《模擬電子技術(shù)》放大電路失真現(xiàn)象研究.doc

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1、模擬電子技術(shù)研究性課題論文 《模擬電子技術(shù)》研究性課題論文 學(xué) 院 電子信息工程學(xué)院 專 業(yè) 通信工程 學(xué)

2、 號 姓 名 指導(dǎo)教師 2013年5月 目錄 一、飽和失真 1 產(chǎn)生飽和失真的原因 1 消除失真的方法 2 二、截止失真 3 截止失真產(chǎn)生的原因 3 消除截止失真的方法 3 三、雙向失真 5 產(chǎn)生雙向失真的原因 5 消除雙向失真的方法 5 四、交越失真 5 交越失真產(chǎn)生的原理 5 克服交越失真的方法 6 五、負(fù)反饋改善失真波形 7 負(fù)反饋改善失真波形原理 7 六、頻率失真 9 頻率失真的原因 9 幅度失真的原因 9

3、相位失真的原因 9 七、瞬態(tài)互調(diào)失真 10 瞬態(tài)互調(diào)失真產(chǎn)生的原理 11 消除瞬態(tài)失真的方法 11 八、總結(jié) 12 參考文獻(xiàn) 14 1 放大電路失真現(xiàn)象的研究 摘要：運(yùn)算放大器廣泛應(yīng)用在各種電路中，但是同時(shí)伴隨著失真現(xiàn)象。一個(gè)理想的放大器，其輸出信號應(yīng)當(dāng)如實(shí)的反映輸入信號，即他們盡管在幅度上不同，時(shí)間上也可能有延遲，但波形應(yīng)當(dāng)是相同的．但是，在實(shí)際放大器中，由于種種原因，輸入信號不可能與輸入信號的波形完全相同，這種現(xiàn)象叫做失真。本文通過研究基本放大電路出現(xiàn)的非線性失真的原因并且提出消除非線性失真的方法。 關(guān)鍵詞：失真 失真原因 失真解決方法 Abstract：Op

4、erational amplifiers are widely used in various circuits, but at the same time it accompanied by distortion. An ideal amplifier, the output signal should accurately reflect the input signal, even if they differ in amplitude, time may be delayed, but they should have the same wave form. However, due

5、to various reasons, the output signal can not be identical to the waveform of the input signal in practical amplifier, this phenomenon is called distortion. This paper studies the basic amplifying circuit nonlinear distortion and proposed to eliminate the non-linear distortion. Key Words: Distortio

6、n Cause of the distortion Distortionsolution 一、飽和失真 產(chǎn)生飽和失真的原因 下圖所示為工作點(diǎn)太高的情況,由下圖可知,當(dāng)工作點(diǎn)太高時(shí),放大器能對輸入的負(fù)半周信號實(shí)施正常的放大,而當(dāng)輸入信號為正半周時(shí),因輸入信號太大,使三極管進(jìn)入飽和區(qū),=β的關(guān)系將不成立,輸出電流將不隨輸入電流而變化,輸出電壓也不隨輸入信號而變化,產(chǎn)生輸出波形的失真。 圖1 這種失真是因由于工作點(diǎn)取的太高,輸入正半周信號時(shí),三極管進(jìn)入飽和區(qū)而產(chǎn)生的失真,所以稱為飽和失真。 消除失真的方法 對由NPN管子組成的共發(fā)射極放大器,當(dāng)輸出信號的負(fù)半周產(chǎn)

7、生失真時(shí),因共發(fā)射極放大器的輸出和輸入倒相（如圖2）, 輸入波形 輸出波形 圖2 說明是輸入信號為正半周時(shí)電路產(chǎn)生了失真。輸入的正半周信號與靜態(tài)工作點(diǎn)電壓相加,將使放大器的工作點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū),所以,這種情況的失真為飽和失真,消除的辦法是降低靜態(tài)工作點(diǎn)的數(shù)值，將其選在交流負(fù)載線的中點(diǎn)。這種判斷的方法僅適用于由NPN型三極管組成的放大器,對于由PNP型三極管組成的放大器,因電源的極性相反,所以結(jié)論剛好與NPN型的相反。 二、截止失真 截止失真產(chǎn)生的原因 下圖所示為工作點(diǎn)太低的情況,由圖可知,當(dāng)工作點(diǎn)太低時(shí),放大器能對輸入的正半周信號實(shí)施正常的放大,而當(dāng)輸入信號

