放大器非線性失真研究裝置

（西華大學，四川 成都 610039）

1 方案設計

1.1 理論分析及芯片選用依據

本系統需要以下幾種功能芯片：運算放大器、微型單片機、A/D 轉換器、穩壓芯片。

其中選擇OPA2227 是因為它是一款兼具低噪聲、寬帶寬和高精度等特性的運算放大器，因此是同時需要交流和精密直流性能應用的理想選擇。OPA2227 具有穩定的單位增益并具有高壓擺率(2.3V/μs)和寬帶寬(8MHz)。它針對5倍或更大的閉環增益進行了優化，并提供更高的速度以及10V/μs 壓擺率和33MHz 帶寬。

LM7812 與LM7912 是三端穩壓集成電路IC 芯片元器件，適用于各種電源穩壓電路，輸出穩定性好、使用方便、輸出過流、過熱自動保護。LM7812 是正電壓輸出而LM7912是負電壓輸出。三端穩壓管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件。穩壓管在反向擊穿時，在一定的電流范圍內(或者說在一定功率損耗范圍內)，端電壓幾乎不變，表現出穩壓特性，因而廣泛應用于穩壓電源與限幅電路之中。LM7812 這樣的三端穩壓器都有一個所謂“壓損”的問題，也就是穩壓時所導致的輸入電壓與輸出電壓的落差值(穩壓損耗)，一般的壓損是2.5V，如果要想得到12V 穩壓值，必須使輸入電壓高于12+壓損，至少得有14.5V 以上才行，輸入電壓范圍是14.5-35V。低于12V 的不能用LM7812 達到12V。

LM317 與LM337 用于穩壓電路。是應用最為廣泛的電源集成電路之一，它不僅具有固定式三端穩壓電路的最簡單形式，又具備輸出電壓可調的特點。此外，還具有調壓范圍寬、穩壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高等優點。LM317 是可調節三端正電壓穩壓器，在輸出電壓范圍1.2V 到37V 時能夠提供超過1.5A 的電流，此穩壓器非常易于使用。

微型單片機[1]使用的是C51 單片機。MSC-51 單片機指以8051 為核心的單片機，由美國的Intel 公司在1980 年推出，80C51 是MCS-51 系列中的一個典型品種；其它廠商以8051為基核開發出的CMOS 工藝單片機產品統稱為80C51 系列。

1.2 設計方案論證

分析可知，放大器非線性失真研究裝置系統主要包括：電源電路、穩壓電路、控制電路、幾種放大失真電路、衰減電路、采樣電路。設計重點主要在幾種放大失真電路，方案論證主要圍繞這個部分展開。

1.2.1 放大失真電路

幾種放大失真電路是我們研究的主題。它決定了輸出波形是否能達到要求。不同的失真電路都有所不同，參數的選擇決定了輸出波形是何種失真。

方案一：先用三極管進行放大后再使用晶體管中的二極管做一個限幅電路。此方案簡單但不能達到我們的研究要求。我們要研究放大器的非線性失真，就要通過調節靜態工作點來調節其失真。

方案二：便是通過三級放大器級聯，通過短接帽調節基極電阻來調節靜態工作點。電路簡單，布線少，在電路中的損失和噪聲就少。但參數調節只能手動調節。

方案三：是選擇分別畫出每個失真電路，通過單片機控制開關切換電路來顯示不同的失真波形。電路板雖多，但其互不干擾，能夠直觀看到其結果。且多數電路直接使用單級放大器便能達到其失真要求。但連線多會造成一些噪聲，讓輸出波形沒有那么平滑。

2 系統實現

2.1 系統框圖（如圖1 所示）

2.2 主要單元電路設計

2.2.1 放大電路

本電路采用共射級放大電路，電路如圖2 所示。

集電極電源VCC為輸出信號提供能源，并使發射結處于正偏、集電結反偏。而集電極電阻RL將電流的變化轉換為電壓的變化實現電壓放大的作用。基極電阻Rb1、Rb2改變靜態工作點，耦合電容C1、C2起隔直通交的作用。

圖1

圖2 共射級放大電路

當靜態工作點Q 合適時，輸出無明顯失真。如果靜態工作點的位置選得較低，容易造成實際工作點進入三極管的截止區，即底部失真。而當靜態工作點的位置選得較高時，很容易造成實際工作點進入三極管的飽和區，即頂部失真。

而雙向失真，是在靜態工作點合適時，輸入信號幅值較大時形成的。因此需要將兩個共射級放大電路級聯，增大輸入信號。而電壓增益為AV=AV1·AV2。靜態工作點Q 通過調節基極電阻Rb1與Rb2的比值來調節基極電流iB的。

