单极管放大电路实验报告.doc

实验三晶体管单管共射放大电路实验报告

一、 实验目的：

1．学习电子线路安装、焊接技术。

2．学会放大器静态工作点的测量和调试方法，分析静态工作点对放大器性能的影响。

3．掌握放大器交流参数：电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真输出电压和频率特性的测试方法。

4．进一步熟悉常用电子仪器及模拟电路设备的使用方法和晶体管β值测试方法。

二、实验原理：

（一）实验电路

图3.1中为单管共射基本放大电路。

（二）理论计算公式：

① 直流参数计算：

② 交流参数计算：

（三）放大电路参数测试方法

由于半导体元件的参数具有一定的离散性，即便是同一型号的元件，其参数往往也有较大差异。设计和制作电路前，必须对使用的元器件参数有全面深入的了解。有些参数可以通过查阅元器件手册获得；而有些参数，如晶体管的各项有关参数（最重要的是β值），常常需要通过测试获取，为电路设计提供依据。另一方面，即便是经过精心设计和安装的放大电路，在制作完成后，也必须对静态工作点和一些交流参数进行测试和调节，才能使电路工作在最佳状态。一个优质的电子电路必定是理论设计和实验调试相结合的产物。因此，我们不但要学习电子电路的分析和设计方法，还应认真学习电子调节和测试的方法。

1． 放大器静态工作点的调试和测量：

晶体管的静态工作点对放大电路能否正常工作起着重要的作用。对安装好的晶体管放大电路必须进行静态工作点的测量和调试。

① 静态工作点的测量：

晶体管的静态工作点是指V_BEQ、I_BQ、V_CEQ、I_CQ四个参数的值。这四个参数都是直流量，所以应该使用万用电表的直流电压和直流电流档进行测量。

测量时，应该保持电路工作在“静态”，即输入电压V_i＝0。要使V_i=0，对于阻容耦合电路，由于存在输入隔直电容，所以信号源的内阻不会影响放大器的静态工作点，只要将测试用的信号发生器与待测放大器的输入端断开，即可使V_i=0；但是输入端开路很可能引入干扰信号，所以最好不要断开信号发生器，而是将信号发生器的“输出幅度”旋钮调节至“0”的位置，使V_i=0。对于直接耦合放大电路，由于信号源的内阻直接影响待测放大器的静态工作点，所以在测量静态工作点时必须将信号发生器连接在电路中，而将输出幅度调节至0。

在实验中，为了不破坏电路的真实工作状态，在测量电路的电流时，尽量不采用断开测点串入电流表的方式来测量，而是通过测量有关电压，然后换算出电流。在本实验中，只要测出V_BQ、V_CQ、VCC电压值，便可计算出V_BEQ、V_CEQ、I_CQ、I_BQ。计算公式如下（计算前，需知道R_B、R_C的值）：

式中：R_B= R₁+ RW

为减小测量误差，应选用内阻较高的直流电压表。（500型万用表的直流电压档内阻为20KΩ／V，数字万用表直流电压档的内阻为10MΩ。）

② 静态工作点的调节方法：

静态工作点的设置是否合适，对放大器的性能有很大的影响。静态工作点对放大器的“最大不失真输出幅值”和电压放大倍数有直接影响。当输入信号较大时，如果静态工作点设置过低，就容易产生截止失真（NPN管的输出波形为顶部失真。见图3.2（a））；如果静态工作点设置较高，就容易出现饱和失真（NPN管的输出波形为底部失真。见图3.2（b））。当静态工作点设置在交流负载线的中点时，如果出现失真，将是一种上下半周同时削峰的失真（见图3.2（c））。这时放大器有最大的不失真输出幅值。

因此，当放大器需要处理大信号时，应将静态工作点设置在交流负载线的中点；对于前置放大器，由于处理的信号幅度较小，不容易出现截幅现象，而应着重考虑放大器的噪声、增益、输入阻抗、稳定性等方面，所以一般设置静态工作点在交流负载线中点以下偏低位置。

调节静态工作点一般通过改变R_B的阻值来进行。若减小R_B的阻值，可使I_CQ增大，V_CEQ减小；增大R_B则作用相反。调节工作点前，应先用图解法根据交流负载线确定最佳工作点的值（I_CQ、V_CEQ），然后给待测放大器加电后，用万用表测量V_CEQ ，调节R_B，使V_CEQ达到设计值。必要时，需要在放大器输入端输入一定幅度的正弦信号，用示波器观察输出波形，并调节R_B，使输出信号的失真最小。实验中，为调节静态工作点方便，R_B采用了可变电阻RW（当然，如果改变VCC和其它元件的数值也会影响静态工作点，但都不如调节R_B方便）。实际应用电路中在Q点调节好后，将RW换为阻值相同的固定电阻。

