實驗三單級低頻放大電路(2013改)

1、實驗三 單級低頻放大電路1實驗?zāi)康模?）研究單管低頻小信號放大電路靜態(tài)工作點的意義。（2）掌握放大電路靜態(tài)工作點的調(diào)整與測量方法。（3）掌握放大電路主要性能指標(biāo)的測試方法。2實驗涉及的理論知識和實驗知識本實驗體現(xiàn)了三極管的工作原理、放大電路的靜態(tài)工作點調(diào)試方法以及放大器性能指標(biāo)的基本測試方法。3實驗儀器信號發(fā)生器、示波器、直流穩(wěn)壓電源、電壓表 4實驗電路實驗電路如圖3.1.1所示。圖中電位器RW是為調(diào)節(jié)晶體管靜態(tài)工作點而設(shè)置的。5. 實驗原理在電子系統(tǒng)中，放大電路是信號處理的基本電路。其作用是將微弱信號增強到所需要的數(shù)值，單級低頻放大電路是放大電路中最基本的結(jié)構(gòu)形式，是組成各種復(fù)雜電路的單元和

2、基礎(chǔ)。因此它的分析方法、電路調(diào)整技術(shù)以及參數(shù)的測量方法等具有普遍意義。實驗電路采用由NPN型硅材料三極管以及若干電阻、電容組成的共發(fā)射極放大電路，以圖3.1.1所示電路為例進(jìn)行研究。（1）電路組成原則放大是最基本的模擬信號處理功能，它是通過放大電路實現(xiàn)的，電子技術(shù)里的“放大”有兩方面的含義。一是能將微弱的電信號增強到所需要的數(shù)值，即放大電信號，以便于測量和使用。二是要求放大后的信號波形與放大前的波形的形狀相同，即信號不能失真，否則就會丟失要傳送的信息，失去了放大的意義。因此，電路組成原則是首先要給電路中的晶體管施加合適的直流偏置，即發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，使其工作在放大狀態(tài)，而且還要有一個合適

3、的工作電壓和電流，即合適的靜態(tài)工作點。其次要保證信號發(fā)生器、放大電路和負(fù)載之間信號能夠正常傳輸，即有ui時，應(yīng)該有輸出響應(yīng)uo。1）直流偏置原則圖3.1.1所示電路采用的是電阻分壓式偏置方法，通過基極偏置電阻RB1和RB2對UCC分壓，獲得晶體管的基極電壓UBQ，保證晶體管的發(fā)射結(jié)正偏。UCC是集電極電源，它通過RC加至晶體管的集電極，保證晶體管的集電結(jié)加反向電壓。在此基礎(chǔ)上，基極偏置電阻RB1、RB2以及集電極電阻RC取值得當(dāng)，與電源UCC配合，為晶體管設(shè)置合適的靜態(tài)工作點，使之工作于放大區(qū)。2） 對耦合電路的要求第一，信號發(fā)生器和負(fù)載接入放大電路時，不能影響晶體管的直流偏置。第二，在交流信

4、號的頻率范圍內(nèi)，耦合電路應(yīng)能使信號正常地傳輸。在電子電路中，起連接作用的電容器稱為耦合電容，圖3.1.1所示電路中的電容器C1和C2起耦合作用，只要電容器的容量足夠大，在信號頻率范圍內(nèi)的容抗足夠小，就可以保證信號幾乎毫無損失地傳輸。同時電容器對直流量的容抗無窮大，使信號發(fā)生器和負(fù)載不會影響放大電路的直流偏置?？梢?，耦合電容具有“隔直通交”的作用，利用電容這種特點連接電路的方式稱為阻容耦合。（2）負(fù)反饋電阻RE的作用圖3.1.1所示電路是一個典型的靜態(tài)工作點穩(wěn)定電路，為了穩(wěn)定靜態(tài)工作點，晶體管發(fā)射極接有電流取樣電阻RE，發(fā)射極電流IEQ通過RE轉(zhuǎn)換成發(fā)射極電壓UEQ。而基極電位幾乎取決于RB1和

