实验三 单级低频放大电路(2013改)

1、实验三 单级低频放大电路1实验目的（1）研究单管低频小信号放大电路静态工作点的意义。（2）掌握放大电路静态工作点的调整与测量方法。（3）掌握放大电路主要性能指标的测试方法。2实验涉及的理论知识和实验知识本实验体现了三极管的工作原理、放大电路的静态工作点调试方法以及放大器性能指标的基本测试方法。3实验仪器信号发生器、示波器、直流稳压电源、电压表 4实验电路实验电路如图3.1.1所示。图中电位器RW是为调节晶体管静态工作点而设置的。5. 实验原理在电子系统中，放大电路是信号处理的基本电路。其作用是将微弱信号增强到所需要的数值，单级低频放大电路是放大电路中最基本的结构形式，是组成各种复杂电路的单元和

2、基础。因此它的分析方法、电路调整技术以及参数的测量方法等具有普遍意义。实验电路采用由NPN型硅材料三极管以及若干电阻、电容组成的共发射极放大电路，以图3.1.1所示电路为例进行研究。（1）电路组成原则放大是最基本的模拟信号处理功能，它是通过放大电路实现的，电子技术里的“放大”有两方面的含义。一是能将微弱的电信号增强到所需要的数值，即放大电信号，以便于测量和使用。二是要求放大后的信号波形与放大前的波形的形状相同，即信号不能失真，否则就会丢失要传送的信息，失去了放大的意义。因此，电路组成原则是首先要给电路中的晶体管施加合适的直流偏置，即发射结正偏、集电结反偏，使其工作在放大状态，而且还要有一个合适

3、的工作电压和电流，即合适的静态工作点。其次要保证信号发生器、放大电路和负载之间信号能够正常传输，即有ui时，应该有输出响应uo。1）直流偏置原则图3.1.1所示电路采用的是电阻分压式偏置方法，通过基极偏置电阻RB1和RB2对UCC分压，获得晶体管的基极电压UBQ，保证晶体管的发射结正偏。UCC是集电极电源，它通过RC加至晶体管的集电极，保证晶体管的集电结加反向电压。在此基础上，基极偏置电阻RB1、RB2以及集电极电阻RC取值得当，与电源UCC配合，为晶体管设置合适的静态工作点，使之工作于放大区。2） 对耦合电路的要求第一，信号发生器和负载接入放大电路时，不能影响晶体管的直流偏置。第二，在交流信

4、号的频率范围内，耦合电路应能使信号正常地传输。在电子电路中，起连接作用的电容器称为耦合电容，图3.1.1所示电路中的电容器C1和C2起耦合作用，只要电容器的容量足够大，在信号频率范围内的容抗足够小，就可以保证信号几乎毫无损失地传输。同时电容器对直流量的容抗无穷大，使信号发生器和负载不会影响放大电路的直流偏置。可见，耦合电容具有“隔直通交”的作用，利用电容这种特点连接电路的方式称为阻容耦合。（2）负反馈电阻RE的作用图3.1.1所示电路是一个典型的静态工作点稳定电路，为了稳定静态工作点，晶体管发射极接有电流取样电阻RE，发射极电流IEQ通过RE转换成发射极电压UEQ。而基极电位几乎取决于RB1和

5、RB2对UCC的分压，与环境温度无关，即当温度变化时，UBQ基本不变。当温度升高时，集电极电流IC增大，发射极电流IE必然相应增大，因此发射极电压UEQ随之增大，因为UBQ不变，UBE=UBUE，所以UBE势必减小，导致基极电流IB减小，IC随之相应减小。结果IC随温度升高而增大的部分几乎被由于IB减小而减小的部分相抵消，IC将基本不变，实现了稳定静态工作点的目的。这种将输出量（IC）通过一定的方式（利用RE将IC的变化转化成电压的变化）引回到输入回路来影响输入量（UBE）的措施称为反馈。由于反馈的结果使输出量变小，因此称之为负反馈。又由于反馈出现在直流通路之中，故称为直流负反馈。RE为负反馈

6、电阻。从理论上讲，RE越大，反馈越强，Q点越稳定。但实际上，对于一定的集电极电流IC，由于UCC的限制，RE太大会使晶体管进入饱和区，电路将不能正常工作。（3）参数计算1）静态工作点2）电压放大倍数3）输入电阻 4）输出电阻（4）放大电路的两种工作状态由图3.1.1可知，交流信号叠加在直流工作点上，交流量与直流量共存，这是放大电路的一个重要特点。分析时一般可以将直流（静态）和交流（动态）分开处理。1） 静态当放大电路输入信号为零时，晶体管的基极电流IBQ、集电极电流ICQ、b-e间电压UBEQ和管压降UCEQ称为放大电路的静态工作点。放大器的静态工作点是由晶体管的参数和放大器的偏置电路共同决定