8、為負(fù)半周時(shí),因小于三極管的開啟電壓,三極管將進(jìn)入截止區(qū)=0,=0,輸出電壓==Vcc將不隨輸入信號而變化,產(chǎn)生輸出波形的失真。 這種失真是因工作點(diǎn)取的太低,輸入負(fù)半周信號時(shí),三極管進(jìn)入截止區(qū)而產(chǎn)生的失真,所以稱為截止失真。 圖3 消除截止失真的方法 同樣對由NPN管子組成的共發(fā)射極放大器來說,當(dāng)輸出信號的正半周產(chǎn)生失真時(shí),說明輸入信號為負(fù)半周時(shí)電路產(chǎn)生了失真,輸入負(fù)半周信號與靜態(tài)工作點(diǎn)電壓相減,將使放大器的工作點(diǎn)進(jìn)入截止區(qū),所以,這種情況的失真為截止失真,消除的辦法是提高電路靜態(tài)工作點(diǎn)的數(shù)值是指到達(dá)交流負(fù)載線的中點(diǎn)。這種判斷的方法也僅適用于由NPN型三極管組成的放大器,對于由PN

9、P型三極管組成的放大器,同樣因電源的極性相反,所以結(jié)論剛好與NPN型的相反。 三、雙向失真 產(chǎn)生雙向失真的原因 雙向失真是指即在三極管輸出特性曲線的飽和區(qū)失真又在截止區(qū)失真，三極管有飽和狀態(tài)又有截止?fàn)顟B(tài)，向上達(dá)到飽和狀態(tài)，向下到達(dá)截止?fàn)顟B(tài)，出現(xiàn)這種非線性失真不是由于電路中某個(gè)電路元件選擇的不合適，而是由于信號源輸入的信號過大導(dǎo)致三極管在放大時(shí)出現(xiàn)了雙向失真。 消除雙向失真的方法 改變這種失真的方法就是工作點(diǎn)Q要設(shè)置在輸出特性曲線放大區(qū)的中間部位，減小輸入的信號，選擇一個(gè)合理的輸入信號，使之正好工作在放大區(qū)域內(nèi)。 四、交越失真 交越失真產(chǎn)生的原理 單管乙類功放電路僅在半

10、個(gè)周期內(nèi)有電流通過, 盡管減小了管耗, 有利于提高輸出效率, 但使輸入信號的半個(gè)波形被削掉, 存在嚴(yán)重的波形失真。如果用兩個(gè)管子, 使之都作在乙類放大狀態(tài), 但是一個(gè)在正半周期, 而另一個(gè)工作在負(fù)半周期, 同時(shí)使這兩個(gè)輸出波形都能加到負(fù)載上, 從而使負(fù)載得到一個(gè)完整的波形, 這樣就能解決效率與失真的矛盾。電路原理圖如圖 圖4 電路中T1和T2 分別為NPN和PNP型管, 當(dāng)信號處于正半周期時(shí),T1承擔(dān)放大任務(wù), T2截至, 有電流通過負(fù)載RL而當(dāng)信號處于負(fù)半周期時(shí), 則剛好相反, T2承擔(dān)放大任務(wù),T1截至, 仍然有電流通過負(fù)載RL這樣, 上圖所示基本互補(bǔ)對稱電路實(shí)現(xiàn)了在靜態(tài)時(shí)管子不取