2． 放大器动态指标测试：

本次实验中要测试的动态指标如下：电压放大倍数A_V、输入电阻R_i、输出电阻R_o、最大不失真输出幅值和通频带f_bw。实用放大电路常常还要测试谐波失真系数、噪声系数、灵敏度、最大不失真输出功率、电源效率等参数。这些参数也很重要，但限于实验课时限制，本次实验不进行测试。

① 电压放大倍数A_V的测量：

首先调节放大器静态工作点至规定值。

用低频信号发生器（XD22型）输出1KHz正弦波信号V_S，用屏蔽线将正弦波信号接至放大器的输入端（线路图中的A点和地之间，注意将屏蔽线的外层屏蔽网接地）。调节信号发生器输出幅度为规定值，用示波器（XJ4241型）观察输出电压V_O的波形，注意输出不应产生失真。如果存在失真，应再次检查静态工作点和电路元件的数值，这些方面都正确的话，应减小输入信号的幅值。

用电子管毫伏表（GB-9型）测量V _s、V _i、V _o，由下式计算：

图中V_i、V_s、V_o以电子管毫伏表测得，用示波器观察输出波形在不失真情况下测量。

② 输入电阻R_i的测量：

根据输入电阻的公式可知：

由于输入电流I_i 的直接测量比较困难（直接在输入端串入电流表测量I_i将对放大器引入较大的干扰信号），所以在测量 I_i时，采用了间接测量的方法。在电路输入端串入采样电阻R_S，用电子管毫伏计测量R_S两端的电压V_s和V_i ，由R_S上的电压降便可换算出输入电流I_i。公式如下：

根据V_i和I_i便可计算出R_i 。

③ 输出电阻R_O的测量：

根据输出电阻的公式可知：

式中： V_O’—负载电阻R_L开路时的输出电压（将图3.1中的C、D开路）

V_O —带负载输出电压，连接R_L后测得。

然后按公式计算R_O。

在上述测量过程中注意保持输入电压V_i的频率和幅值不变。

④ 最大不失真输出幅值的测量：（最大动态范围）

放大器的静态工作点确定之后，其“最大不失真输出幅值”就确定了，但由于Q点不一定是在交流负载线的中点，所以不一定是该电路能够达到的最大值。测试“最大不失真输出幅度”的电路接线同A_V的测试电路相同。在测量过程中，将输入信号V_S的幅值由小逐渐增大，并注意观测V_O的波形，当波形刚开始出现失真时，这时的输出电压V_O的幅度就是该电路对应当前工作点的“最大不失真输出幅度”。记录该波形和幅值，并注意首先出现的是“截止失真”还是“饱和失真”，可分析出静态工作点是偏低（首先出现截止失真）还是偏高（首先出现饱和失真）。参看图3.2的失真波形。为使电路能达到最大的不失真输出幅度，应该将静态工作点调节到交流负载线的中点。为此，应根据当前工作点情况，将Q点适当调高（Q点偏低时）或调低（Q点偏高时）。同时，逐步增大输入信号的幅度，用示波器监视输出波形，每当波形出现失真时，就根据失真情况微调RW，改变静态工作点，使失真消除。当波形上下半周同时出现削峰现象时，说明静态工作点已调节在交流负载线的中点上，用示波器测量最大不失真输出电压的幅值V_OP-P，或用电子管毫伏表测量最大不失真输出电压的有效值V_OM_有效。两者之间的关系为：

V_OP-P＝2V_OM_有效。

⑤

放大器频率特性的测量

放大器频率特性反映了放大器对不同频率输入信号的放大能力。放大器的频率特性用频率特性曲线来表示。频率特性曲线直观的反映出电压放大倍数A_V、附加相移ΔΦ与输入信号的频率f之间的关系。