7、的。它的选取十分重要，影响到放大器的增益、失真及其它各个方面。调整静态工作点调整的方法是在不加输入信号的情况下，测量放大器的静态工作点，并进行必要的调整，使之工作于合适的工作点上。三极管的输出特性曲线中有放大区、截止区和饱和区三个工作区。当三极管做为开关管来使用时，应使静态工作点在截止区和饱和区之间快速转换，以实现开关的功能。当把它用在放大电路中时，静态工作点应处于放大区，并选取在放大区中交流负载线的中间位置，这样才能使放大电路实现无失真的放大功能，并且输出动态范围最大。如果静态工作点选取得过低或过高，都会使输出产生失真。如果放大器的静态工作点偏低，会使输入信号电压负半周的某部分进入了晶体管的

8、截止区，使输出电压波形的“顶部被切掉”，这种现象称为截止失真。如图3.1.2所示。如果放大器的静态工作点偏高，会使输入信号电压正半周的某部分进入了晶体管的饱和区，使输出电压波形的“底部被切掉”，这种现象称为饱和失真。如图3.1.2所示。如果调试中发现输出电压波形的顶部和底部都被切掉，说明既有截止失真，又有饱和失真。这是由于输入信号幅度太大引起的，只要适当减小输入信号的幅度即可消除。如果不允许减小输入信号的幅度，就应适当增大电源电压UCC，并重新调整静态工作点，以扩大放大器的动态范围，消除波形失真。电路参数对静态工作点的影响静态工作点的位置十分重要，而静态工作点与电路参数有关。下面将分析电路参数

9、Rb、Rc、UCC对静态工作点的影响。I. Rb对Q点的影响Rb的增减对Q点的影响如图3.1.3（a）所示。RbIBQ工作点沿直流负载线下移RbIBQ工作点沿直流负载线上移IIRC对Q点的影响RC的变化，仅改变直流负载线的N点，即仅改变直流负载线的斜率。如图3.1.3（b）所示。RCN点上升直流负载线变陡工作点沿ib=IBQ这一条特性曲线右移。RCN点下降直流负载线变平坦工作点沿ib=IBQ这一条特性曲线左移。IIIUCC对Q点的影响UCC的变化不仅影响IBQ，还影响直流负载线，因此，UCC对Q点的影响较复杂。如图3.1.3（c）所示。UCCIBQMN直流负载线平行上移工作点向右上方移动。UC

10、CIBQMN直流负载线平行下移工作点向左下方移动。实际调试中，主要通过改变电阻Rb来改变静态工作点，而很少通过改变UCC来改变静态工作点。2）动态放大电路输入信号不为零时的工作状态称为动态。动态时，电路中的直流电源和交流信号源同时存在，晶体管的uBE、uCE、iB和iC都是直流和交流分量叠加后的总量。放大电路的目的是放大交流信号，静态工作点是电路能正常工作的基础。三极管放大器的主要性能指标有电压放大倍数Au、最大输出动态范围Uo,max、输入电阻Ri、输出电阻Ro及通频带BW等。电压放大倍数Au放大电路电压放大倍数Au是指在输出电压波形不失真时，输出电压与输入电压之比，Au=uo/ui。它是直

11、接衡量放大电路电压放大能力的重要指标。电压放大倍数的测量实质上是测量放大电路的输入电压与输出电压，应当指出，在实测电压放大倍数时，应该用示波器观察输出端的电压波形，只有在不失真的情况下，测试数据才有意义。 实验中，可以用双踪示波器分别测量放大电路输入端和输出端的电压峰峰值，然后再进行计算。最大输出动态范围Uo,max最大输出动态范围Uo,max是指在调整好静态工作点的条件下，当输入电压再增大，就会使输出波形产生非线性失真时的输出电压。测量方法如下。给放大电路输入1kHz的正弦信号，慢慢增大输入信号幅度，使之出现明显失真，根据失真波形调整静态工作点，使失真消失。继续增大输入信号幅度，再调整静态工

12、作点，直到增大到输入信号幅度出现截止和饱和失真。再减小输入信号，使之刚好不失真，用示波器测量这时输出电压UoP-P，即放大电路输出的最大线性动态范围Uo,max。输入电阻Ri放大电路与信号源相连就成为信号源的负载，必然从信号源索取电流，电流的大小表明放大电路对信号源的影响程度。输入电阻Ri是指从放大电路输入端看进去的等效电阻。Ri越大，表明放大电路从信号源索取的电流越小，放大电路所得到的输入电压ui越接近信号源电压us，换句话说放大电路能从信号源获取较大电压；反之若RiRs，放大电路从信号源吸收较大电流，放大电路从信号源得到的输入电压ui越小；若Ri=Rs，则放大器从信号源获取最大功率。输入电

13、阻的测量可用输入换算法方法来进行。需要注意在实际测量中，输入端接的电阻R不宜过大，否则容易引入干扰。但也不宜过小，会使测量误差较大，最好取R与Ri在同一个数量级。测试输入电阻Ri的接线如图3.1.4所示。在被测放大电路前加一个电阻R，输入正弦信号，用示波器分别测量R两端对地的电压us和ui。则为了减小测量误差，一般取R接近Ri或将R换成一个可变电阻RW，调RW使，这时，Ri= RW。输出电阻Ro任何放大电路的输出都可以等效成一个有内阻的电压源，从放大电路输出端看进去的等效内阻称为输出电阻Ro。输出电阻的大小反映了放大器带负载的能力。由于负载与输出电阻具有串接的关系，Ro越小，带负载的能力越强。