5、RB2對UCC的分壓，與環(huán)境溫度無關(guān)，即當(dāng)溫度變化時，UBQ基本不變。當(dāng)溫度升高時，集電極電流IC增大，發(fā)射極電流IE必然相應(yīng)增大，因此發(fā)射極電壓UEQ隨之增大，因為UBQ不變，UBE=UBUE，所以UBE勢必減小，導(dǎo)致基極電流IB減小，IC隨之相應(yīng)減小。結(jié)果IC隨溫度升高而增大的部分幾乎被由于IB減小而減小的部分相抵消，IC將基本不變，實現(xiàn)了穩(wěn)定靜態(tài)工作點的目的。這種將輸出量（IC）通過一定的方式（利用RE將IC的變化轉(zhuǎn)化成電壓的變化）引回到輸入回路來影響輸入量（UBE）的措施稱為反饋。由于反饋的結(jié)果使輸出量變小，因此稱之為負(fù)反饋。又由于反饋出現(xiàn)在直流通路之中，故稱為直流負(fù)反饋。RE為負(fù)反饋

6、電阻。從理論上講，RE越大，反饋越強，Q點越穩(wěn)定。但實際上，對于一定的集電極電流IC，由于UCC的限制，RE太大會使晶體管進(jìn)入飽和區(qū)，電路將不能正常工作。（3）參數(shù)計算1）靜態(tài)工作點2）電壓放大倍數(shù)3）輸入電阻 4）輸出電阻（4）放大電路的兩種工作狀態(tài)由圖3.1.1可知，交流信號疊加在直流工作點上，交流量與直流量共存，這是放大電路的一個重要特點。分析時一般可以將直流（靜態(tài)）和交流（動態(tài)）分開處理。1） 靜態(tài)當(dāng)放大電路輸入信號為零時，晶體管的基極電流IBQ、集電極電流ICQ、b-e間電壓UBEQ和管壓降UCEQ稱為放大電路的靜態(tài)工作點。放大器的靜態(tài)工作點是由晶體管的參數(shù)和放大器的偏置電路共同決定

7、的。它的選取十分重要，影響到放大器的增益、失真及其它各個方面。調(diào)整靜態(tài)工作點調(diào)整的方法是在不加輸入信號的情況下，測量放大器的靜態(tài)工作點，并進(jìn)行必要的調(diào)整，使之工作于合適的工作點上。三極管的輸出特性曲線中有放大區(qū)、截止區(qū)和飽和區(qū)三個工作區(qū)。當(dāng)三極管做為開關(guān)管來使用時，應(yīng)使靜態(tài)工作點在截止區(qū)和飽和區(qū)之間快速轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)開關(guān)的功能。當(dāng)把它用在放大電路中時，靜態(tài)工作點應(yīng)處于放大區(qū)，并選取在放大區(qū)中交流負(fù)載線的中間位置，這樣才能使放大電路實現(xiàn)無失真的放大功能，并且輸出動態(tài)范圍最大。如果靜態(tài)工作點選取得過低或過高，都會使輸出產(chǎn)生失真。如果放大器的靜態(tài)工作點偏低，會使輸入信號電壓負(fù)半周的某部分進(jìn)入了晶體管的

8、截止區(qū)，使輸出電壓波形的“頂部被切掉”，這種現(xiàn)象稱為截止失真。如圖3.1.2所示。如果放大器的靜態(tài)工作點偏高，會使輸入信號電壓正半周的某部分進(jìn)入了晶體管的飽和區(qū)，使輸出電壓波形的“底部被切掉”，這種現(xiàn)象稱為飽和失真。如圖3.1.2所示。如果調(diào)試中發(fā)現(xiàn)輸出電壓波形的頂部和底部都被切掉，說明既有截止失真，又有飽和失真。這是由于輸入信號幅度太大引起的，只要適當(dāng)減小輸入信號的幅度即可消除。如果不允許減小輸入信號的幅度，就應(yīng)適當(dāng)增大電源電壓UCC，并重新調(diào)整靜態(tài)工作點，以擴大放大器的動態(tài)范圍，消除波形失真。電路參數(shù)對靜態(tài)工作點的影響靜態(tài)工作點的位置十分重要，而靜態(tài)工作點與電路參數(shù)有關(guān)。下面將分析電路參數(shù)

