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晶体管共射极单管放大器--模拟电路及晶闸管应用
发布时间：2017-06-15 点击次数：次
一．实验目的
1．学会放大器静态工作点的调试方法，分析静态工作点对放大器性能的影响。
2．掌握放大器电压放大倍数、输入电阻、输出电阻及最大不失真输出电压的测试方法。
3．熟悉常用电子仪器及电子技术实验台的使用。
二．实验原理
图4—1为电阻分压工作点稳定单管放大器实验电路图。它的偏置电路采用RB1和Rb2组成的分压电路，并在发射极中接有电阻RE，以稳定放大器的静态工作点。当在放大器的输入端加入输入信号ui后，在放大器的输出端便可得到一个与ui相位相反，幅值被放大了的输出信号uo，从而实现了电压放大。
图4—1
在图4—1电路中，当流过偏置电阻RB1 (Rb和电位器Rp的阻值)和Rb2 的电流远大于晶体管的基极电流IB时(一般5～10倍)，则它的静态工作点可用下式估算
电压放大倍数
输入电阻 ri =RB1//Rb2//rbe
输出电阻 ro » Rc
由于电子器件性能的分散性比较大，因此在设计和制作晶体管放大电路时，离不开测量和调试技术。在设计前应测量所用元器件的参数，为电路设计提供必要的依据，在完成设计和装配以后，还必须测量和调试放大器的静态工作点和各项性能指标。一个优质放大器，必定是理论设计与实验调整相结合的产物。因此，除了学习放大器的理论知识和设计方法外，还必须掌握必要的测量和调试技术。
放大器的测量和调试一般包括：放大器静态工作点的测量与调试，消除干扰与自激振荡及放大器各项动态参数的测量与调试等。
1．放大器静态工作点的测量与调试
1) 静态工作点的测量
测量放大器的静态工作点，应在输入信号ui =0的情况下进行，即将放大器输入端与地端短接，然后选用量程合适的直流毫安表和直流电压表，分别测量晶体管的集电极电流IC以及各电极对地的电位UB、UC和UE。一般实验中，为了避免断开集电极，所以采用测量电压，然后算出IC的方法，例如，只要测出UE，即可用IC » IE=
算出IC(也可根据IC=
，由UC确定IC)，同时也能算出UBE=UB-UE，UCE=UC-UE。为了减小误差，提高测量精度，应选用内阻较高的直流电压表。
2) 静态工作点的调试
静态工作点是否合适，对放大器的性能和输出波形都有很大影响。如工作点偏高，放大器在加入交流信号以后易产生饱和失真，此时uo的负半周将被削底，如图4-2(a)所示；如工作点偏低则易产生截止失真，即uo的正半周被缩顶(一般截止失真不如饱和失真明显)，如图4-2(b)所示。这些情况都不符合不失真放大的要求。所以在选定工作点以后还必须进行动态调试，即在放大器的输入端加入一定的ui，检查输出电压uo的大小和波形是否满足要求。如不满足，则应调节静态工作点的位置。
(a) (b) (c)
图4—2
改变电路参数UCC、RC、RB(RB1、Rb2)都会引起静态工作点的变化，如图2-3所示。但通常多采用调节偏电阻RB1的方法来改变静态工作点，如减小RB1，则可使静态工作点提高等。
图4—3
最后还要说明的是，上面所说的工作点“偏高”或“偏低”不是绝对的，应该是相对信号的幅度而言，如信号幅度很小，即使工作点较高或较低也不一定会出现失真。所以确切地说，产生波形失真是信号幅度与静态工作点设置配合不当所致。如需满足较大信号幅度的要求，静态工作点最好尽量靠近交流负载线的中点。
2．放大器动态指标测试
放大器动态指标测试有电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真输出电压(动态范围)和通频带等。
1) 电压放大倍数AV的测量
调整放大器到合适的静态工作点，然后加入输入电压ui，在输出电压uo不失真的情况下，用交流毫伏表测出ui和uo的有效值ui和uo，则
2)输入电阻的测量
为了测量放大器的输入电阻，按图4-4电路在被测放大器的输入端与信号源之间串入一已知电阻R，在放大器正常工作的情况下，用交流毫伏表测出Us和Ui，则根据输入电阻的定义可得
测量时应注意：
由于电阻R两端没有电路公共接地点，所以测量R两端电压UR时必须分别测出Us和Ui，然后接UR=Us—Ui求出UR值。
