论文 放大电路的失真现象及解决方法分析 学 院: 电子信息工程学院 专 业: 通信工程 学 号: 学 生: 指 导 老 师: 侯建军 2013 年 5 月 14 日 放大电路的失真现象及解决方法分析 1 目录目录 一、引言2 二、主要失真类型及产生原因2 2.1 饱和、截至、双向失真 3 2.2 交越失真 4 2.3 不对称失真 4 2.4 线性失真 5 三、各种失真电路及消除方法6 3.1 饱和、截至、双向失真 6 3.2 交越失真 7 3.3 不对称失真 9 3.4 线性失真 .10 四、拓展.11 4.1 增益带宽积 .11 4.2 运放失真研究 .11 4.3 单电源运

2、放原理 .12 4.4 容性负载 .13 五、结论.14 六、发展展望.14 七、总结.15 参考文献.15 放大电路的失真现象及解决方法分析 2 放大电路的失真现象及解决方法分析 （北京交通大学，电子信息工程学院，北京 100044） 摘要：晶体三极管在现代电路中有着广泛的应用，其主要功能是放大功能和开 关功能，本文主要针对三极管的放大功能进行分析，重点介绍了晶体管在放大 电路中出现的失真原因并进行了深入分析，失真问题是模拟电子技术中的一个 重要问题，系统化解决失真问题，能够给放大电路在工程中的设计提供便利， 最后给出了失真的原因和解决办法。 关键词：晶体三极管 放大电路 非线性失真 解决办

3、法 一、引言一、引言 在实际生活中，我们经常会遇到 一些关于放大的原理事。例如用放大 镜观察一些体积小的东西或是用显微 镜观察一些微小的生物。而在电学的 领域中我们经常用放大电路来感知一 些微小电信号的变化。放大电路中包 括了三极管、电阻、电容、直流电源 和交流电源等等。其中电阻分为偏执 电阻和反馈电阻，电容分为隔直电容 和旁路电容。由于是对小信号的放大， 电路中个元器件的参数难免对放大结 果产生不同的影响，由于工作点、输 入电压等等因素会产生各种失真，使 输出结果与预期不同。 放大电路是构成各种功能模拟电 路的基本电路，能实现对模拟信号最 基本的处理-放大，因此掌握基本的 放大电路的分析对电

4、子电路的学习起 着至关重要的作用。三极管放大电路 是含有半导体器件三极管的放大电路， 是构成各种实用放大电路的基础电路， 是模拟电子技术课程中的重点内 容。 我通过学习基本电路原理 、 模拟电子技术基础等教科书，并 深层次的研究了其中的电路接法及三 极管的工作原理，以及上网搜索相关 信息、文献，了解了影响放大电路的 各种因素。而后通过multisim 软件仿 真的实现来放大电路对小信号的放大， 根据不同的电路以及各电路中器件的 不同参数值模拟出各种失真现象，然 后通过所获得的知识，根据各失真原 理，对失真电路进行改进，从而是输 出波形不再失真， 二、主要失真类型及产生原因二、主要失真类型及产生

5、原因 放大电路产生失真的主要原因有 两个，据此可以将失真分为两大类： 非线性失真（nonlinear distortion）：晶体三极管等元件的 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 放大电路的失真现象及解决方法分析 3 系，这样产生的失真称为非线性失真。 线性失真（linear distortion）：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，这样产生的失真 成为线性失真。 非线性失真产生的主要原因来自 三方面：第一是晶体三极管等特性曲 线的非线性；第二是静态工作点位置 设置的不合适；第三是输入信号过大。 由于晶体三极管工作在非

6、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。 通常放大电路的输入信号是多频 信号，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，使得放大电路对信号的不同频率 分量具有不同的增益幅值或者相对相 移发生变化，就使输出波形发生失真， 前者称为幅度失真，后者称为相位失 真，两者统称为频率失真。频率失真 是由电路的线性电抗元件引起的，故 又称线性失真，其特征是输出信号中 不产生输入信号中所没有的新的频率 分量。 通过以上分析我们知道，常见失 真现象包括：截止失真（cutoff distortion） 、饱和失真 （saturatio

