三極管非線性放大失真特性研究

董宇，王麗娜

(1.南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇南京，210044;2.南京信息工程大學(xué)人工智能學(xué)院,江蘇南京,210044)

0 引言

三極管對信號的放大，使信號的幅值能夠滿足各種情況下的不同需求，但是由于三極管本身工作區(qū)的特性[1-3]，會導(dǎo)致在放大的過程中出現(xiàn)多種失真[4-6],并且三極管的放大特性在攝影、汽車工程等方面都有相關(guān)的應(yīng)用[7-8]，本文以Multisim仿真電路[9]和實(shí)際搭建的硬件系統(tǒng)，為研究三極管非線性放大失真提供了直觀準(zhǔn)確而又高效的裝置。

1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，電路有前級共射放大電路、頂部失真/底部失真/正常放大電路、雙向失真放大電路、交越失真電路級聯(lián)構(gòu)成。輸入信號經(jīng)過前級共射放大電路后進(jìn)入級聯(lián)的多種失真放大電路。

圖1 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電路性能指標(biāo)：工作頻率f0<2MHz。選取型號為2N2222的NPN型三極管作為主要研究失真三極管，其最大集電極電流ICM=800mV，集電極與發(fā)射極之間擊穿電壓UCEO= 30V，集電極與發(fā)射極之間的飽和電壓UCES= 0.4V，截止電壓UBES=1.3V，電流放大倍數(shù)β在30～300之間，集電極電源+5V，發(fā)射極電壓-5V，輸入信號的峰峰值為20mV，負(fù)載電阻為高阻。

1.1 前級共射放大電路設(shè)計(jì)

圖1 所示的前級放大電路，集電極由電源提供+5V的導(dǎo)通電壓，通過調(diào)整R（6即Rb）的大小來達(dá)到調(diào)整靜態(tài)電流IC的大小，從而達(dá)到控制前級共射放大三極管所處的放大區(qū)域。

1.2 頂部失真/底部失真/正常放大電路、雙向失真放大電路的設(shè)計(jì)

通過控制開關(guān)的閉合以及電位器不同的阻值，實(shí)現(xiàn)接入電路中不同的Rb阻值，進(jìn)而達(dá)到控制穩(wěn)態(tài)電流ICQ的大小，即三極管放大電路所處的不同放大區(qū)域，在調(diào)整到合適的放大倍數(shù)時，頂部失真電路需要將平衡點(diǎn)的位置下移接近截至區(qū)并使一部分波形在放大區(qū)，一部分位于截止區(qū)。底部失真需要將Q點(diǎn)的位置移向靠近飽和區(qū)并使一部分的波形在放大區(qū)，一部分位于飽和區(qū)。而正常輸出需要穩(wěn)定平衡點(diǎn)的位置，并且保證其波形全部處在晶體管的放大區(qū)。雙向失真主要為，在控制平衡點(diǎn)位置處于放大區(qū)中間的同時，并使其放大后信號兩端的波形均與飽和區(qū)和截止區(qū)有重疊的區(qū)域。

頂部失真/底部失真/正常波形ICQ：

雙向失真靜態(tài)工作點(diǎn)可參考上式計(jì)算。

1.3 交越失真電路的設(shè)計(jì)

為了得到交越失真的波形，我們采用了功率放大OCL電路。輸入信號由前一級正常放大的輸出提供，通過使用NPN和PNP兩種三極管的工作特性，利用了三極管基極與發(fā)射極之間的飽和壓降，實(shí)現(xiàn)了三極管輸出交越失真波形。

2 電路控制與數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的裝置利用了CD4053[9]來控制電路中開關(guān)的閉合，使用STM32單片機(jī)采集輸出的信號[10]。通過LTC1068濾出輸出失真信號各次諧波[11]，AD637測量得出各次諧波的有效值[12]，將有效值發(fā)送給單片機(jī)，并計(jì)算輸出波形的THD的值來判斷輸出信號的放大失真程度，裝置的電路控制與數(shù)據(jù)處理的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電路控制與數(shù)據(jù)處理結(jié)構(gòu)圖