电阻R的值不易取得过大或过小，以免产生较大的测量误差，通常取R与ri为同一数量级为好，本实验可取R=1 KW～2 KW。
3) 输出电阻的测量
按图4—4电路，在放大器正常工作条件下，测出输出端不接负载RL的输出电压Uo和接入负载后的输出电压UL，根据
即可求出ro
在测试中应注意，必须保持RL接入前后输入信号的大小不变。
图4—4
4) 最大不失真输出电压Uopp的测试(最大动态范围)
如上所述，为了得到最大动态范围，应将静态工作点调在交流负载线的中点。为此在放大器正常工作情况下，逐步增大输入信号的幅度，并同时调节RP(改变静态工作点)，用示波器观察uo，当输出波形同时出现削底和缩顶现象时，说明静态工作点已调在交流负载线的中点。然后反复调整输入信号，使波形输出幅度最大，且无明显失真时，用交流毫伏表测出uo(有效值)，则动态范围等于2
Uo。或用示波器直接读出Uopp来。
5) 放大器频率特性的测量
放大器的频率特性是指放大器的电压放大倍数AV与输入信号频率f之间的关系曲线。单管阻容耦合放大电路的幅频特性曲线如图4—5所示，Avm为中频电压放大倍数，通常规定电压放大倍数随频率变化下降到中频放大倍数的1/倍，即0.707Aum所对应的频率分别称为下限频率fL和上限频率fH，则通频带
fBW=fH－fL
放大器的幅率特性就是测量不同频率信号时的电压放大倍数AV。为此，可采用前述测AV的方法，每改变一个信号频率，测量其相应的电压放大倍数，测量时应注意取点要恰当，在低频段与高频段应多测几点，在中频段可以少测几点。此外，在改变频率时，要保持输入信号的幅度不变。
图4—5 图4—6
三．实验设备与器件
1．万用表（自备）；
2．信号源；
3．示波器（自备）；
4．交流毫伏表；
5．直流电压表；
6．单管放大电路模块
四．实验内容
实验电路如图4—1所示。为防止干扰，各电子仪器的公共端必须连在一起，同时信号源、交流毫伏表和示波器的引线应采用专用电缆线或屏蔽线，如使用屏蔽线，则屏蔽线的外包金属网应接在公共接地端上。
1．测量静态工作点
接通电源前，先将RP调到最大，信号源输出旋钮旋至零。接通+12V电源，调节RP使IC=2.0mA(即UE=3.0V)，用数字电压表测量UB、UE、UC及用万用表测量Rb2值。记入表4—1中。
表4—1 Ic =2.0mA
2．测量电压放大倍数
在放大器输入端加入频率为1KHZ的正弦信号us，调节信号源的输出旋钮使Ui=15mV，同时用示波器观察放大器输出电压uo的波形，在波形不失真的条件下用交流毫伏表测量下述三种情况下的Uo值，并用示波器同时观察uo和ui的相位关系，把结果记入表4—2中。
表4 —2 Ic =2.0mA Ui = 15mV
3．观察静态工作点对电压放大倍数的影响
置Rc=3KW，RL=¥，ui适当，调节RP，用示波器监视输出的电压波形，在uo不失真的条件下，测量数组Ic和Uo值，记入表4—3中。
表4—3 Rc=3KW RL=¥ Ui= mV
测量Ic时，要先将信号源输出旋钮旋至零(即使Ui=0)。
4．观察静态工作点对输出波形失真的影响
置RC=3KW，RL=3KW，ui=0，调节RP使IC=2.0mA（可通过测量UE来估算IC）测出UCE值，再逐步加大输入信号，使输出电压uo足够大但不失真。然后保持输入信号不变，分别增大和减小RP，使波形出现失真，绘出uo的波形，并测出失真情况下的IC和UCE值，把结果计入表4—4中。每次测IC和UCE值时都要将信号源的输出旋钮旋至零。
表4—4 Rc=3KW RL=3KW Ui= mV
5．测量最大不失真输出电压
置RC=3KW，RL=3KW，按照实验原理(4)中所述方法，同时调节输入信号的幅度和电位器RP，用示波器和交流毫伏表测量Uopp及Uo，记入表4—5中。
表4—5 Rc=3K RL=3K
6．测量输入电阻和输出电阻
置RC=3KW，RL=3KW，IC=2.0mA。输入1KHZ正弦信号，在输出电压uo不失真的情况下，用交流毫伏表测出Us.Ui和UL记入表4—6中。
保持Us不变，断开RL，测量输出电压Uo，记入表4—6中。
表4—6 Ic=2mA Rc=3KW RL=3KW
7．测量幅频特性曲线
取Ic=2.0mA，RC=3KW，RL=3KW。保持输入信号ui或us的幅度不变，改变信号源频率f，逐点测出相应的输出电压Uo，记入表4—7中。
