晶體管共射極單管放大器--模擬電路及晶閘管應(yīng)用

一．實驗目的
1．學會放大器靜態(tài)工作點的調(diào)試方法，分析靜態(tài)工作點對放大器性能的影響。
2．掌握放大器電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻及最大不失真輸出電壓的測試方法。
3．熟悉常用電子儀器及電子技術(shù)實驗臺的使用。
二．實驗原理
圖4—1為電阻分壓工作點穩(wěn)定單管放大器實驗電路圖。它的偏置電路采用R_B1和R_b2組成的分壓電路，并在發(fā)射極中接有電阻R_E，以穩(wěn)定放大器的靜態(tài)工作點。當在放大器的輸入端加入輸入信號u_i后，在放大器的輸出端便可得到一個與u_i相位相反，幅值被放大了的輸出信號u_o，從而實現(xiàn)了電壓放大。

圖4—1
在圖4—1電路中，當流過偏置電阻R_B1 (R­_b和電位器R­_p的阻值)和R­_b2  的電流遠大于晶體管的基極電流I_B時(一般5～10倍)，則它的靜態(tài)工作點可用下式估算                             



電壓放大倍數(shù)                              

輸入電阻    r_i =R_B1//R_b2//r_be
輸出電阻    r_o » R_c
由于電子器件性能的分散性比較大，因此在設(shè)計和制作晶體管放大電路時，離不開測量和調(diào)試技術(shù)。在設(shè)計前應(yīng)測量所用元器件的參數(shù)，為電路設(shè)計提供必要的依據(jù)，在完成設(shè)計和裝配以后，還必須測量和調(diào)試放大器的靜態(tài)工作點和各項性能指標。一個優(yōu)質(zhì)放大器，必定是理論設(shè)計與實驗調(diào)整相結(jié)合的產(chǎn)物。因此，除了學習放大器的理論知識和設(shè)計方法外，還必須掌握必要的測量和調(diào)試技術(shù)。
放大器的測量和調(diào)試一般包括：放大器靜態(tài)工作點的測量與調(diào)試，消除干擾與自激振蕩及放大器各項動態(tài)參數(shù)的測量與調(diào)試等。
1．放大器靜態(tài)工作點的測量與調(diào)試
1) 靜態(tài)工作點的測量
測量放大器的靜態(tài)工作點，應(yīng)在輸入信號u_i =0的情況下進行，即將放大器輸入端與地端短接，然后選用量程合適的直流毫安表和直流電壓表，分別測量晶體管的集電極電流I_C以及各電極對地的電位U_B、U_C和U_E。一般實驗中，為了避免斷開集電極，所以采用測量電壓，然后算出I_C的方法，例如，只要測出U_E，即可用I_C » I_E=  算出I_C(也可根據(jù)I_C=，由U_C確定I_C)，同時也能算出U_BE=U_B-U_E，U_CE=U_C-U_E。為了減小誤差，提高測量精度，應(yīng)選用內(nèi)阻較高的直流電壓表。
2) 靜態(tài)工作點的調(diào)試
靜態(tài)工作點是否合適，對放大器的性能和輸出波形都有很大影響。如工作點偏高，放大器在加入交流信號以后易產(chǎn)生飽和失真，此時u_o的負半周將被削底，如圖4-2(a)所示；如工作點偏低則易產(chǎn)生截止失真，即u_o的正半周被縮頂(一般截止失真不如飽和失真明顯)，如圖4-2(b)所示。這些情況都不符合不失真放大的要求。所以在選定工作點以后還必須進行動態(tài)調(diào)試，即在放大器的輸入端加入一定的u_i，檢查輸出電壓u_o的大小和波形是否滿足要求。如不滿足，則應(yīng)調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點的位置。
(a)                    (b)                    (c)

圖4—2
改變電路參數(shù)U_­CC、R_C、R_B(R_B1、R_b2)都會引起靜態(tài)工作點的變化，如圖2-3所示。但通常多采用調(diào)節(jié)偏電阻R_B1的方法來改變靜態(tài)工作點，如減小R_B1，則可使靜態(tài)工作點提高等。

圖4—3 
最后還要說明的是，上面所說的工作點“偏高”或“偏低”不是絕對的，應(yīng)該是相對信號的幅度而言，如信號幅度很小，即使工作點較高或較低也不一定會出現(xiàn)失真。所以確切地說，產(chǎn)生波形失真是信號幅度與靜態(tài)工作點設(shè)置配合不當所致。如需滿足較大信號幅度的要求，靜態(tài)工作點最好盡量靠近交流負載線的中點。
2．放大器動態(tài)指標測試
放大器動態(tài)指標測試有電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻、最大不失真輸出電壓(動態(tài)范圍)和通頻帶等。
1) 電壓放大倍數(shù)A_V的測量
調(diào)整放大器到合適的靜態(tài)工作點，然后加入輸入電壓u_i，在輸出電壓u_o不失真的情況下，用交流毫伏表測出u_i和u_o的有效值u_i和u_o，則

