这个电路为何失真？

一、前言

前几天，在B站上的留言中，有电子爱好者询问了一个有趣的电路失真问题。他在留言中给出了实验电路图，展示了电路输出信号波形。询问后面的推挽放大电路，为何在功率放大 1MHz 信号的时候，会出现信号失真，幅度衰减。这的确是一个很好的问题。下面让我根据他的电路图，测试一下他所遇到的问题。

二、电路设计

电路中震荡信号的峰峰值为 5V，因此，电路工作电压应该在 5V 到 12V 之间。电路前级为电容三点式震荡电路，后级通过两个互补的晶体管组成推挽信号功率放大。由于该电路信号为 1MHz，所以出现信号失真的原因会有很多，包括器件的寄生电容、 负载不匹配等。

手工铺设测试电路板。利用一分钟制板方法 得到测试电路板。下面仅仅焊接推挽输出的电路，前面震荡电路不焊接，使用 DG1062 信号源来产生1MHz 的测试信号。

▲ 图1.2.1 实验电路原理图

▲ 图1.2.2 实验PCB电路板

三、电路测试

给电路提供 9V 工作电压，工作电流 95mA。下面测量 一下工作电流与电压之间的关系。

这是通过DH1766回读得到的电路工作电流大小，当工作电压超过1.2V之后，电流开始上升，随着电压的增加，工作电流近似比例上升。下面测试过程中，取工作电压为 9V。

▲ 图1.3.1 推挽电路工作电压与电流

  下面测量一下电路中各点的电压值，会发现输出电压出现了异常，并不是在电源电压的一半。仔细辨认之后，原来是下面这个偏执二极管焊反了。将他调整过来，再进行测试。

将二极管调整过来之后，可以看到工作电流降低到 0.4mA，输出的电压为 4.5V，这是电源电压的一半左右。前面测量电路的工作电压与电流的关系是错误的。使用 DG1062 产生1MHz的信号，接入电路，使用示波器查看电路的输入输出信号。上面是输入信号 峰峰值为 5V，下面是电路的输出信号，峰峰值略低。同时还有一定的相位落后。可以看到在输出开路的情况下，输出波形还是非常完美的，电压增益接近于 1。

▲ 图1.3.2 电路的输入输出信号

  下面给电路的输出增加一个电阻负载，使用这款可编程的 电阻箱提供不同阻值的负载。增加负载之后，似乎电路相位延迟现象得到了少许的改善。测量负载从  50Ω一直变化到 1000欧姆过程中，输出电压的变化。看到测量结果，有些问题还是比较奇怪的。也就是在负载电阻从 200 变化到 600Ω过程中，输出电压居然不是单调的。猜想有可能是因为线路存在着分布电感和电容造成的。具体原因不详。

▲ 图1.3.3 不同负载下输出电压

▲ 图1.3.4 1kHz下输入和输出信号

  为了验证这个猜想，将信号源的频率降低到 1kHz，你会发现，输出信号居然比输入信号相位提前了。后来想清楚了，这是因为耦合电容在输入电阻上提供的超前角度。重新测量不同负载电阻下对应的输出电压，这次好了。随着电阻的增加，输出电压单调上升。验证了前面的猜测。将电压除以负载电阻，可以绘制出不同输出电流对应的输出电压。在15mA 之前大体上呈现线性关系，根据斜率可以大体估算出这个推挽输出电路对应的内阻为 3欧姆左右。的确，推挽电路可以进行功率放大。

▲ 图1.3.5 1kHz下负载电阻与输出电压之间的关系

▲ 图1.3.6 输出电流与输出电压之间的关系

四、电路失真

最后讨论一下电路失真的问题。这是B站留言中，同学提到的问题。给电路增加一个 51欧姆的负载电阻。可以看到输出信号的确存在着失真，而且电压也小。无论是高频信号，还是低频信号，这种失真都相似。这说明电路输出电流能力不足 。猜测，这是因为输出电路偏置不足造成的。两个二极管提供的偏置电压，不足以让两个三极管得到充足的偏置电流。在电路静态测量的时候，电路静态工作电流仅仅只有 0.4mA。可以在二极管上再串联一个电阻，来提高电路的偏置电流。

▲ 图1.4.1 50Ω负载下产生的失真

  对测试电路进行修改，在两个二极管中间断开，增加一个可调电阻，查看对于电路的工作电流以及放大特性的影响。使用QR10电阻箱方便调整偏置电阻。下面进行初步测试。

这是在偏置电阻为 10欧姆的时候，1MHz 信号输出情况，上面有较大的失真。将偏置电阻调整到 2500欧姆，可以看到输出信号变小了，但失真也小了。降低信号的频率，能够看到，输出信号失真更小了。这说明偏置电流对于输出信号的失真有一定的改善作用。

最后，通过 QR10的编程，测量推挽电路的静态工作电流与偏置电阻之间的关系。偏置电阻从 10欧姆逐步变化到 2500欧姆，利用工作电源 DH1766读取电路的工作电流。从测量结果来看，偏置电阻与工作电流之间是一个单调上升的关系。

▲ 图1.4.2 偏置电阻与静态工作电流

※ 总  结 ※

本文讨论了同学留下的一个有趣的问题，通过实验测试了一个推挽放大电路，在空载下，电路输出电压波形非常好。但带动50欧姆电阻负载的时候，输出电压 出现了比较大的失真，通过增加偏置电阻，可以改善输出信号的失真。在高频信号放大电路中，也可以通过增加输出滤波电路，来减少输出信号的失真。