表4—7
为了频率f取值合适，可先粗测一下，找出中频范围，然后再仔细读数。
说明：本实验内容较多，读者可根据扩展板上给出的不同条件做进一步研究。其中6和7可作为选作内容。
五．实验报告
1．列表整理测量结果，并把实测的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻、输出电阻之值与理论计算值相比较(取一组数据进行比较)，分析产生误差原因。
2．总结Rc，RL及静态工作点对放大器电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的影响。
3．讨论静态工作点变化对放大器输出波形的影响。
4．分析讨论在调试过程中出现的问题。
六．预习要求
1．阅读教材中有关单管放大电路的内容并估算实验电路的性能指标。
假设：3DG6的b=100，RB1=20KW，RB2=60KW，RC=2.4KW，RL=2.4KW。
估算放大器的静态工作点，电压放大倍数AV，输入电阻ri和输出电阻ro。
2．了解放大器干扰和自激振荡消除的方法。
3．能否用数字电压表直接测量晶体管的UBE? 为什么实验中要采用测UB、UE，再间接算出UBE的方法?
4．怎样测量RB1阻值?
5．当调节偏置电阻RB1，使放大器输出波形出现饱和或截止失真时，晶体管的管压降UCE怎样变化?
6．改变静态工作点对放大器的输入电阻ri有否影响? 改变外接电阻RL对输出电阻ro有否影响?
7．在测试Av，ri和ro时怎样选择输入信号的大小和频率? 为什么信号频率一般选1KHZ，而不选100KHZ或更高?
8．测试中，如果将信号源、交流毫伏表、示波器中任一仪器的二个测试端子接线换位(即各仪器的接地端不再连在一起)，将会出现什么问题?
1．学会放大器静态工作点的调试方法，分析静态工作点对放大器性能的影响。
2．掌握放大器电压放大倍数、输入电阻、输出电阻及最大不失真输出电压的测试方法。
3．熟悉常用电子仪器及电子技术实验台的使用。
二．实验原理
图4—1为电阻分压工作点稳定单管放大器实验电路图。它的偏置电路采用RB1和Rb2组成的分压电路，并在发射极中接有电阻RE，以稳定放大器的静态工作点。当在放大器的输入端加入输入信号ui后，在放大器的输出端便可得到一个与ui相位相反，幅值被放大了的输出信号uo，从而实现了电压放大。
图4—1
在图4—1电路中，当流过偏置电阻RB1 (Rb和电位器Rp的阻值)和Rb2 的电流远大于晶体管的基极电流IB时(一般5～10倍)，则它的静态工作点可用下式估算
电压放大倍数
输入电阻 ri =RB1//Rb2//rbe
输出电阻 ro » Rc
由于电子器件性能的分散性比较大，因此在设计和制作晶体管放大电路时，离不开测量和调试技术。在设计前应测量所用元器件的参数，为电路设计提供必要的依据，在完成设计和装配以后，还必须测量和调试放大器的静态工作点和各项性能指标。一个优质放大器，必定是理论设计与实验调整相结合的产物。因此，除了学习放大器的理论知识和设计方法外，还必须掌握必要的测量和调试技术。
放大器的测量和调试一般包括：放大器静态工作点的测量与调试，消除干扰与自激振荡及放大器各项动态参数的测量与调试等。
1．放大器静态工作点的测量与调试
1) 静态工作点的测量
测量放大器的静态工作点，应在输入信号ui =0的情况下进行，即将放大器输入端与地端短接，然后选用量程合适的直流毫安表和直流电压表，分别测量晶体管的集电极电流IC以及各电极对地的电位UB、UC和UE。一般实验中，为了避免断开集电极，所以采用测量电压，然后算出IC的方法，例如，只要测出UE，即可用IC » IE=
算出IC(也可根据IC=，由UC确定IC)，同时也能算出UBE=UB-UE，UCE=UC-UE。为了减小误差，提高测量精度，应选用内阻较高的直流电压表。2) 静态工作点的调试
静态工作点是否合适，对放大器的性能和输出波形都有很大影响。如工作点偏高，放大器在加入交流信号以后易产生饱和失真，此时uo的负半周将被削底，如图4-2(a)所示；如工作点偏低则易产生截止失真，即uo的正半周被缩顶(一般截止失真不如饱和失真明显)，如图4-2(b)所示。这些情况都不符合不失真放大的要求。所以在选定工作点以后还必须进行动态调试，即在放大器的输入端加入一定的ui，检查输出电压uo的大小和波形是否满足要求。如不满足，则应调节静态工作点的位置。