9、Rb、Rc、UCC對靜態(tài)工作點的影響。I. Rb對Q點的影響Rb的增減對Q點的影響如圖3.1.3（a）所示。RbIBQ工作點沿直流負(fù)載線下移RbIBQ工作點沿直流負(fù)載線上移IIRC對Q點的影響RC的變化，僅改變直流負(fù)載線的N點，即僅改變直流負(fù)載線的斜率。如圖3.1.3（b）所示。RCN點上升直流負(fù)載線變陡工作點沿ib=IBQ這一條特性曲線右移。RCN點下降直流負(fù)載線變平坦工作點沿ib=IBQ這一條特性曲線左移。IIIUCC對Q點的影響UCC的變化不僅影響IBQ，還影響直流負(fù)載線，因此，UCC對Q點的影響較復(fù)雜。如圖3.1.3（c）所示。UCCIBQMN直流負(fù)載線平行上移工作點向右上方移動。UC

10、CIBQMN直流負(fù)載線平行下移工作點向左下方移動。實際調(diào)試中，主要通過改變電阻Rb來改變靜態(tài)工作點，而很少通過改變UCC來改變靜態(tài)工作點。2）動態(tài)放大電路輸入信號不為零時的工作狀態(tài)稱為動態(tài)。動態(tài)時，電路中的直流電源和交流信號源同時存在，晶體管的uBE、uCE、iB和iC都是直流和交流分量疊加后的總量。放大電路的目的是放大交流信號，靜態(tài)工作點是電路能正常工作的基礎(chǔ)。三極管放大器的主要性能指標(biāo)有電壓放大倍數(shù)Au、最大輸出動態(tài)范圍Uo,max、輸入電阻Ri、輸出電阻Ro及通頻帶BW等。電壓放大倍數(shù)Au放大電路電壓放大倍數(shù)Au是指在輸出電壓波形不失真時，輸出電壓與輸入電壓之比，Au=uo/ui。它是直

11、接衡量放大電路電壓放大能力的重要指標(biāo)。電壓放大倍數(shù)的測量實質(zhì)上是測量放大電路的輸入電壓與輸出電壓，應(yīng)當(dāng)指出，在實測電壓放大倍數(shù)時，應(yīng)該用示波器觀察輸出端的電壓波形，只有在不失真的情況下，測試數(shù)據(jù)才有意義。 實驗中，可以用雙蹤示波器分別測量放大電路輸入端和輸出端的電壓峰峰值，然后再進(jìn)行計算。最大輸出動態(tài)范圍Uo,max最大輸出動態(tài)范圍Uo,max是指在調(diào)整好靜態(tài)工作點的條件下，當(dāng)輸入電壓再增大，就會使輸出波形產(chǎn)生非線性失真時的輸出電壓。測量方法如下。給放大電路輸入1kHz的正弦信號，慢慢增大輸入信號幅度，使之出現(xiàn)明顯失真，根據(jù)失真波形調(diào)整靜態(tài)工作點，使失真消失。繼續(xù)增大輸入信號幅度，再調(diào)整靜態(tài)工

12、作點，直到增大到輸入信號幅度出現(xiàn)截止和飽和失真。再減小輸入信號，使之剛好不失真，用示波器測量這時輸出電壓UoP-P，即放大電路輸出的最大線性動態(tài)范圍Uo,max。輸入電阻Ri放大電路與信號源相連就成為信號源的負(fù)載，必然從信號源索取電流，電流的大小表明放大電路對信號源的影響程度。輸入電阻Ri是指從放大電路輸入端看進(jìn)去的等效電阻。Ri越大，表明放大電路從信號源索取的電流越小，放大電路所得到的輸入電壓ui越接近信號源電壓us，換句話說放大電路能從信號源獲取較大電壓；反之若RiRs，放大電路從信號源吸收較大電流，放大電路從信號源得到的輸入電壓ui越?。蝗鬜i=Rs，則放大器從信號源獲取最大功率。輸入電

