实验三单管低频放大器的设计与测试

实验三 单管低频放大器的设计与测试

一．实验目的

1．学会测试和调整放大器的静态工作点，了解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、频率特性、动态范围等的测试方法。

3．学会根据给定的技术指标设计单管低频放大器。

4．定性了解负载和静态工作点对放大器输出波形的影响。

二、实验原理

单管低频放大器能将频率为几个赫兹到几百千赫兹的频率信号进行不失真的放大，是放大器中最基本的放大器。典型的工作点固定的阻容耦合单管低频放大器如所示图3－1：

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图 3－1

该电路采用RB1、RB2分压作为三极管的基极偏置，并在发射极回路接入直流负反馈电阻RE，以稳定放大器的静态工作点。

当流过RB1和RB2的电流远大于三极管基极电流IB时（一般为IB的5～10倍），则静态工作点可由下式估算：

IE＝(VB－VBE(on)) / RE ≈IC

VCE＝VCC － IC（RC＋RE）

电压放大倍数为：AV ＝＝＝＝

输入电阻为：Ri＝RB1//RB2//rbe，rbe ＝（1＋）re ＝＝；VT ＝26mV（T＝300K）

输出电阻为：R0≈RC

1. 低频放大器的设计

对给定技术指标，如负载电阻RL、中频电压增益Avm、输出电压动态范围Vom、上限频率fh，下限频率fL等要求的放大器设计，可按如下步骤进行：

（1）选定电路方案

选定如图3－1所示工作点固定的阻容耦合单管放大器电路。

（2）选择三极管，确定值

硅管的温度稳定性比锗管好，NPN型采用正电源供电，符合使用习惯，所以尽可能多采用NPN型硅三极管。

三极管的值不适宜过大，一般选＝60～150的管子便可。小功率单管放大器采用国产的3DG系列或者韩国产的9014等三极管均可满足要求。

（3）根据输出信号的动态范围和射极电压VE确定电源电压VCC。

VE的选取： VE＝3～5V（硅管） VE＝1～3V（锗管）

则电源VCC应满足：VCC﹥（1.5～2）×（2 Vom﹢VCES）+ VE，

其中，Vom为输出信号的动态范围，VCES为三极管饱和压降，一般小于1V，计算时取1V。

VCC可选取的规格有：4V、5V、6V、9V、12V、15V等。

（4）确定静态工作点

为确保电压放大倍数AV的要求，应选择合适的静态工作点，在单管放大器中，一般选取：

ICQ＝0.5～2mA；VCEQ＝2～3V

（5）选定RC

RC对电压放大倍数AV，动态范围Vom，通频带fbw都有影响，可根据主要指标来选定。在单管放大器中，因为 AV＝R'L / rbe ，即R'L＝AV rbe / ，而R'L＝RC // RL ，

所以RC＝＝，其中，rb e＝（1＋）re＝（1＋）VT /IEQ ＝ VT /ICQ

（6）根据工作点和温度稳定性的要求计算偏置电阻RE、RB1、RB2。

在选取偏置元件时，必须首先满足静态工作点稳定条件，同时又兼顾电路其它性能。

RE越大，ICQ直流电流负反馈作用越强，放大电路的温度和工作点稳定性越好，但同时当VCC为定值时，将使管压降VCE降低，缩小放大器的动态范围。

RB1、RB2越小，流过RB1、RB2的直流电流IR＞＞IB，则VB越稳定。但是RB1、RB2太小又会增加损耗。为兼顾二者，通常取：IR＝（5～10）IBQ，其中IBQ ＝ ICQ / ; VB＝VE＋VBE(on) ；由图3－1分析可得：