2)輸入電阻的測量
為了測量放大器的輸入電阻，按圖4-4電路在被測放大器的輸入端與信號源之間串入一已知電阻R，在放大器正常工作的情況下，用交流毫伏表測出U_s和U_i，則根據(jù)輸入電阻的定義可得

測量時應(yīng)注意：
由于電阻R兩端沒有電路公共接地點，所以測量R兩端電壓U_R時必須分別測出U_s和U_i，然后接U_R=U_s—U_i求出U_R值。
電阻R的值不易取得過大或過小，以免產(chǎn)生較大的測量誤差，通常取R與r_i為同一數(shù)量級為好，本實驗可取R=1 KW～2 KW。
3) 輸出電阻的測量
按圖4—4電路，在放大器正常工作條件下，測出輸出端不接負載R_L的輸出電壓U_o和接入負載后的輸出電壓U_L，根據(jù)

即可求出r_o


在測試中應(yīng)注意，必須保持R_L接入前后輸入信號的大小不變。
圖4—4
4) 最大不失真輸出電壓U_opp的測試(最大動態(tài)范圍)
如上所述，為了得到最大動態(tài)范圍，應(yīng)將靜態(tài)工作點調(diào)在交流負載線的中點。為此在放大器正常工作情況下，逐步增大輸入信號的幅度，并同時調(diào)節(jié)RP(改變靜態(tài)工作點)，用示波器觀察u_o，當輸出波形同時出現(xiàn)削底和縮頂現(xiàn)象時，說明靜態(tài)工作點已調(diào)在交流負載線的中點。然后反復調(diào)整輸入信號，使波形輸出幅度最大，且無明顯失真時，用交流毫伏表測出u_o(有效值)，則動態(tài)范圍等于2U_o。或用示波器直接讀出U_opp來。
5) 放大器頻率特性的測量
放大器的頻率特性是指放大器的電壓放大倍數(shù)A_V與輸入信號頻率f之間的關(guān)系曲線。單管阻容耦合放大電路的幅頻特性曲線如圖4—5所示，A_vm為中頻電壓放大倍數(shù)，通常規(guī)定電壓放大倍數(shù)隨頻率變化下降到中頻放大倍數(shù)的1/倍，即0.707Aum所對應(yīng)的頻率分別稱為下限頻率f_L和上限頻率f_H，則通頻帶
f_BW=f_H－f_L
放大器的幅率特性就是測量不同頻率信號時的電壓放大倍數(shù)A_V。為此，可采用前述測A_V的方法，每改變一個信號頻率，測量其相應(yīng)的電壓放大倍數(shù)，測量時應(yīng)注意取點要恰當，在低頻段與高頻段應(yīng)多測幾點，在中頻段可以少測幾點。此外，在改變頻率時，要保持輸入信號的幅度不變。

圖4—5                        圖4—6
 
三．實驗設(shè)備與器件
1．萬用表（自備）；                
2．信號源；
3．示波器（自備）；                
4．交流毫伏表；
5．直流電壓表；                  
6．單管放大電路模塊
四．實驗內(nèi)容
    實驗電路如圖4—1所示。為防止干擾，各電子儀器的公共端必須連在一起，同時信號源、交流毫伏表和示波器的引線應(yīng)采用專用電纜線或屏蔽線，如使用屏蔽線，則屏蔽線的外包金屬網(wǎng)應(yīng)接在公共接地端上。
    1．測量靜態(tài)工作點
接通電源前，先將RP調(diào)到最大，信號源輸出旋鈕旋至零。接通+12V電源，調(diào)節(jié)RP使I_C=2.0mA(即U_E=3.0V)，用數(shù)字電壓表測量U_B、U_E、U_C及用萬用表測量R_b2值。記入表4—1中。
表4—1   I_c =2.0mA

測    量    值				計   算   值
UB(V)	UE(V)	UC(V)	RB2(KW)	UBE(V)	UCE(V)	IC(mA)

    2．測量電壓放大倍數(shù)
    在放大器輸入端加入頻率為1KH_Z的正弦信號u_s，調(diào)節(jié)信號源的輸出旋鈕使U_i=15mV，同時用示波器觀察放大器輸出電壓u_o的波形，在波形不失真的條件下用交流毫伏表測量下述三種情況下的U_o值，并用示波器同時觀察u_o和u_i的相位關(guān)系，把結(jié)果記入表4—2中。
表4 —2    I_c =2.0mA   U_i = 15mV