11、電流, 而在有信號時(shí),T1和T2 輪流導(dǎo)通。正負(fù)半周期的等效電路分別如圖： 圖5 由于三極管PN結(jié)的壓降, 上圖所示的互補(bǔ)對稱功放電路并不能使輸出波形很好地反映輸入的變化。由于沒有直流偏置, 管子的基極電流 , 必須在 大于某一數(shù)值(即門坎電壓, 硅管約為0.6v，鍺管約為0.2v，)時(shí)才有顯著變化。當(dāng)?shù)陀谶@個(gè)數(shù)值時(shí)和基本為零, 負(fù)載RL 上無電流流過, 出現(xiàn)一段死區(qū), 這就是交越失真產(chǎn)生的基本原理。下圖為交越失真產(chǎn)生的圖像： 圖6 克服交越失真的方法 為了克服交越失真的影響，我們可以通過改進(jìn)電路的方法來實(shí)現(xiàn)。常見的方法有：甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路法和甲乙類單電源互

12、補(bǔ)對稱電路。甲乙類互補(bǔ)對稱法電路原理如下圖所示。由圖可見, T3組成前置放大級,T1和T2組成互補(bǔ)輸出級。靜態(tài)時(shí), 在D1,D2上產(chǎn)生的壓降為T1,T1提供了一個(gè)適當(dāng)?shù)钠珘? 使之處于微導(dǎo)通狀態(tài)。由于電路的對稱, 靜態(tài)時(shí)=,=0,=0。有信號時(shí), 由于電路工作在甲乙類, 即使很小, 基本上也可以進(jìn)行線性放大。但是圖7的缺點(diǎn)就是其偏置電壓不易調(diào)整, 改進(jìn)電路如圖8所示, 在圖8中流人T4的基極電流遠(yuǎn)小于流過R1、r2的電流, 則由圖可以求出=(R1+R2)/R2, 因此, 利用T4管的be基本為一固定值, 只要調(diào)整R1、R2的比值, 就可以改變T1、T2的偏壓值, 此法在集成電路中經(jīng)常應(yīng)用。

13、 圖7 圖8 五、負(fù)反饋改善失真波形 負(fù)反饋改善失真波形原理 下圖是處于開環(huán)狀態(tài)下的放大電路 圖9 由于放大器對信號正半周放大能力強(qiáng)，負(fù)半周能力弱，這樣就會使輸出波形上大下小 圖10 為了補(bǔ)償這種失真，我們采用閉環(huán)負(fù)反饋放大電路， 圖11 輸入波形通過放大器產(chǎn)生一個(gè)上大下小的波形， 圖12 這個(gè)失真的波形通過負(fù)反饋環(huán)節(jié)反饋到輸入環(huán)節(jié)與輸入波形相疊加產(chǎn)生波形再通過放大環(huán)節(jié)使得輸出信號近似于線性放大，補(bǔ)償了放大器所造成的失真 圖13 負(fù)反饋缺點(diǎn) 但是負(fù)反饋改善波形的實(shí)質(zhì)是利用失真減小失真，但不能完全消除失真，而且負(fù)反饋只能減小反饋環(huán)內(nèi)

14、的失真，如果輸入信號本身就是失真的負(fù)反饋則不能改善其失真。 六、頻率失真 頻率失真的原因 頻率失真：又稱線性失真，是由于線性電抗元件所引起的,它包括幅度失真和相位失真。假設(shè)某系統(tǒng)傳輸函數(shù)為H（jw），它規(guī)定了不同頻率的信號經(jīng)過此系統(tǒng)時(shí)產(chǎn)生的不同的幅度和相位的變化。信號傳輸應(yīng)用中，線路發(fā)送側(cè)發(fā)出某一頻率的信號，而這個(gè)信號的傳輸信道在此時(shí)就等價(jià)于一個(gè)傳輸系統(tǒng)（因?yàn)槭聦?shí)上的傳輸包括復(fù)用、解復(fù)用和各種轉(zhuǎn)換；線路傳輸中會有衰減、回波損耗等），這導(dǎo)致在接收端收到的信號與原信號在相位和幅值上是有差別的，且這種差別因頻率而變，這就叫頻率失真。 幅度失真的原因 幅度失真：輸入信號由基波和二次諧波組

