這個電路為何失真？

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有趣的電路失真問題。他在留言中給出了實驗電路圖，展示了電路輸出信號波形。詢問后面的推挽放大電路，為何在功率放大 1MHz 信號的時候，會出現(xiàn)信號失真，幅度衰減。這的確是一個很好的問題。下面讓我根據(jù)他的電路圖，測試一下他所遇到的問題。

二、電路設計

電路中震蕩信號的峰峰值為 5V，因此，電路工作電壓應該在 5V 到 12V 之間。電路前級為電容三點式震蕩電路，后級通過兩個互補的晶體管組成推挽信號功率放大。由于該電路信號為 1MHz，所以出現(xiàn)信號失真的原因會有很多，包括器件的寄生電容、 負載不匹配等。

手工鋪設測試電路板。利用一分鐘制板方法 得到測試電路板。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 信號源來產(chǎn)生1MHz 的測試信號。

▲ 圖1.2.1 實驗電路原理圖

▲ 圖1.2.2 實驗PCB電路板

三、電路測試

給電路提供 9V 工作電壓，工作電流 95mA。下面測量 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

??下面測量一下電路中各點的電壓值，會發(fā)現(xiàn)輸出電壓出現(xiàn)了異常，并不是在電源電壓的一半。仔細辨認之后，原來是下面這個偏執(zhí)二極管焊反了。將他調(diào)整過來，再進行測試。

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。前面測量電路的工作電壓與電流的關(guān)系是錯誤的。使用 DG1062 產(chǎn)生1MHz的信號，接入電路，使用示波器查看電路的輸入輸出信號。上面是輸入信號 峰峰值為 5V，下面是電路的輸出信號，峰峰值略低。同時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

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

▲ 圖1.3.3 不同負載下輸出電壓

▲ 圖1.3.4 1kHz下輸入和輸出信號

??為了驗證這個猜想，將信號源的頻率降低到 1kHz，你會發(fā)現(xiàn)，輸出信號居然比輸入信號相位提前了。后來想清楚了，這是因為耦合電容在輸入電阻上提供的超前角度。重新測量不同負載電阻下對應的輸出電壓，這次好了。隨著電阻的增加，輸出電壓單調(diào)上升。驗證了前面的猜測。將電壓除以負載電阻，可以繪制出不同輸出電流對應的輸出電壓。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推挽輸出電路對應的內(nèi)阻為 3歐姆左右。的確，推挽電路可以進行功率放大。

▲ 圖1.3.5 1kHz下負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，同學提到的問題。給電路增加一個 51歐姆的負載電阻?？梢钥吹捷敵鲂盘柕拇_存在著失真，而且電壓也小。無論是高頻信號，還是低頻信號，這種失真都相似。這說明電路輸出電流能力不足 。猜測，這是因為輸出電路偏置不足造成的。兩個二極管提供的偏置電壓，不足以讓兩個三極管得到充足的偏置電流。在電路靜態(tài)測量的時候，電路靜態(tài)工作電流僅僅只有 0.4mA?？梢栽诙O管上再串聯(lián)一個電阻，來提高電路的偏置電流。

▲ 圖1.4.1 50Ω負載下產(chǎn)生的失真

??對測試電路進行修改，在兩個二極管中間斷開，增加一個可調(diào)電阻，查看對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。下面進行初步測試。

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

最后，通過 QR10的編程，測量推挽電路的靜態(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。從測量結(jié)果來看，偏置電阻與工作電流之間是一個單調(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) ※

本文討論了同學留下的一個有趣的問題，通過實驗測試了一個推挽放大電路，在空載下，電路輸出電壓波形非常好。但帶動50歐姆電阻負載的時候，輸出電壓?出現(xiàn)了比較大的失真，通過增加偏置電阻，可以改善輸出信號的失真。在高頻信號放大電路中，也可以通過增加輸出濾波電路，來減少輸出信號的失真。