7、n distortion） 、双向失 真（bidirectional distortion） 、 交越失真（crossover distortion） 、 不对称失真（asymmetrical distortion） 、幅度失真（amplitude distortion）和相位失真（phase distortion） 。其中截止失真、饱和 失真和双向失真的产生原理类似，可 以归为一类研究。 2.12.1 饱和、截至、双向失真饱和、截至、双向失真 在模拟电子技术教材中讨论放大 电路输出波形失真情况时，均以N PN 管放大电路作为分析对象分析其输出 波形的失真情况。对于N PN 管放大 电路,在发

8、生饱和失真时，输出波形 的负 图2.1-1 半周产生失真，在发生截止失真 时，输出波形的正半周产生失真。而 对于PN P 管放大电路来说，波形失 真情况恰恰相反，在发生饱和失真时， 输出波形的正半周产生失真，在发生 截止失真时，输出波形的负半周产生 失真。 饱和和截至失真均是由工作点选 取不当造成，以NPN管为例，静态工 作点位置不合适，对波形失真的影响 可分两种情况说明： a静态工作点偏低时产生截止失 真（图2-1） 当静态工作点偏低为QB时，接近截止 区，交流量在截止区不能放大(三极 管截止)，使输出电压波形正半周被 削顶，产生截止失真。 b静态工作点偏高时产生饱和失真 放大电路的失真现象

9、及解决方法分析 4 当静态工作点偏高为QA时，接近饱和 区，交流量在饱和区不能放大，使输 出电压波形负半周被削底，产生饱和 失真。 因此，要放大电路不产生失真，必须 有一个合适的静态工作点Q，它应大 致选在交流负载线的中点。此外，输 入信号ui的幅值不能太大，以避免放 大电路的工作范围超过特性曲线的线 性范围。 单管放大电路中，造成波形失真 除了工作点的选取外，输入信号大小 也是重要因素，当输入信号过大时， 会造成同时进入截止区和饱和区，从 而造成双向失真。 2.22.2 交越失真交越失真 单管乙类功放电路仅在半个周期 内有电流通过，尽管减小了管耗,有 利于提高输出效率，但使输入信号的 半个波

10、形被削掉,存在严重的波形失 真。如果用两个管 子,使之都工作在乙 类放大状态，但是 一个在正半周期， 而另一个工作在负 半周期，同时使这 两个输出波形都能 加到负载上，从而 使负载得到一个完 整的波形，这样就能解决效率与失真 的矛盾。如图2.2-1A。 电路中T 1 和T 2 分别为NPN和 PNP型管,当信号 处于正半周期时， T1承担放大任务， T2截至有电流通 过负载R L ；而 当信号处于负半 周期时,则刚好 相反，T 2承担 放大任务，T 1 截至，仍然有电流通过负载R L；这 样，图一所示基本互补对称电路实现 了在静态时管子不取 电流，在有信号时， T1和T2轮流导通。正 负半周期

11、的等效电路 分别如图2.2-1B和图 2.2-1C。 由于三极管PN结 的压降，图1(a)所示 的互补对称功放电路并不能使输出波 形很好地反映输入的变化。由于没有 直流偏置,管子的基极电流ib必须在 丨Vbe丨大于某一数值(即门限电压， NPN 硅管约为0.6V，PNP 锗管约为 0.2V)时才有显著变化。当Vi低于这 个数值时，T1 和T2 都截至，ic1和 ic2基本为零,负载RL 上无电流流过, 出现一段死区,这就是交越失真产生 的基本原理。 图2.2-1 2.32.3 不对称失真不对称失真 图 2.3-1 是三极管输入特性曲线， 图 2.3-1 图 2.2-1B 图 2.2-1C 图