VB＝，IE ＝VE / RE ；

当选定IR和VB 后，即可计算出：RB1 ＝（VCC －VB）/ IR ；RB2 ＝VB / IR ；RE＝VE / IEQ ≈VE / ICQ 。

（7）耦合电容C1、C2和旁路电容CE。

C1、C2、CE越大越好，但是过大时漏电流将变大，会破坏电容隔直作用或影响VEQ的稳定，所以一般C1、C2取5～20uF，CE取50～200uF。

（8）较核

根据AV＝＝以及VCC＝2 V0m＋VCES＋ICQ（RE ＋ RC）来验算一下AV、 VCC是否满足指标要求，如果不满足，改变电路参数再计算。

（9）在电路图中将计算好的电阻、电容、三极管型号、参数全部标上，并检测元器件，然后按图连接，通电调试直至放大器的性能指标达到给定要求。

放大器的测量和调试一般包括静态工作点测量与调试，噪声抑制与自激消除（详见附录八）以及各项动态参数的测量与调试。

2. 放大器静态工作点的测量

输入端不输入信号，并且将输入端对地短路（相当于Vi=0），接通直流电源，使用万用表直流电压档测量三极管各极对地电压VB、VE、VC然后计算VBE＝VB－VE，VCE＝VC－VE，IE ＝VE /RE≈IC。

假如测得VC＝VCC或VE＝0，则说明IC＝0，三极管工作在截至状态、又假测得VCE＜1V，则说明IC太大，使RC上压降太大，三极管处于饱和导通状态。这两种状态都不符合正常放大要求，需要调节RB1改变IB，以达到调节IC和VCE的目的。

3．放大器静态工作点的调试

放大器静态工作点的调试就是对三极管集电极电流IC（或管压降VCE）的调整与测试。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的影响。例如，当工作点偏高（此时，VCE偏小、IC偏大）。放大器在输入交流信号后容易产生饱和失真，输出波形的负半周将被削去底部，如图3－2（a）所示。当工作点偏低（此时，VCE偏大，IC偏小），容易产生截止失真，输出波形的正半周顶部将被压缩，如图3－2（b）所示。

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图3－2 静态工作点对输出波形失真的影响

4. 电压放大器倍数的测量

电压的放大倍数AV是指放大器在输出波形无失真的条件下，输出、输入电压的有效值（或峰值）之比：

AV＝V0/Vi，

其中，V0、Vi的有有效值可用交流毫伏表测量，而V0、Vi的峰值则可用示波器测量。Vi是低频信号发生器输出的正弦波信号，测量放大器性能时常用1kHz正弦波信号。

5. 输入电阻的测量

如图3—3所示，为了测量放大器的输入电阻Ri ，可在放大器的输入端与信号源之间串入一个电阻R，在放

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图3－3放大器输入、输出电阻测量电路

大器正常工作条件下，保持低频信号发生器的输出不变，用交流毫伏表测量信号源电压VS和放大器输入电压Vi，则根据输入电阻Ri的定义可得：

Ri ＝Vi / ii ＝Vi / (VR/R ) ＝；

6. 输出电阻的测量

如图3－3所示，为了测量放大器的输出电阻R0，可在放大器正常工作条件下，保持低频信号发生器的输出不变，用交流毫伏表分别测出放大器空载输出电压V0（开关K断开）和接入负载RL后的带载输出电压VL（开关K闭合），然后根据VL＝RL VO /（RL＋R0）；求出R0为：R0＝（VO /VL－1）RL。

7. 频率特性的测量

阻容耦合放大器由于存在耦合电容C1、 C2以及旁路电容CE、各元器件引脚、导线和地之间的相互感应而形成的分布电容，三极管的结电容等因素，因而使得放大器的电压放大倍数Av随输入信号的频率变化而变化，其变化曲线成为频率特性曲线，如图3－4所示。

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图3－4 放大器频率特性

图中，中间部分较为平坦，基本不变，记为中频电压放大器倍数Avm，而频率超出中间区域，放大倍数都要下降。当Av下降到0.707Avm时所对应的频率fl和fh就分别称为下限截止频率和上限截止频率，fl和fh之间的频率范围fbw就称为放大器的通频带，即是：fbw=fh－fl。

