三極管非線性放大失真特性研究

董宇，王麗娜

(1.南京信息工程大學電子與信息工程學院，江蘇南京，210044;2.南京信息工程大學人工智能學院,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的特性[1-3]，會導致在放大的過程中出現多種失真[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的應用[7-8]，本文以Multisim仿真電路[9]和實際搭建的硬件系統，為研究三極管非線性放大失真提供了直觀準確而又高效的裝置。

1 電路結構設計

電路結構設計如圖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、交越失真電路級聯構成。輸入信號經過前級共射放大電路后進入級聯的多種失真放大電路。

圖1 電路結構設計

電路性能指標：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，集電極與發射極之間擊穿電壓UCEO= 30V，集電極與發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β在30～300之間，集電極電源+5V，發射極電壓-5V，輸入信號的峰峰值為20mV，負載電阻為高阻。

1.1 前級共射放大電路設計

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

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計

通過控制開關的閉合以及電位器不同的阻值，實現接入電路中不同的Rb阻值，進而達到控制穩態電流ICQ的大小，即三極管放大電路所處的不同放大區域，在調整到合適的放大倍數時，頂部失真電路需要將平衡點的位置下移接近截至區并使一部分波形在放大區，一部分位于截止區。底部失真需要將Q點的位置移向靠近飽和區并使一部分的波形在放大區，一部分位于飽和區。而正常輸出需要穩定平衡點的位置，并且保證其波形全部處在晶體管的放大區。雙向失真主要為，在控制平衡點位置處于放大區中間的同時，并使其放大后信號兩端的波形均與飽和區和截止區有重疊的區域。

頂部失真/底部失真/正常波形ICQ：

雙向失真靜態工作點可參考上式計算。

1.3 交越失真電路的設計

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射極之間的飽和壓降，實現了三極管輸出交越失真波形。

2 電路控制與數據處理結構

本文所設計的裝置利用了CD4053[9]來控制電路中開關的閉合，使用STM32單片機采集輸出的信號[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]，將有效值發送給單片機，并計算輸出波形的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據處理的功能結構如圖2所示。

圖2 電路控制與數據處理結構圖

2.1 輸出放大失真的自動化控制

CD4053具有開關的作用，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單片機控制，最終實現自動切換輸出波形，或者鍵盤控制輸出波形的良好人機交互功能。

2.2 數據的采集與顯示

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能檢測的范圍之內，顯示在液晶屏上時，再將其從數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的計算

信號的失真程度采用THD值來直觀顯示，計算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值發送給單片機計算并顯示。

本裝置THD公式計算共采5次諧波：

3 結果分析

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中的機械開關K1,K2直接輸出給單片機，顯示并計算其THD。由正弦信號的特點可知，其THD應為0，本裝置測試結果為0.38%，考慮到誤差的存在，可以確定校正達到預期效果。具體的實驗硬件電路與其他測試結果如圖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定三極管工作時的靜態工作點位置，并且保證其波形全部處在三極管的放大區范圍內。考慮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，認為三極管工作在正常放大區，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工作點的位置移向飽和區并使放大后的波形一部分在放大區，一部分位于飽和區。由實驗結果圖可以看出此時THD為18.28%。

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

3.3 雙向/交越失真

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

交越失真如圖5(b)，利用了NPN和PNP三極管基極與發射極之間的飽和壓降，實現了三極管的交越失真波形。由實驗結果圖可以看出此時THD為12.24%。

4 結語

本文利用三極管的放大特性并借助STM32單片機強大的控制和數據處理能力，開發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、采集數據、數據處理和結果顯示為一體化的高效研究裝置。