15、成，受放大電路帶寬限制(對于一個(gè)集成放大器，它有一個(gè)特定的增益帶寬積，故頻率大的諧波分量，放大倍數(shù)低),基波增益較大，而二次諧波增益較小，輸出電壓波形產(chǎn)生了失真。 相位失真的原因 相位失真：指的是信號在傳輸和放大過程中發(fā)生了時(shí)間延遲。電容和電感對交流信號（電壓或電流）具有延遲作用。當(dāng)一個(gè)交流信號經(jīng)過電容、電感和電阻的時(shí)候，會有一個(gè)充放電的過程，這會導(dǎo)致這個(gè)交流信號的幅度變化時(shí)間“向后”推遲一段時(shí)間。在各種交流放大器中，采用的元器件或者是電感電容，或者是含有電感電容成分，而任何一個(gè)放大電路或者元器件我們都可以通過等效電路轉(zhuǎn)換成電感、電容、電阻和理想有源器件的組合。 總的來說引起頻率失真的原

16、因主要有放大電路存在電抗性元件，這些電抗性原件主要有耦合電容、旁路電容、分布電容、變壓器、分布電感等，而影響低頻增益的電抗性元件主要有耦合電容與旁路電容，影響高頻增益的電抗性元件主要有晶體管的結(jié)電容及引線等一些雜散電容 引起頻率失真的另外一個(gè)原因就是三極管的b(w)是頻率的函數(shù)，低頻小信號模型不再適用，因?yàn)楣茏拥摩轮惦S著信號頻率的增加而減小，也會導(dǎo)致高頻增益的下降。這時(shí)在研究頻率特性曲線時(shí)需要采用高頻小信號模型。 圖14 中頻段：電壓放大倍數(shù)近似為常。 低頻段：耦合電容和發(fā)射極旁路電容的容抗增大，以致不可視為短路，因而造成電壓放大倍數(shù)減小。 高頻段：晶體管的結(jié)電容以及電路

17、中的分布電容等的容抗減小，以致不可視為開路，也會使電壓放大倍數(shù)降低。 課外失真研究 七、瞬態(tài)互調(diào)失真 瞬態(tài)互調(diào)失真，簡稱TIM失真，是20世紀(jì)70年代公開發(fā)布的一種失真，它與負(fù)反饋關(guān)系密切。在輸入脈沖性瞬態(tài)信號時(shí)，電路中的電容使輸出端不能立即得到應(yīng)有的輸出電壓，而使得負(fù)反饋電路不能得到及時(shí)的響應(yīng)，功率放大器在這一瞬間處于開環(huán)狀態(tài)，使輸出瞬間 過載而產(chǎn)生削波，這一削波失真稱為瞬態(tài)互調(diào)失真，這種失真在膽機(jī)（用電子管的放大器）上表現(xiàn)較為嚴(yán)重。 瞬態(tài)互調(diào)失真產(chǎn)生的原理 負(fù)反饋的作用使輸出起到與輸入相反的作用，使系統(tǒng)輸出與系統(tǒng)目標(biāo)的誤差減小，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，從而大幅度減少失真。

18、但由于負(fù)反饋使輸入信號和反饋的輸出信號相減，降低了信號電平，當(dāng)負(fù)反饋量大到使輸出信號降低到和輸入信號電平相同，即整個(gè)線路完全沒有放大時(shí)，這種放大器叫緩沖放大器，它有輸入阻抗高，輸出阻抗低的優(yōu)點(diǎn)，常被用來作阻抗匹配使用。如要要使輸出信號有較大的電平，那放大器的增益要相應(yīng)加大，而這在膽機(jī)和晶體管機(jī)中并不困難。但負(fù)反饋在有效地降低失真時(shí)，卻引起新的失真即瞬態(tài)互調(diào)失真，這種失真在石機(jī)（以半導(dǎo)體器件為放大元件的音頻功率放大器）上最為嚴(yán)重。這是因?yàn)槭瘷C(jī)常用高達(dá)50-60dB左右的深度負(fù)反饋來提高工作穩(wěn)定性和減少失真，雖然此時(shí)晶體管機(jī)將輕易獲得較高的技術(shù)參數(shù)。但有得也有失，為減少由深度負(fù)反饋所引起的高頻寄生