交越失真電路分析[2]：分析電路時把三極管的導通電壓看作零，當輸入電壓較低時，因三極管截止而產生的失真就是交越失真。晶體管的門限電壓不為零，比如NPN 型的硅三極管在0.7V 以上才導通。輸入交流的正弦波時，在-0.7～0.7V 之間兩個管子都不能導通，輸出波形即造成交越失真。

2.2.2 衰減電路

由于前面的輸出電壓較大，A/D 采樣的峰值為5V，必須將輸出電壓衰減后進行采樣。用OPA2227 運算放大器構成一個-20dB 的衰減電路。只有在此條件下，才能將輸出電壓進行有效的采樣。

2.2.3 電源供給電路

本測試儀供給電路采用變壓器降壓，在采用濾波降直在采用穩壓芯片LM317、LM337、LM7812、LM7912 進行穩壓，再來給單片機和其他放大器電路供電。

2.3 主回路器件的選擇及其參數計算

2.3.1 三極管的選擇

由題可知，要將峰峰值為20 mV 的正弦波輸出，輸出后的UO峰峰值要大于2V，因此增益AV要達到100。

要求電路增益較高因此要利用共射級放大電路，并且要在Re 并入電容由此盡量擴大增益，由公式AV=-βR'L/rbe可知，要采用單級放大電路，就要盡量選擇β 大的三極管[3]，因此放大電路的三極管選擇了2N3904。2N3904 的β 大約在350 左右，可達到題目的放大效果。

2.3.2 電阻的參數計算

在不同的放大失真電路中，電阻的大小決定了電路的Q點即決定是何種失真和失真電路的電壓增益AV。

共射級的動態參數計算如下：

而靜態工作點Q 的計算如下：

第二級的輸入電阻等于第一級放大電路的輸入電阻。下表1-表5 是各個放大電路的電阻參數。

表1 無明顯失真電路電阻參數

表2 頂部失真電路電阻參數

表3 底部失真電路電阻參數

表4 雙向失真電路電阻參數

表5 交越失真電路電阻參數

3 軟件設計

繼電器與單片機相連，通過單片機控制繼電器開關。使用串口屏向單片機發送指令，來控制電路的選擇。

通過串口屏控制單片機進行A/D 采樣。采樣的頻率至少為輸入波形頻率的2 倍，即為f_s=2kHz。將采樣的頻率存在單片機中，運用歐拉公式把復數拆分成實部和虛部。對每一個點的實部和虛部分別求和，進行DFT 計算。通過變換得到前五級的諧波振幅，將計算出的THD 顯示在串口屏上。

4 系統測試

4.1 測試儀器

4.2 測試方案及數據

4.2.1 放大電路測試

使用單片機控制繼電器切換電路，輸入頻率為1kHz，峰峰值為20 mV 的正弦波。通過雙蹤示波器觀察其波形和幅值，在計算出電壓增益A_v，記錄在表6 中。

表6 放大器電壓增益

4.2.2 衰減電路測試

將上級放大電路的信號輸入衰減電路中，通過雙蹤示波器觀察其波形和幅值，在計算出電壓衰減的倍數，記錄在表7 中。

表7 衰減電路測試數據

5 結果及性能分析

5.1 結果分析

由上面測試可得，電路基本達到了預期目標，經過電源供電穩壓后，輸出波形放大倍數達到了預期目標200 倍且遠遠超過。衰減后的最大電壓小于5V，最小電壓大于0V，能夠被A/D 采樣器采集，并且能被單片機進行采集運算。

5.2 方案的優化及改進

電路的搭建存在一些問題，將多塊電路板搭在一起時會存在一定的噪聲，以至最后的調試花費了太多的時間。后期可以將多個電路合成一個電路進行制板，DFT 運算可以使用內存更大的STM32 單片機[4]，其內部的A/D 采樣頻率更快更精準，其運算結果也更精確。

6 總結

從搭建仿真電路，到搭建實物電路、軟件程序調試，再到最后的組裝，中途遇到了很多的困難。實踐是對理論的運用。當實際動手操作時，才明白簡單的理論知識都是那么不簡單。

本次設計中，我們基本達到了對放大器非線性失真的研究，也加深了對三極管放大器的研究與理解。與此同時，也提高了我們解決問題的能力，提高了團隊合作的能力。當然我們也存在很多不足的地方，希望在今后的實踐過程中做得更好。