Rc(KW)	RL(KW)	Uo(V)	Av	觀察記錄一組uo和ui波形
3	¥
3	3
3	1

    3．觀察靜態(tài)工作點對電壓放大倍數(shù)的影響
    置R_c=3KW，R_L=¥，u_i適當，調(diào)節(jié)RP，用示波器監(jiān)視輸出的電壓波形，在u_o不失真的條件下，測量數(shù)組I_c和U_o值，記入表4—3中。
表4—3    R_c=3KW    R_L=¥  U_i=   mV

Ic(mA)
Uo(mV)
Au

    測量I_c時，要先將信號源輸出旋鈕旋至零(即使U_i=0)。
    4．觀察靜態(tài)工作點對輸出波形失真的影響
    置R_C=3KW，R_L=3KW，u_i=0，調(diào)節(jié)RP使I_C=2.0mA（可通過測量U_E來估算I_C）測出U_CE值，再逐步加大輸入信號，使輸出電壓u_o足夠大但不失真。然后保持輸入信號不變，分別增大和減小RP，使波形出現(xiàn)失真，繪出u_o的波形，并測出失真情況下的I_C和U_CE值，把結(jié)果計入表4—4中。每次測I_C和U_CE值時都要將信號源的輸出旋鈕旋至零。
表4—4    R_c=3KW  R_L=3KW   U_i=    mV

Ic(mA)	UCE(V)	uo波形	失真情況	管子工作狀態(tài)

     5．測量最大不失真輸出電壓
    置R_C=3KW，R_L=3KW，按照實驗原理(4)中所述方法，同時調(diào)節(jié)輸入信號的幅度和電位器RP，用示波器和交流毫伏表測量U_opp及U_o，記入表4—5中。
表4—5  R_c=3K    R_L=3K

Ic(mA)	Ui (mV)	UO(V)	Uopp(V)

    6．測量輸入電阻和輸出電阻
    置R_C=3KW，R_L=3KW，I_C=2.0mA。輸入1KH_Z正弦信號，在輸出電壓u_o不失真的情況下，用交流毫伏表測出U_s.U_i和U_L記入表4—6中。
保持U_s不變，斷開R_L，測量輸出電壓U_o，記入表4—6中。
 
表4—6  I_c=2mA      R_c=3KW    R_L=3KW

Us(mV)	Ui(mV)	ri(KW)		UL(V)	Uo(V)	ro(KW)
		測量值	計算值			測量值	計算值

    7．測量幅頻特性曲線
    取I_c=2.0mA，R_C=3KW，R_L=3KW。保持輸入信號u_i或u_s的幅度不變，改變信號源頻率f，逐點測出相應(yīng)的輸出電壓U_o，記入表4—7中。
表4—7

	fL			fO			fH
f(KHZ)
Uo(V)
Au=Uo­/Ui

    為了頻率f取值合適，可先粗測一下，找出中頻范圍，然后再仔細讀數(shù)。
    說明：本實驗內(nèi)容較多，讀者可根據(jù)擴展板上給出的不同條件做進一步研究。其中6和7可作為選作內(nèi)容。
 
五．實驗報告
    1．列表整理測量結(jié)果，并把實測的靜態(tài)工作點、電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻之值與理論計算值相比較(取一組數(shù)據(jù)進行比較)，分析產(chǎn)生誤差原因。
    2．總結(jié)R_c，R_L及靜態(tài)工作點對放大器電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻的影響。
    3．討論靜態(tài)工作點變化對放大器輸出波形的影響。
    4．分析討論在調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題。
 
六．預習要求
    1．閱讀教材中有關(guān)單管放大電路的內(nèi)容并估算實驗電路的性能指標。
    假設(shè)：3DG6的b=100，R_B1=20KW，R_B2=60KW，R_C=2.4KW，R_L=2.4KW。
    估算放大器的靜態(tài)工作點，電壓放大倍數(shù)A_V，輸入電阻r_i和輸出電阻r_o。
    2．了解放大器干擾和自激振蕩消除的方法。
    3．能否用數(shù)字電壓表直接測量晶體管的U_BE? 為什么實驗中要采用測U_B、U_E，再間接算出U_BE的方法?
    4．怎樣測量R_B1阻值?
    5．當調(diào)節(jié)偏置電阻R_B1，使放大器輸出波形出現(xiàn)飽和或截止失真時，晶體管的管壓降U_CE怎樣變化?
    6．改變靜態(tài)工作點對放大器的輸入電阻r_i有否影響? 改變外接電阻R_L對輸出電阻r_o有否影響?
    7．在測試A_v，r_i和r_o時怎樣選擇輸入信號的大小和頻率? 為什么信號頻率一般選1KH_Z，而不選100KH_Z或更高?
    8．測試中，如果將信號源、交流毫伏表、示波器中任一儀器的二個測試端子接線換位(即各儀器的接地端不再連在一起)，將會出現(xiàn)什么問題?