19、振蕩，石機(jī)一般要在前置推動(dòng)級的晶體管集電極和基極之間加入一個(gè)小電容，使高頻段的相位稍為滯后，但無論電容的容量如何小，也要有一定時(shí)間來充電，當(dāng)信號中含有高速瞬態(tài)脈沖時(shí)，電容充電速度跟不上時(shí)，這一瞬間線路是處于沒有負(fù)反饋狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候由于輸入信號沒有和負(fù)反饋信號相減，造成信號電平過強(qiáng)，使放大線路瞬時(shí)過載，由于石機(jī)負(fù)反饋量大，過載強(qiáng)度更高，常達(dá)到幾十倍以上，此時(shí)輸出信號會出現(xiàn)削波現(xiàn)象，瞬態(tài)互調(diào)失真由此產(chǎn)生，由于石機(jī)中這種失真出現(xiàn)最多，因此該失真常被稱為“晶體管”聲。 消除瞬態(tài)失真的方法 瞬態(tài)互調(diào)失真是由于負(fù)反饋放大器延時(shí)時(shí)間內(nèi)增益特別大產(chǎn)生的，只要控制好這段時(shí)間內(nèi)的增益即可消除瞬態(tài)互調(diào)失真。為了

20、消除瞬態(tài)互調(diào)失真，在信號進(jìn)入放大器的正相輸入端的同時(shí)，也在負(fù)相輸入端加上負(fù)反饋信號控制它的增益。雖然負(fù)反饋的時(shí)間延遲很難解決，但要減少其影響，可用大環(huán)路淺度負(fù)反饋，這樣就算有負(fù)反饋時(shí)間延遲，輸入信號也不過強(qiáng)；另外也可用多級負(fù)反饋，這樣由于反饋時(shí)間快，路徑短，不容易誘發(fā)瞬態(tài)互調(diào)失真。此之外，在設(shè)計(jì)制作時(shí)還應(yīng)盡量利用各種屏蔽和濾波措施來減少各種高頻干擾信號進(jìn)入放大器，這些射頻干擾雖然人耳聽不見，但它們的頻率很高，極易誘發(fā)瞬態(tài)互調(diào)失真。瞬態(tài)互調(diào)失真是當(dāng) 信號速度超過放大器的瞬態(tài)響應(yīng)能力范圍之外才會發(fā)生的，另外，除了這處失真外，過快的信號也會產(chǎn)生另一種即振鈴失真現(xiàn)象，當(dāng)輸入信號速度快而幅度小時(shí)，最先

21、出現(xiàn)的是振鈴現(xiàn)象，當(dāng)這個(gè)信號的速度快到某種程度時(shí)瞬態(tài)互調(diào)失真也會出現(xiàn)，但當(dāng)信號速度快兼幅度大時(shí)，是直接進(jìn)入瞬態(tài)互調(diào)失真狀態(tài)。各種各樣的速度快但幅度小的高頻干擾噪音，最容易引發(fā)振鈴。 八、總結(jié) 本文主要研究了放大電路中的失真現(xiàn)象，簡要的闡述了各種常見的失真的原因、原理以及如何消除或者降低這些失真。 在初次著手這次課題時(shí)我的想法就是每一個(gè)失真自成一部分，每個(gè)部分分別按照其原理原因以及消除或減小該失真往下寫，沒有像其他同學(xué)那樣是按照線性失真與非線性失真寫的，我認(rèn)為這樣寫的時(shí)候我的思路會更清晰一些，條理也更明朗。在做完這些初期準(zhǔn)備之后，就真正開始下手寫這篇論文，首先就是收集課內(nèi)的資料，我把放大電