(a) (b) (c)
图4—2
改变电路参数UCC、RC、RB(RB1、Rb2)都会引起静态工作点的变化，如图2-3所示。但通常多采用调节偏电阻RB1的方法来改变静态工作点，如减小RB1，则可使静态工作点提高等。
图4—3
最后还要说明的是，上面所说的工作点“偏高”或“偏低”不是绝对的，应该是相对信号的幅度而言，如信号幅度很小，即使工作点较高或较低也不一定会出现失真。所以确切地说，产生波形失真是信号幅度与静态工作点设置配合不当所致。如需满足较大信号幅度的要求，静态工作点最好尽量靠近交流负载线的中点。
2．放大器动态指标测试
放大器动态指标测试有电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真输出电压(动态范围)和通频带等。
1) 电压放大倍数AV的测量
调整放大器到合适的静态工作点，然后加入输入电压ui，在输出电压uo不失真的情况下，用交流毫伏表测出ui和uo的有效值ui和uo，则
2)输入电阻的测量
为了测量放大器的输入电阻，按图4-4电路在被测放大器的输入端与信号源之间串入一已知电阻R，在放大器正常工作的情况下，用交流毫伏表测出Us和Ui，则根据输入电阻的定义可得
测量时应注意：
由于电阻R两端没有电路公共接地点，所以测量R两端电压UR时必须分别测出Us和Ui，然后接UR=Us—Ui求出UR值。
电阻R的值不易取得过大或过小，以免产生较大的测量误差，通常取R与ri为同一数量级为好，本实验可取R=1 KW～2 KW。
3) 输出电阻的测量
按图4—4电路，在放大器正常工作条件下，测出输出端不接负载RL的输出电压Uo和接入负载后的输出电压UL，根据
即可求出ro
在测试中应注意，必须保持RL接入前后输入信号的大小不变。
图4—4
4) 最大不失真输出电压Uopp的测试(最大动态范围)
如上所述，为了得到最大动态范围，应将静态工作点调在交流负载线的中点。为此在放大器正常工作情况下，逐步增大输入信号的幅度，并同时调节RP(改变静态工作点)，用示波器观察uo，当输出波形同时出现削底和缩顶现象时，说明静态工作点已调在交流负载线的中点。然后反复调整输入信号，使波形输出幅度最大，且无明显失真时，用交流毫伏表测出uo(有效值)，则动态范围等于2
Uo。或用示波器直接读出Uopp来。5) 放大器频率特性的测量
放大器的频率特性是指放大器的电压放大倍数AV与输入信号频率f之间的关系曲线。单管阻容耦合放大电路的幅频特性曲线如图4—5所示，Avm为中频电压放大倍数，通常规定电压放大倍数随频率变化下降到中频放大倍数的1/
倍，即0.707Aum所对应的频率分别称为下限频率fL和上限频率fH，则通频带fBW=fH－fL
放大器的幅率特性就是测量不同频率信号时的电压放大倍数AV。为此，可采用前述测AV的方法，每改变一个信号频率，测量其相应的电压放大倍数，测量时应注意取点要恰当，在低频段与高频段应多测几点，在中频段可以少测几点。此外，在改变频率时，要保持输入信号的幅度不变。
图4—5 图4—6
三．实验设备与器件
1．万用表（自备）；
2．信号源；
3．示波器（自备）；
4．交流毫伏表；
5．直流电压表；
6．单管放大电路模块
四．实验内容
实验电路如图4—1所示。为防止干扰，各电子仪器的公共端必须连在一起，同时信号源、交流毫伏表和示波器的引线应采用专用电缆线或屏蔽线，如使用屏蔽线，则屏蔽线的外包金属网应接在公共接地端上。
1．测量静态工作点
接通电源前，先将RP调到最大，信号源输出旋钮旋至零。接通+12V电源，调节RP使IC=2.0mA(即UE=3.0V)，用数字电压表测量UB、UE、UC及用万用表测量Rb2值。记入表4—1中。
表4—1 Ic =2.0mA
| 测 量 值 | 计 算 值 | |||||
| UB(V) | UE(V) | UC(V) | RB2(KW) | UBE(V) | UCE(V) | IC(mA) |