在高频段，Av下降的重要原因是三极管的截止频率f以及分布电容和三极管的结电容的作用。而在低频段，Av下降主要是由于耦合电容C1、C2的容抗随频率降低而增大。同时旁路电容CE的容抗也增大，加强了负反馈的作用，也使得Av下降。

测量时，可以采用测量电压放大倍数的Av方法，每改变一个输入信号的频率（幅度始终保持不变），测量其相应的Av，在低频段和高频段应多测一些频点，中频段则可少测一些频点。

8. 动态范围的测量

放大器最大不失真输出信号的峰峰值Vp-p称为动态范围。为了能测到最大的范围，应将放大器的静态工作点调整到交流负载的中点上。为此，在放大器正常工作条件下，逐步增大输入信号的幅度，并同时调节RB1（改变静态工作点），然后用示波器观察输出波形，当同时出现削波（负半周）和缩顶（正半周）现象时，则说明静态工作点已调至交流负载的中点上了，然后再反复调整输入信号，使波形输出幅度最大，但又无明显失真，测量此时V0的峰峰值Vp-p即可。

三．实验预习

1. 认真阅读实验原理和实验内容，了解放大器测量和调试方法，详细写出实验每一步骤，计算出放大器的静态工作点电压放大倍数、输出电压和输出电阻，拟好详细的数据记录表格。

2. 需要做放大器设计实验内容的实验者，必须预先计算好电路的参数，详细写出计算过程，并标在电路图上，三极管的值可以先按100来设定，到实际实验时可选择值接近100的管子、又或者把作为待定系数，计算出RE、RB1、RB2，含未知量的表达式，到真正实验时，实测管子的值，再代入这些含未知量的表达式中，从而求出RE、RB1、RB2应取的阻值。

3. 根据1、2项写出实验预习报告。

四．实验内容

1. 按图3－1组装电路

电路参数如下：三极管3DG6，值为100，C1、C2 10uF，CE 47uF，RB1 80K，RB2 40K，RE 33K，RC 6K，VCC 12V，RL 4.7K。组装之前要求对所选取的元器件进行检测，特别是三极管一定要检测其好坏及值是否接近100，否则无法完成实验。另外，测量时要注意各实验仪器与电路板之间良好共地，信号线要注意屏蔽接地。

2. 测量放大器静态工作点

根据电路图及电路参数计算静态工作点理论值，然后接通电源并将电路输入端对地短路，用万用表直流电压档测量静态工作点实际值，判断工作点设置是否合适，适当调节RB1的大小，使得静态工作点实测值接近或达到理论计算值，最后将数据记录如表3—1：

表3—1

3．测量放大器电压放大倍数

在低频信号发生器输入端开路的情况下，调出1kHz、10mv（有效值）的正弦波信号，然后去掉放大器输入端的对地短路线，接入低频信号发生输出端，用示波器观察放大器输出波形，在波形不失真的情况下，用交流毫伏表测量输出电压V0（有效值），或用示波器观察、测量放大器的输入，输出电压峰峰值Vi（Vp-p）、V0（Vp-p），求出AV＝V0/Vi，并按照图3－1及电路参数计算出Av＝－（RC//RL）/ rbe的理论值，并记录如表3—2：

表3—2

4．测量动态范围

在实验内容3的基础上，保持输入信号的频率为1kHz，调节低频信号发生器输出信号电压幅度由10mv（有效值）逐渐增大，同时用示波器观察输出波形的变化，直至观察到同时开始出现负半周削峰和正半周缩顶两种波形失真，则此时的输出电压峰峰值Vp-p=2 Vom就是动态范围。假若不能同时出现两种失真，则说明工作点不在交流负载线的中点，需要适当调节的RB1大小，使得两种失真能同时出现，再记录数据动态范围。