关于放大电路失真现象的研究模拟电子技术研讨论文 放大电路失真现象的研究 指导教师:侯建军 2013 放大电路失真现象的研究目录 1.1非线性失 1.2线性失 2.1截止、饱和和双向失 2.1.1截止、饱和失真理论分 2.1.2饱和失真的Mutisim 2.1.3双向失真分析及改善方 2.2.1交越失真理论分 2.2.2传统交越失真改善方 2.2.3基于负反馈的改善方 2.3不对称失 2.3.1不对称失真概 2.3.2不对称失真理论分 2.3.3传统负反馈改善方 2.3.4多级反相放大改善方 2.4线性失 2.4.1线性失真理论分 2.4.2线性失真电路设计及改善方案仿 11【参考文 放大电路失真现象的研究放大电路失真现象的研究 (北京交通大学电子信息工程学院 ,北京 100044) 摘要: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。本文简单地介 绍了失真的类型,系统地介绍了各类失真现象产生的原因,同时设计 了各类失真电路,给出了各类失真的改善方案,对部分失真问题进行 了仿真实验。 关键词:非线性失真、线性失真、三极管放大电路、负反馈、 Multisim 仿真 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。 引言 线性失真(linear distortion): 在放大电路中,其输出信号应当如放大器的频率特性不好,对输 入信号实的反映输入信号,即他们尽管在幅中不同频率成分的增益不 同或延时不度上不同,时间上也可能有延迟,但同,这样产生的失真 成为线性失真。 波形应当是相同的。但在实际电路中, 由于种种原因,输入信号不可能与输1.1 非线性失真 入信号的波形完全相同,这种现象叫 做失真。在工程上,电路的失真影响非线性失真产生的主要原因 来自着放大电路的正常使用,在理论上对三方面:第一是晶体三极管 等特性曲各种失真现象的原理的研究,有利于线的非线性;第二是静 态工作点位置工程上快速检测出放大电路失真的原设置的不合适;第 三是输入信号过大。因,从而完善放大电路的设计。由于晶体三极管工作在非线性区而产Multisim仿真软件支持模拟电路、数生的非线性 失真有5 种:饱和失真、字电路及模数混合电路的设计仿真,截止失 真、双向失真、交越失真和不仿真结果准确直观。利用Multisim进对 称失真。 行仿真,方便了放大电路失真现象的 理论研究。 1.2 线性失真 1.失真类型及产生原因 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 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, 放大电路失真现象的研究 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。 大器件工作到特性曲线的饱和区产生的失真,称为饱和失真。 相反地,如果静态工作点(?)电流ICQ选择的比较低,在输入 电流正半周时,输出电压无失真。但是,在输入电流的负半周,晶体 管将工作到截止区,从而使输出电压的正半周的顶部被削,产生了失 真。这种失真是由于放大器工作到特性曲线的截止区产生的,称为截 止失真。 截止失真和饱和失真原理图如图2-1 所示: 2.各类失真现象分析 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(saturation 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。 2.1 截止、饱和和双向失真 2.1.1 截止、饱和失真理论分析 在共发射极放大电路中,设输入信号?为正弦波,并且工作点 选择在输入特性曲线的直线部分,这样它的输入电流i?也将是正弦 如果由于电路元件参数选择不当,使IBQ比较高,静态工作点(Q? 点)电流ICQ 比较高,则对输入电流的负半周,基极总电流i?和集 电极总电流i?都减小,使集电极电压?升高,形成输出电压的正 半周,这个输出电压仍然是正弦波,没有失真。但是在输入电流的正 半周中,当IBQ增加时,ICQ 随之增大,由于输出电压反相,这样形 成的输出电压的负半周的底部被削,不再是正弦波,产生了失真。这 种由于放 图2-1如果所使用的晶体三极管是PNP 型的,则饱和失真时将出现削 顶,而截止失真将出现削底。PNP 管组成的放大电路输出波形失真情 况与NPN 管组成的放大电路输出波形失真情况完全相反。 2.1.2 饱和失真的Mutisim 仿真 仿真以饱和失真为例,为方便体现 NPN 管和PNP 管的区别,仿真中NPN 管和PNP 管的放大电路均 采用单管共射电路,两放大电路共地,输入信号相同。仿真电路如图 2-2。 放大电路失真现象的研究 2.2 交越失真 2.2.1 交越失真理论分析 单管乙类功放电路仅在半个周期内有电流通过,尽管相对于甲类 功放电路减小了管耗,有利于提高输出效率,但使输入信号的半个波 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。电路原理图如图2-4。 电路中T1和T2 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?。而当信号处 于负半周期时,则刚好相反,T2 承担放大任务,T1 截至,仍然有电 流通过负载?。这样,图2-4 所示基本互补对称电路实现了在静态 时管子不取电流,而在有信号时,T1 和T2 轮流导通。 图2-2 饱和失真观察:当将放大电路基极偏置电阻的阻值?1 置成较小值时,两放大电路工作点变高,接近饱和区。适当增大输入信号幅度时,则出现饱和失真,输出波形如图2-3 所示。其中上边波 形为NPN 管放大电路的输出波形,出现底部失真,下边波形为PNP 管放大电路的输出波形,出现顶部失真。 图2-3 2.1.3 双向失真分析及改善方案 当输入信号幅度过大时,有可能同时出现饱和失真和截止失真, 这种失真就是双向失真。不难看出,为避免产生这种失真,静态工作 应位于交流负载线的中点,并要求输入信号幅度不要过大。图2-4 由于三极管PN 结的压降,图2-4 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i?必须在?BE 大于某一数值(即门坎电压,NPN 硅管约为0.6V, PNP 锗管约为0. 2V) 放大电路失真现象的研究时才有显著变化。当?低于这个数值时,T1 和T2 都截至,?1 和?c2 基本为零,负载?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。交越失真现象图如图2-5 所示。 电源?c 来代替原来的+?c 的作用。