在放大器输入端加入频率为1KHZ的正弦信号us，调节信号源的输出旋钮使Ui=15mV，同时用示波器观察放大器输出电压uo的波形，在波形不失真的条件下用交流毫伏表测量下述三种情况下的Uo值，并用示波器同时观察uo和ui的相位关系，把结果记入表4—2中。
表4 —2 Ic =2.0mA Ui = 15mV
| Rc(KW) | RL(KW) | Uo(V) | Av | 观察记录一组uo和ui波形 |
| 3 | ¥ | |||
| 3 | 3 | |||
| 3 | 1 |
置Rc=3KW，RL=¥，ui适当，调节RP，用示波器监视输出的电压波形，在uo不失真的条件下，测量数组Ic和Uo值，记入表4—3中。
表4—3 Rc=3KW RL=¥ Ui= mV
| Ic(mA) | |||||
| Uo(mV) | |||||
| Au |
4．观察静态工作点对输出波形失真的影响
置RC=3KW，RL=3KW，ui=0，调节RP使IC=2.0mA（可通过测量UE来估算IC）测出UCE值，再逐步加大输入信号，使输出电压uo足够大但不失真。然后保持输入信号不变，分别增大和减小RP，使波形出现失真，绘出uo的波形，并测出失真情况下的IC和UCE值，把结果计入表4—4中。每次测IC和UCE值时都要将信号源的输出旋钮旋至零。
表4—4 Rc=3KW RL=3KW Ui= mV
| Ic(mA) | UCE(V) | uo波形 | 失真情况 | 管子工作状态 |
置RC=3KW，RL=3KW，按照实验原理(4)中所述方法，同时调节输入信号的幅度和电位器RP，用示波器和交流毫伏表测量Uopp及Uo，记入表4—5中。
表4—5 Rc=3K RL=3K
| Ic(mA) | Ui (mV) | UO(V) | Uopp(V) |
置RC=3KW，RL=3KW，IC=2.0mA。输入1KHZ正弦信号，在输出电压uo不失真的情况下，用交流毫伏表测出Us.Ui和UL记入表4—6中。
保持Us不变，断开RL，测量输出电压Uo，记入表4—6中。
表4—6 Ic=2mA Rc=3KW RL=3KW
| Us(mV) | Ui(mV) | ri(KW) | UL(V) | Uo(V) | ro(KW) | ||
| 测量值 | 计算值 | 测量值 | 计算值 | ||||
取Ic=2.0mA，RC=3KW，RL=3KW。保持输入信号ui或us的幅度不变，改变信号源频率f，逐点测出相应的输出电压Uo，记入表4—7中。
表4—7
| fL | fO | fH | |||||||
| f(KHZ) | |||||||||
| Uo(V) | |||||||||
| Au=Uo/Ui | |||||||||
说明：本实验内容较多，读者可根据扩展板上给出的不同条件做进一步研究。其中6和7可作为选作内容。
五．实验报告
1．列表整理测量结果，并把实测的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻、输出电阻之值与理论计算值相比较(取一组数据进行比较)，分析产生误差原因。
2．总结Rc，RL及静态工作点对放大器电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的影响。
3．讨论静态工作点变化对放大器输出波形的影响。
4．分析讨论在调试过程中出现的问题。
六．预习要求
1．阅读教材中有关单管放大电路的内容并估算实验电路的性能指标。
假设：3DG6的b=100，RB1=20KW，RB2=60KW，RC=2.4KW，RL=2.4KW。
估算放大器的静态工作点，电压放大倍数AV，输入电阻ri和输出电阻ro。
2．了解放大器干扰和自激振荡消除的方法。
3．能否用数字电压表直接测量晶体管的UBE? 为什么实验中要采用测UB、UE，再间接算出UBE的方法?
4．怎样测量RB1阻值?
5．当调节偏置电阻RB1，使放大器输出波形出现饱和或截止失真时，晶体管的管压降UCE怎样变化?
6．改变静态工作点对放大器的输入电阻ri有否影响? 改变外接电阻RL对输出电阻ro有否影响?
7．在测试Av，ri和ro时怎样选择输入信号的大小和频率? 为什么信号频率一般选1KHZ，而不选100KHZ或更高?
8．测试中，如果将信号源、交流毫伏表、示波器中任一仪器的二个测试端子接线换位(即各仪器的接地端不再连在一起)，将会出现什么问题?
