三极管非线性放大失真特性研究

董宇，王丽娜

(1.南京信息工程大学电子与信息工程学院，江苏南京，210044;2.南京信息工程大学人工智能学院,江苏南京,210044)

0 引言

三极管对信号的放大，使信号的幅值能够满足各种情况下的不同需求，但是由于三极管本身工作区的特性[1-3]，会导致在放大的过程中出现多种失真[4-6],并且三极管的放大特性在摄影、汽车工程等方面都有相关的应用[7-8]，本文以Multisim仿真电路[9]和实际搭建的硬件系统，为研究三极管非线性放大失真提供了直观准确而又高效的装置。

1 电路结构设计

电路结构设计如图1所示，电路有前级共射放大电路、顶部失真/底部失真/正常放大电路、双向失真放大电路、交越失真电路级联构成。输入信号经过前级共射放大电路后进入级联的多种失真放大电路。

图1 电路结构设计

电路性能指标：工作频率f0<2MHz。选取型号为2N2222的NPN型三极管作为主要研究失真三极管，其最大集电极电流ICM=800mV，集电极与发射极之间击穿电压UCEO= 30V，集电极与发射极之间的饱和电压UCES= 0.4V，截止电压UBES=1.3V，电流放大倍数β在30～300之间，集电极电源+5V，发射极电压-5V，输入信号的峰峰值为20mV，负载电阻为高阻。

1.1 前级共射放大电路设计

图1 所示的前级放大电路，集电极由电源提供+5V的导通电压，通过调整R（6即Rb）的大小来达到调整静态电流IC的大小，从而达到控制前级共射放大三极管所处的放大区域。

1.2 顶部失真/底部失真/正常放大电路、双向失真放大电路的设计

通过控制开关的闭合以及电位器不同的阻值，实现接入电路中不同的Rb阻值，进而达到控制稳态电流ICQ的大小，即三极管放大电路所处的不同放大区域，在调整到合适的放大倍数时，顶部失真电路需要将平衡点的位置下移接近截至区并使一部分波形在放大区，一部分位于截止区。底部失真需要将Q点的位置移向靠近饱和区并使一部分的波形在放大区，一部分位于饱和区。而正常输出需要稳定平衡点的位置，并且保证其波形全部处在晶体管的放大区。双向失真主要为，在控制平衡点位置处于放大区中间的同时，并使其放大后信号两端的波形均与饱和区和截止区有重叠的区域。

顶部失真/底部失真/正常波形ICQ：

双向失真静态工作点可参考上式计算。

1.3 交越失真电路的设计

为了得到交越失真的波形，我们采用了功率放大OCL电路。输入信号由前一级正常放大的输出提供，通过使用NPN和PNP两种三极管的工作特性，利用了三极管基极与发射极之间的饱和压降，实现了三极管输出交越失真波形。

2 电路控制与数据处理结构

本文所设计的装置利用了CD4053[9]来控制电路中开关的闭合，使用STM32单片机采集输出的信号[10]。通过LTC1068滤出输出失真信号各次谐波[11]，AD637测量得出各次谐波的有效值[12]，将有效值发送给单片机，并计算输出波形的THD的值来判断输出信号的放大失真程度，装置的电路控制与数据处理的功能结构如图2所示。

图2 电路控制与数据处理结构图

2.1 输出放大失真的自动化控制

CD4053具有开关的作用，本装置使用其作为自动控制电路各条通路的闭合，由此控制输出的不同放大失真的波形。其中CD4053的控制采用STM32单片机控制，最终实现自动切换输出波形，或者键盘控制输出波形的良好人机交互功能。

2.2 数据的采集与显示

输出波形先采用加法电路和等比例放大电路，让信号幅度范围处于单片机能检测的范围之内，显示在液晶屏上时，再将其从数值大小上做出放大和减法，保证显示与输出信号保持一致。并且输出波形在显示的时候可以通过键盘来控制时基、幅值范围以及显示波形的上下左右移动，使其完全具有示波器的功能。

2.3 失真程度THD的计算

信号的失真程度采用THD值来直观显示，计算THD的各次谐波的有效值由AD637检测LTC1068输出的各次谐波得到，然后将得出的各次谐波的数值发送给单片机计算并显示。

本装置THD公式计算共采5次谐波：

3 结果分析

THD的校正，由输入信号峰峰值为2Vpp、频率为1KHz的正弦波采用图3中的机械开关K1,K2直接输出给单片机，显示并计算其THD。由正弦信号的特点可知，其THD应为0，本装置测试结果为0.38%，考虑到误差的存在，可以确定校正达到预期效果。具体的实验硬件电路与其他测试结果如图3～图5。

图3

图4

图5

3.1 无明显失真

无明显失真输出需要稳定三极管工作时的静态工作点位置，并且保证其波形全部处在三极管的放大区范围内。考虑到三极管本身在作为放大器使用时就具有一定的失真存在，一般在THD值小于4%时，认为三极管工作在正常放大区，即如图3(b)所示，其THD为3.62%，所以此时三极管输出为无明显失真。

3.2 底部/顶部失真

底部失真如图4(a)，底部失真需要将静态工作点的位置移向饱和区并使放大后的波形一部分在放大区，一部分位于饱和区。由实验结果图可以看出此时THD为18.28%。

顶部失真如图4(b)，顶部失真电路需要将静态工作点的位置下移，使其接近截至区并保证一部分波形在放大区，一部分位于截止区。由实验结果图可以看出此时THD为18.41%。

3.3 双向/交越失真

双向失真如图5(a)，在控制静态平衡点位置处于放大区中间的同时，使其放大后信号两端的波形均与饱和区和截止区有重叠的区域。使得输出波形在顶部和底部都存在部分无法输出，由实验结果图可以看出此时THD为25.42%。

交越失真如图5(b)，利用了NPN和PNP三极管基极与发射极之间的饱和压降，实现了三极管的交越失真波形。由实验结果图可以看出此时THD为12.24%。

4 结语

本文利用三极管的放大特性并借助STM32单片机强大的控制和数据处理能力，开发了一个用于研究三极管非线性放大失真的全自动装置。该装置能实时显示输出波形的各次谐波有效值与失真程度THD值，完成了集控制输出、采集数据、数据处理和结果显示为一体化的高效研究装置。