12、2.2-1A 放大电路的失真现象及解决方法分析 5 其斜率叫做三极管的输入电阻。可看 出，三极管输入电阻在正弦信号电 压瞬时变化过程中一直随着总电流变 化。电流越大，越小。 从晶体管输入特性曲线可看出， 在正弦信号电压负半波，电流总量较 小，较大，结果使信号电流、基极 电流交流分量、集电极电流交流分量 的负半波都比较小，反相后反映为负 载电压正半波矮胖；在正弦信号电压 正半波，电流总量较大，较小，使 信号电流、基极电流交流分量、集电 极电流交流分量的正半波都比较大， 反相后反映为负载电压负半波瘦长， 见图 2.3-2。 就是说，基本共射放大器输入信 号电压虽然是正弦波形，但由于三极 管的非线性

13、输入特性即值的交变， 输出电压畸变为上半部矮胖下半部瘦 长的非正弦波形。正弦电压上下半波 本来对称，不对称失真后上下半波不 再对称。 非线性失真波形的所有谐波分量有 效值的均方根值与基波有效值的比 0 值称为总谐波失真，简称。 = 2 1+ 2 2+ 2 3+ 0 图 2.3-2（a） 、 （b）所示不对称失 真电压波形的各为 5 、10。 达 5时，肉眼即可看出不对称 失真。 （a） THD=5的不对称失真 （b）THD=10的不对称失真 图 2.3-2 2.42.4 线性失真线性失真 通常放大电路的输入信号是多频 信号，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

14、得放大电路对信号的不同频率 分量具有不同的增益幅值或者相对相 移发生变化，就使输出波形发生失真， 前者称为幅度失真，后者称为相位失 真，两者统称为线性失真。所有的放 大器，在理论上都不可能成为无失真 传输系统。放大器，如果忽略低频截 止频率的影响为一低通滤波器。如果 不忽略低频截止频率影响，则为一带 通滤波器。由于晶体管为一电阻电容 的混合参数所构成的器件（如各种形 式参数模型所反应） ，由于电容的容 抗中含有频率参数，不同的频率对应 于不同的容抗，所以放大器不可能做 到对其通频带内的所有信号放大倍数 为常数。这种情况下产生的失真，我 们称作幅度失真。而且电容的电压和 电流并非同相位，所以不同

15、的频率就 对应着不同的相移，这种情况下产生 的失真，我们称为相位失真。 根据傅立叶分析的基本理论，任 何一周期信号都可以分解为其直流分 量，基波分量和个次谐波分量的加权。 所谓谐波，就是频率为基波整数倍的 余弦信号。若为基波的 N 倍，即称为 N 次谐波。可见，如果一个系统对不 同频率分量的放大倍数不同，那么对 放大电路的失真现象及解决方法分析 6 不同的谐波分量将有不同的放大倍数。 当一个信号通过系统之后，各谐波分 量的幅度发生了改变，加权后将不能 真实反应原信号。这样产生的失真， 既为幅度失真。再者，从相位的角度 来考虑，如果原信号的各次谐波通过 这个系统，产生了不同的相移（表现 在时域既

16、为不同的延迟） ，则系统输 出的各次谐波加权之后，也不能真实 反应原信号，这样产生的失真，既为 相位失真。这两种失真，仅仅是各次 谐波的幅度、相位产生了变化，但系 统并没有产生新的谐波频率，所以称 为线性失真。 三、各种失真电路及消除方法三、各种失真电路及消除方法 3.13.1 饱和、截至、双向失真饱和、截至、双向失真 由理论分析可知，当利用三极 管单级放大电路对交流小信号进行 放大时，如果为电路设置了合适的 静态工作点Q,就能保证三极管在 整个信号周期内均工作在放大区， 放大输出的信号就不会失真。若Q 点偏高，三极管会在输入信号的正 半周因集电极电位UC 低于基极 电位 UB 而饱和，集电极电流 IC 因此会出现顶部失真，而放大 电路输出的信号则会出现底部失真。 若 Q 点偏低，三极管会在输入信 号的负半周因发射结电压UBE 低于导通电