单管阻容耦合放大器的频率特性曲线如图3.4所示。A_vm为中频（信号频率f₀=1KHz）电压放大倍数。当输入信号频率的变化时，电压放大倍数下降3dB（为中频放大倍数的≈0.707倍）时对应的频率分别称为下限截止频率和（f_L）和上限截止频率（f_H），并定义通频带f_bw为：

f_bw=f _H- f_L

由于放大器的A_V不能直接测得，而是测出V_i和V_o之后根据公式：计算而得，所以一般采用如下方法测量放大器的上、下限截止频率：

固定信号发生器的输出V_i的幅值不变，改变其输出频率，这时V_O的变化即代表了A_V的变化。先将信号发生器的频率设为1KHz，用示波器观察放大电路的输出波形不失真，测量这时示波器显示的输出幅值V_Omp或用毫伏表测量放大电路的输出有效值V_Om，在保证输出信号不失真的前提下，可微调信号发生器的输出幅度，使放大器的输出电压易于读数（指针指示某一整数值）。然后保持信号发生器的输出幅值不变，逐渐改变信号发生器的输出频率，记录对应该频率点的放大器输出电压V_O，当信号频率较低或较高时，V_O将下降。这时应减小每次的频率变化增量，仔细寻找使V_O=0.707V_Om时的频率值f ，该频率值就是f_L或f_H。为减少测量所用的时间，在中频段，因放大电路的输出电压有较宽的一段基本不变，所以调节频率可适当粗一些，而在放大器输出电压发生变化时，应多测几点，以保证测量的准确性。测试时，必须保证输入信号的幅值不变，只改变频率。所以应使用双踪示波器同时监视U_i和U_o ，当改变输入信号频率时，如果幅值有所改变，应调整信号发生器的输出幅值旋钮使U_i幅值与初始值相同。

⑥ 干扰和自激振荡的消除：参看附录。

三、实验内容：

实验电路如图3.1所示。先画出装配图，然后焊接电路。电路焊接好后，经检查无误，将实验电路与各电子仪器正确连接，再次检查无误后（特别要注意稳压电源的输出电压和极性、万用电表的量程），向下进行通电调试。为防止干扰，信号发生器、示波器、毫伏表的屏蔽线外层屏蔽网和稳压电源的负极应接在公共地线上。

（二）参数测试

1．测量静态工作点：

先将RW调至阻值最大位置，稳压电源输出调至12V，信号发生器的输出幅度调节为0 ，再接通电源。用万用表监视I_CQ（参看前面介绍测量I_CQ的方法），调节RW，使I_CQ=2mA（即V_CQ=6V），用数字万用表的直流电压档测量V_BQ、V_EQ、V_CQ，断开电源后，用电阻档测量R_B2,记入表3.1中。

表3.1 I_CQ=2mA

2．测量电压放大倍数：保持I_CQ= 2mA 不变

在放大器输入端加入频率为1000HZ的正弦信号V_S，调节低频信号发生器的输出幅度，使V_i=5mV，同时用示波器观察放大器输出电压V_O的波形，在保持波形不失真的条件下，用交流毫伏表测量下述两种情况下的V_O值，并用双踪示波器同时观察V_O和V_i的相位关系，并计算出A_V ，把结果记入表3.2。

表3.2 I_CQ=2mA V_i= 5 mV

记录V_i和V_o的波形。

3．观察静态工作点对电压放大倍数的影响

置R_C=3KΩ，R_L=∞，V_i适当（≈10mV），调节RW，用示波器监视输出电压波形，在V_O不失真的条件下，通过调节R_b改变I_CQ的值，测量I_CQ为1mA和3mA时V_O的值，记入表3.3 ，并计算出A_V ，与2mA的A_V值比较。

表3.3 R_C=3KΩ R_L=∞

测量I_CQ时，注意将低频信号发生器的输出幅度调到0 。

4．观察静态工作点对输出波形失真的影响

置R_C=3KΩ，R_L=3KΩ，V_i=0，调节RW使I_CQ=3mA，测出V_CEQ值，记入表3.4中。再逐步加大输入信号V_i，使输出幅值最大但不失真，然后保持输入信号幅值不变，分别增大和减小RW，使波形出现失真，画出V_O的波形，并测出失真情况下的I_CQ和V_CEQ值，把结果记入表3.4中。每次测I_CQ和V_CEQ时，注意应使输入信号为0。

表3.4 R_C=3KΩ R_L=∞ V_i= mV

6．测量输入电阻和输出电阻

置R_C=3KΩ，R_L=3KΩ，I_CQ=2mA。输入1KHZ正弦信号，在输出电压V_O不失真的情况下，用交流毫伏表测出V_s，V_i，和V_O，记入表3-6；然后，保持V_i不变，断开R_L，测得V_O，记入表3-6中，并计算得到R_i、R_o的计算值。表中的理论值是指根据电路图计算得到的值。计算时，r_bb’可取100Ω。