13、阻的測量可用輸入換算法方法來進(jìn)行。需要注意在實際測量中，輸入端接的電阻R不宜過大，否則容易引入干擾。但也不宜過小，會使測量誤差較大，最好取R與Ri在同一個數(shù)量級。測試輸入電阻Ri的接線如圖3.1.4所示。在被測放大電路前加一個電阻R，輸入正弦信號，用示波器分別測量R兩端對地的電壓us和ui。則為了減小測量誤差，一般取R接近Ri或?qū)換成一個可變電阻RW，調(diào)RW使，這時，Ri= RW。輸出電阻Ro任何放大電路的輸出都可以等效成一個有內(nèi)阻的電壓源，從放大電路輸出端看進(jìn)去的等效內(nèi)阻稱為輸出電阻Ro。輸出電阻的大小反映了放大器帶負(fù)載的能力。由于負(fù)載與輸出電阻具有串接的關(guān)系，Ro越小，帶負(fù)載的能力越強。

14、當(dāng)RoRL時，放大器可等效成一個恒壓源。測試輸出電阻Ro的接線如圖3.1.5所示。在被測放大電路后加一個負(fù)載電阻RL，輸入端加入正弦信號，用示波器分別測量空載時和加負(fù)載電阻RL時的輸出電壓uo和uL。則：在測量時要注意測量uo和uL時，輸入電壓ui應(yīng)保持一致，且大小適當(dāng)，保證在RL接入和斷開時輸出波形均不失真。且RL應(yīng)與Ro處于同一數(shù)量級。通頻帶BW 通頻帶用于衡量放大電路對不同頻率信號的放大能力。由于放大電路中電容和晶體管內(nèi)部PN結(jié)的結(jié)電容存在，在輸入信號頻率較低或較高時，放大倍數(shù)的數(shù)值會下降；而在中間頻帶范圍內(nèi)，輸出幅度基本不變。圖3.1.6所示為放大電路的增益與輸入信號頻率之間的關(guān)系曲線

15、。稱為放大電路的幅頻特性曲線。圖中Aum為中頻放大倍數(shù)。在信號頻率下降到一定程度時，放大倍數(shù)的數(shù)值明顯下降，使放大倍數(shù)的數(shù)值等于0.707倍Aum的頻率稱為下限截止頻率fL。信號頻率上升到一定程度，放大倍數(shù)數(shù)值也將減小，使放大倍數(shù)的數(shù)值等于0.707倍Aum的頻率稱為上限截止頻率fH。f小于fL的部分稱為放大電路的低頻段，f大于fH的部分稱為放大電路的高頻段，而fH與fL之間形成的頻帶稱為中頻段，也稱為放大電路的通頻帶BW。BW=fH fL通頻帶越寬，表明放大電路對不同頻率信號的適應(yīng)能力越強。對于擴音機，其通頻帶應(yīng)該寬于音頻（20Hz20kHz）范圍，才能完全不失真地放大聲音信號。在實用電路中

16、，有時也希望頻帶盡可能窄，如選頻放大電路，希望它只對單一頻率的信號放大，以避免干擾和噪聲的影響。幅頻特性及通頻帶通常有如下兩種測試方法。I逐點法（1）幅頻特性的測量在保持輸入信號大小不變的情況下，改變輸入信號頻率f，用示波器逐點測出輸出電壓uo。由Au=uo/ui計算對應(yīng)于不同頻率下放大器的電壓增益，按順序列表記錄，在坐標(biāo)紙上將得到的數(shù)據(jù)逐點描繪出頻率特性曲線，即該放大器增益的幅頻特性曲線。在圖中可以找出fH與fL，并計算通頻帶BW。（2）通頻帶BW的測量具體步驟如下。1）將信號發(fā)生器接入被測放大電部的輸入端，示波器接到被測放大電路的輸出端。2）調(diào)整輸入信號幅度，改變輸入信號頻率（約1kHz左