2.1 輸出放大失真的自動化控制

CD4053具有開關(guān)的作用，本裝置使用其作為自動控制電路各條通路的閉合，由此控制輸出的不同放大失真的波形。其中CD4053的控制采用STM32單片機(jī)控制，最終實(shí)現(xiàn)自動切換輸出波形，或者鍵盤控制輸出波形的良好人機(jī)交互功能。

2.2 數(shù)據(jù)的采集與顯示

輸出波形先采用加法電路和等比例放大電路，讓信號幅度范圍處于單片機(jī)能檢測的范圍之內(nèi)，顯示在液晶屏上時，再將其從數(shù)值大小上做出放大和減法，保證顯示與輸出信號保持一致。并且輸出波形在顯示的時候可以通過鍵盤來控制時基、幅值范圍以及顯示波形的上下左右移動，使其完全具有示波器的功能。

2.3 失真程度THD的計(jì)算

信號的失真程度采用THD值來直觀顯示，計(jì)算THD的各次諧波的有效值由AD637檢測LTC1068輸出的各次諧波得到，然后將得出的各次諧波的數(shù)值發(fā)送給單片機(jī)計(jì)算并顯示。

本裝置THD公式計(jì)算共采5次諧波：

3 結(jié)果分析

THD的校正，由輸入信號峰峰值為2Vpp、頻率為1KHz的正弦波采用圖3中的機(jī)械開關(guān)K1,K2直接輸出給單片機(jī)，顯示并計(jì)算其THD。由正弦信號的特點(diǎn)可知，其THD應(yīng)為0，本裝置測試結(jié)果為0.38%，考慮到誤差的存在，可以確定校正達(dá)到預(yù)期效果。具體的實(shí)驗(yàn)硬件電路與其他測試結(jié)果如圖3～圖5。

圖3

圖4

圖5

3.1 無明顯失真

無明顯失真輸出需要穩(wěn)定三極管工作時的靜態(tài)工作點(diǎn)位置，并且保證其波形全部處在三極管的放大區(qū)范圍內(nèi)?？紤]到三極管本身在作為放大器使用時就具有一定的失真存在，一般在THD值小于4%時，認(rèn)為三極管工作在正常放大區(qū)，即如圖3(b)所示，其THD為3.62%，所以此時三極管輸出為無明顯失真。

3.2 底部/頂部失真

底部失真如圖4(a)，底部失真需要將靜態(tài)工作點(diǎn)的位置移向飽和區(qū)并使放大后的波形一部分在放大區(qū)，一部分位于飽和區(qū)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖可以看出此時THD為18.28%。

頂部失真如圖4(b)，頂部失真電路需要將靜態(tài)工作點(diǎn)的位置下移，使其接近截至區(qū)并保證一部分波形在放大區(qū)，一部分位于截止區(qū)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖可以看出此時THD為18.41%。

3.3 雙向/交越失真

雙向失真如圖5(a)，在控制靜態(tài)平衡點(diǎn)位置處于放大區(qū)中間的同時，使其放大后信號兩端的波形均與飽和區(qū)和截止區(qū)有重疊的區(qū)域。使得輸出波形在頂部和底部都存在部分無法輸出，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖可以看出此時THD為25.42%。

交越失真如圖5(b)，利用了NPN和PNP三極管基極與發(fā)射極之間的飽和壓降，實(shí)現(xiàn)了三極管的交越失真波形。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖可以看出此時THD為12.24%。

4 結(jié)語

本文利用三極管的放大特性并借助STM32單片機(jī)強(qiáng)大的控制和數(shù)據(jù)處理能力，開發(fā)了一個用于研究三極管非線性放大失真的全自動裝置。該裝置能實(shí)時顯示輸出波形的各次諧波有效值與失真程度THD值，完成了集控制輸出、采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示為一體化的高效研究裝置。