22、路失真部分的章節(jié)及課件又重新研讀了一遍，但是發(fā)現(xiàn)里面的信息太少了，為此我就通過網(wǎng)絡(luò)檢索，但是網(wǎng)絡(luò)檢索的缺點(diǎn)就是各種知識泛濫，根本找不出多少真正有價(jià)值的東西，而且其中不乏許多錯(cuò)誤的東西，真正有用的還是學(xué)校圖書館，在圖書館閱覽室里面我查到了一部分我想要的東西，在電子閱覽室的各數(shù)據(jù)庫里面又陸續(xù)檢索到一些有價(jià)值的資料，搜集資料也就告一段落。接下來就是自己需要寫的時(shí)候了，由于以前沒有寫過論文，經(jīng)驗(yàn)不足，事情并沒有想象中的順利，其中包括論文章節(jié)的安排、排序和排版，都不盡人意，但是在寫論文的過程中我對許多知識有了進(jìn)一步的認(rèn)識、將以前一些錯(cuò)誤也改正了過來，比如：以前我認(rèn)為交越失真是甲類功率放大器和乙類功率放大

23、器所共有的，但在論文寫作時(shí)才知道原來我以前理解是錯(cuò)誤的，交越失真是由于甲類功率放大器的效率比較低，為了提高效率，將放大器進(jìn)行改進(jìn)得到了乙類功率放大器，乙類功率放大器放大的效率比較大，但是電壓在零值附近是，由于三極管存在死區(qū)電壓，于是就發(fā)生了交越失真。在論文初稿完成之后，由于很多地方不符合其規(guī)范要求，比如文章標(biāo)題、圖片、段落，這就進(jìn)行了第二次的重新排版，在此次排版過程中，對整篇論文進(jìn)行了重新安排，生成規(guī)定的論文格式。 通過此次研究失真，我知道了失真在放大電路中是時(shí)時(shí)刻刻存在的，有時(shí)候是有益的、 但有的時(shí)候又是有害的，比如在研究利用負(fù)反饋消除波形失真時(shí)就是利用負(fù)反饋先產(chǎn)生一個(gè)上小下大的波形

24、，再將波形通過放大環(huán)節(jié)，這樣就能產(chǎn)生一個(gè)正常波形，又例如交越失真它是由于電壓在零點(diǎn)附近無法克服其死區(qū)電壓發(fā)生漂移而產(chǎn)生的，由此我們可以看出任何事物都有其兩面性既有利也有弊，只是在不同的情況下表現(xiàn)不同，由此我們想要做的就是揚(yáng)長避短，將其優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮的更好，不斷地減小其缺點(diǎn)，這樣真正造福于人類。這次研究不僅是簡單的使我對三極管有了更進(jìn)一步的認(rèn)識，還使我分析問題的方法有了一定的提升，即首先是發(fā)現(xiàn)和提出問題，研究問題找出其中的突破口，然后通過此突破口找出問題本質(zhì)所在，然后再提出詳細(xì)的解決方案，例如在這次寫論文時(shí)先是找出常見失真，這些失真產(chǎn)生原因有哪些，如何改進(jìn)這些失真，然后就是查閱資料，對資料進(jìn)行篩選，利

25、用篩選出的資料自己在去寫這篇論文，經(jīng)過最終的排版得到這篇論文，這樣分析問題的方法也會是復(fù)雜的問題逐步簡單化，便于理解吸收再消化！ 參考文獻(xiàn)： [1] 路勇，劉穎，侯建軍. 模擬集成電路基礎(chǔ)[M].北京：北京交通大學(xué)出版社,2008 [2] 王林川,潘文明,李慶鑫,牟瑞. 基于負(fù)反饋原理的功放電路交越失真解決方法研究[J],北京電子科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2008 ,6:16-2. [3] 陳希湘，張明波. 三極管放大電路波形失真分析小結(jié)[J]. 電腦知識與技術(shù), 2012,6: 1-8. [4] 劉蘊(yùn)濤. 功率放大器瞬態(tài)互調(diào)失真的產(chǎn)生與改善方法[J]. 棗莊師專學(xué)報(bào)，1996:3-51.