這個(gè)電路為何失真？

一、前言

前幾天，在B站上的留言中，有電子愛好者詢問了一個(gè)有趣的電路失真問題。他在留言中給出了實(shí)驗(yàn)電路圖，展示了電路輸出信號(hào)波形。詢問后面的推挽放大電路，為何在功率放大 1MHz 信號(hào)的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)失真，幅度衰減。這的確是一個(gè)很好的問題。下面讓我根據(jù)他的電路圖，測(cè)試一下他所遇到的問題。

二、電路設(shè)計(jì)

電路中震蕩信號(hào)的峰峰值為 5V，因此，電路工作電壓應(yīng)該在 5V 到 12V 之間。電路前級(jí)為電容三點(diǎn)式震蕩電路，后級(jí)通過兩個(gè)互補(bǔ)的晶體管組成推挽信號(hào)功率放大。由于該電路信號(hào)為 1MHz，所以出現(xiàn)信號(hào)失真的原因會(huì)有很多，包括器件的寄生電容、 負(fù)載不匹配等。

手工鋪設(shè)測(cè)試電路板。利用一分鐘制板方法 得到測(cè)試電路板。下面僅僅焊接推挽輸出的電路，前面震蕩電路不焊接，使用 DG1062 信號(hào)源來產(chǎn)生1MHz 的測(cè)試信號(hào)。

▲ 圖1.2.1 實(shí)驗(yàn)電路原理圖

▲ 圖1.2.2 實(shí)驗(yàn)PCB電路板

三、電路測(cè)試

給電路提供 9V 工作電壓，工作電流 95mA。下面測(cè)量 一下工作電流與電壓之間的關(guān)系。

這是通過DH1766回讀得到的電路工作電流大小，當(dāng)工作電壓超過1.2V之后，電流開始上升，隨著電壓的增加，工作電流近似比例上升。下面測(cè)試過程中，取工作電壓為 9V。

▲ 圖1.3.1 推挽電路工作電壓與電流

??下面測(cè)量一下電路中各點(diǎn)的電壓值，會(huì)發(fā)現(xiàn)輸出電壓出現(xiàn)了異常，并不是在電源電壓的一半。仔細(xì)辨認(rèn)之后，原來是下面這個(gè)偏執(zhí)二極管焊反了。將他調(diào)整過來，再進(jìn)行測(cè)試。

將二極管調(diào)整過來之后，可以看到工作電流降低到 0.4mA，輸出的電壓為 4.5V，這是電源電壓的一半左右。前面測(cè)量電路的工作電壓與電流的關(guān)系是錯(cuò)誤的。使用 DG1062 產(chǎn)生1MHz的信號(hào)，接入電路，使用示波器查看電路的輸入輸出信號(hào)。上面是輸入信號(hào) 峰峰值為 5V，下面是電路的輸出信號(hào)，峰峰值略低。同時(shí)還有一定的相位落后。可以看到在輸出開路的情況下，輸出波形還是非常完美的，電壓增益接近于 1。

▲ 圖1.3.2 電路的輸入輸出信號(hào)

??下面給電路的輸出增加一個(gè)電阻負(fù)載，使用這款可編程的 電阻箱提供不同阻值的負(fù)載。增加負(fù)載之后，似乎電路相位延遲現(xiàn)象得到了少許的改善。測(cè)量負(fù)載從 ?50Ω一直變化到 1000歐姆過程中，輸出電壓的變化?？吹綔y(cè)量結(jié)果，有些問題還是比較奇怪的。也就是在負(fù)載電阻從 200 變化到 600Ω過程中，輸出電壓居然不是單調(diào)的。猜想有可能是因?yàn)榫€路存在著分布電感和電容造成的。具體原因不詳。

▲ 圖1.3.3 不同負(fù)載下輸出電壓

▲ 圖1.3.4 1kHz下輸入和輸出信號(hào)

??為了驗(yàn)證這個(gè)猜想，將信號(hào)源的頻率降低到 1kHz，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，輸出信號(hào)居然比輸入信號(hào)相位提前了。后來想清楚了，這是因?yàn)?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/501937.html">耦合電容在輸入電阻上提供的超前角度。重新測(cè)量不同負(fù)載電阻下對(duì)應(yīng)的輸出電壓，這次好了。隨著電阻的增加，輸出電壓?jiǎn)握{(diào)上升。驗(yàn)證了前面的猜測(cè)。將電壓除以負(fù)載電阻，可以繪制出不同輸出電流對(duì)應(yīng)的輸出電壓。在15mA 之前大體上呈現(xiàn)線性關(guān)系，根據(jù)斜率可以大體估算出這個(gè)推挽輸出電路對(duì)應(yīng)的內(nèi)阻為 3歐姆左右。的確，推挽電路可以進(jìn)行功率放大。

▲ 圖1.3.5 1kHz下負(fù)載電阻與輸出電壓之間的關(guān)系

▲ 圖1.3.6 輸出電流與輸出電壓之間的關(guān)系

四、電路失真

最后討論一下電路失真的問題。這是B站留言中，同學(xué)提到的問題。給電路增加一個(gè) 51歐姆的負(fù)載電阻。可以看到輸出信號(hào)的確存在著失真，而且電壓也小。無論是高頻信號(hào)，還是低頻信號(hào)，這種失真都相似。這說明電路輸出電流能力不足 。猜測(cè)，這是因?yàn)檩敵鲭娐菲貌蛔阍斐傻?。兩個(gè)二極管提供的偏置電壓，不足以讓兩個(gè)三極管得到充足的偏置電流。在電路靜態(tài)測(cè)量的時(shí)候，電路靜態(tài)工作電流僅僅只有 0.4mA。可以在二極管上再串聯(lián)一個(gè)電阻，來提高電路的偏置電流。

▲ 圖1.4.1 50Ω負(fù)載下產(chǎn)生的失真

??對(duì)測(cè)試電路進(jìn)行修改，在兩個(gè)二極管中間斷開，增加一個(gè)可調(diào)電阻，查看對(duì)于電路的工作電流以及放大特性的影響。使用QR10電阻箱方便調(diào)整偏置電阻。下面進(jìn)行初步測(cè)試。

這是在偏置電阻為 10歐姆的時(shí)候，1MHz 信號(hào)輸出情況，上面有較大的失真。將偏置電阻調(diào)整到 2500歐姆，可以看到輸出信號(hào)變小了，但失真也小了。降低信號(hào)的頻率，能夠看到，輸出信號(hào)失真更小了。這說明偏置電流對(duì)于輸出信號(hào)的失真有一定的改善作用。

最后，通過 QR10的編程，測(cè)量推挽電路的靜態(tài)工作電流與偏置電阻之間的關(guān)系。偏置電阻從 10歐姆逐步變化到 2500歐姆，利用工作電源 DH1766讀取電路的工作電流。從測(cè)量結(jié)果來看，偏置電阻與工作電流之間是一個(gè)單調(diào)上升的關(guān)系。

▲ 圖1.4.2 偏置電阻與靜態(tài)工作電流

※ 總??結(jié) ※

本文討論了同學(xué)留下的一個(gè)有趣的問題，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試了一個(gè)推挽放大電路，在空載下，電路輸出電壓波形非常好。但帶動(dòng)50歐姆電阻負(fù)載的時(shí)候，輸出電壓?出現(xiàn)了比較大的失真，通過增加偏置電阻，可以改善輸出信號(hào)的失真。在高頻信號(hào)放大電路中，也可以通過增加輸出濾波電路，來減少輸出信號(hào)的失真。