17、右），用示波器測量放大電路最大不失真輸出波形。3）保持輸入信號幅度不變，用示波器測量放大電路的最大不失真輸出波形幅度。4）增大輸入信號頻率，使放大電路的輸出電壓為最大值的0.707倍，測出此時的頻率fH。5）減小輸入信號頻率，使放大電路的輸出電壓為最大值的0.707倍，測出此時的頻率fL。6）計算BW=fH fL。在保持輸入信號大小不變的情況下，改變輸入信號頻率，用示波器逐點測出輸出電壓。按順序列表記錄，在坐標(biāo)紙上將所測數(shù)據(jù)逐點描繪出頻率特性曲線，找出fH與fL，計算通頻帶BW。II掃頻法利用掃頻儀直接在屏幕上顯示出放大器的Au f曲線，在屏幕顯示的曲線上測出通頻帶BW。6實驗內(nèi)容（1）單級低

18、頻放大電路的實驗參考電路如圖3.1.1所示。C1、C2和CE的極性不要接反。（2）測量并調(diào)試放大器的靜態(tài)工作點，研究電路參數(shù)RW、Rc、UCC的變化對靜態(tài)工作點的影響。實驗中對靜態(tài)工作點的測量可用示波器分別測量晶體管三個管腳的電位UB、UC、UE，然后再計算UBEQ、UCEQ。實際測量中，進(jìn)行電流測量時通常采用間接測量法，因此，測量集電極電流ICQ可以通過測量電壓來換算電流。例如，只要測出UC，可由ICQ =（UCC - UC）/RC，算出ICQ。用這種方法測量電流，不僅可以不用變動被測電路，而且還消除了由于反復(fù)拆裝線路導(dǎo)致發(fā)生故障的可能。1）RW對靜態(tài)工作點的影響：調(diào)節(jié)RW和輸入信號，使放大

19、器的靜態(tài)工作點為最佳狀態(tài)（即當(dāng)輸入信號幅度增大時，輸出波形同時出現(xiàn)飽和與截止失真）。撤去信號發(fā)生器，用示波器測量UBQ、UCQ、UEQ，并計算出ICQ。將信號發(fā)生器重新連入放大器輸入端，且保持輸入信號不變。將RW增大，觀察并記錄波形。撤去信號發(fā)生器，示波器測量UBQ、UCQ、UEQ，計算出ICQ，并根據(jù)波形和數(shù)據(jù)判斷出失真類型。將信號發(fā)生器再次連入放大器輸入端，且保持輸入信號不變。將RW減小，觀察并記錄波形。撤去信號發(fā)生器，用示波器測量UBQ、UCQ、UEQ，計算出ICQ，并根據(jù)波形和數(shù)據(jù)判斷出失真類型。2）集電極電阻Rc對靜態(tài)工作點的影響：將輸入信號接入放大器，在集電極電阻Rc上并聯(lián)Rc，R

20、c=Rc=2k，觀察并記錄輸出波形。撤去信號發(fā)生器，用示波器測量UBQ、UCQ、UEQ，并計算出ICQ。將此情況與無Rc時比較。測試后仍將Rc斷開，恢復(fù)電路原狀。3）電源電壓UCC對靜態(tài)工作點的影響將輸入信號接入放大器，再將UCC由+12V減至+7V，或增加至+15V，觀察并記錄輸出波形。撤去信號發(fā)生器，用示波器分別測量UBQ、UCQ、UEQ，并計算ICQ。將此情況與UCC=+12V時比較，測試后將UCC恢復(fù)為+12V。（3）測量放大器的性能指標(biāo)1）放大器增益的測量將1kHz的正弦輸入信號接入放大器，用示波器觀察輸出電壓波形，在波形沒有出現(xiàn)失真的情況下，改變負(fù)載，分別令RL=2k、RL=15k和輸出開路三種情況下，測量放大器輸入和輸出電壓，計算放大器增益Au。2）最大輸出動態(tài)范圍在測量電壓放大倍數(shù)的基礎(chǔ)上，逐漸增加輸入信號幅值，同時觀察輸出波形，當(dāng)輸出波形剛出現(xiàn)失真時的Uo即為Uo,max。3）放大器輸入電阻的測量用輸入換算法測量輸入電阻。輸入信號不變，在放大器輸入回路串入與輸入電阻為同一數(shù)量級的電阻R，用示波器分別測量R兩端對地的電壓us和ui。則4）放大器輸出電阻的測量用輸出換算法測量輸出電阻。負(fù)載電阻RL=2k，