14、当RoRL时，放大器可等效成一个恒压源。测试输出电阻Ro的接线如图3.1.5所示。在被测放大电路后加一个负载电阻RL，输入端加入正弦信号，用示波器分别测量空载时和加负载电阻RL时的输出电压uo和uL。则：在测量时要注意测量uo和uL时，输入电压ui应保持一致，且大小适当，保证在RL接入和断开时输出波形均不失真。且RL应与Ro处于同一数量级。通频带BW 通频带用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。由于放大电路中电容和晶体管内部PN结的结电容存在，在输入信号频率较低或较高时，放大倍数的数值会下降；而在中间频带范围内，输出幅度基本不变。图3.1.6所示为放大电路的增益与输入信号频率之间的关系曲线

15、。称为放大电路的幅频特性曲线。图中Aum为中频放大倍数。在信号频率下降到一定程度时，放大倍数的数值明显下降，使放大倍数的数值等于0.707倍Aum的频率称为下限截止频率fL。信号频率上升到一定程度，放大倍数数值也将减小，使放大倍数的数值等于0.707倍Aum的频率称为上限截止频率fH。f小于fL的部分称为放大电路的低频段，f大于fH的部分称为放大电路的高频段，而fH与fL之间形成的频带称为中频段，也称为放大电路的通频带BW。BW=fH fL通频带越宽，表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。对于扩音机，其通频带应该宽于音频（20Hz20kHz）范围，才能完全不失真地放大声音信号。在实用电路中

16、，有时也希望频带尽可能窄，如选频放大电路，希望它只对单一频率的信号放大，以避免干扰和噪声的影响。幅频特性及通频带通常有如下两种测试方法。I逐点法（1）幅频特性的测量在保持输入信号大小不变的情况下，改变输入信号频率f，用示波器逐点测出输出电压uo。由Au=uo/ui计算对应于不同频率下放大器的电压增益，按顺序列表记录，在坐标纸上将得到的数据逐点描绘出频率特性曲线，即该放大器增益的幅频特性曲线。在图中可以找出fH与fL，并计算通频带BW。（2）通频带BW的测量具体步骤如下。1）将信号发生器接入被测放大电部的输入端，示波器接到被测放大电路的输出端。2）调整输入信号幅度，改变输入信号频率（约1kHz左

17、右），用示波器测量放大电路最大不失真输出波形。3）保持输入信号幅度不变，用示波器测量放大电路的最大不失真输出波形幅度。4）增大输入信号频率，使放大电路的输出电压为最大值的0.707倍，测出此时的频率fH。5）减小输入信号频率，使放大电路的输出电压为最大值的0.707倍，测出此时的频率fL。6）计算BW=fH fL。在保持输入信号大小不变的情况下，改变输入信号频率，用示波器逐点测出输出电压。按顺序列表记录，在坐标纸上将所测数据逐点描绘出频率特性曲线，找出fH与fL，计算通频带BW。II扫频法利用扫频仪直接在屏幕上显示出放大器的Au f曲线，在屏幕显示的曲线上测出通频带BW。6实验内容（1）单级低

18、频放大电路的实验参考电路如图3.1.1所示。C1、C2和CE的极性不要接反。（2）测量并调试放大器的静态工作点，研究电路参数RW、Rc、UCC的变化对静态工作点的影响。实验中对静态工作点的测量可用示波器分别测量晶体管三个管脚的电位UB、UC、UE，然后再计算UBEQ、UCEQ。实际测量中，进行电流测量时通常采用间接测量法，因此，测量集电极电流ICQ可以通过测量电压来换算电流。例如，只要测出UC，可由ICQ =（UCC - UC）/RC，算出ICQ。用这种方法测量电流，不仅可以不用变动被测电路，而且还消除了由于反复拆装线路导致发生故障的可能。1）RW对静态工作点的影响：调节RW和输入信号，使放大

19、器的静态工作点为最佳状态（即当输入信号幅度增大时，输出波形同时出现饱和与截止失真）。撤去信号发生器，用示波器测量UBQ、UCQ、UEQ，并计算出ICQ。将信号发生器重新连入放大器输入端，且保持输入信号不变。将RW增大，观察并记录波形。撤去信号发生器，示波器测量UBQ、UCQ、UEQ，计算出ICQ，并根据波形和数据判断出失真类型。将信号发生器再次连入放大器输入端，且保持输入信号不变。将RW减小，观察并记录波形。撤去信号发生器，用示波器测量UBQ、UCQ、UEQ，计算出ICQ，并根据波形和数据判断出失真类型。2）集电极电阻Rc对静态工作点的影响：将输入信号接入放大器，在集电极电阻Rc上并联Rc，R

20、c=Rc=2k，观察并记录输出波形。撤去信号发生器，用示波器测量UBQ、UCQ、UEQ，并计算出ICQ。将此情况与无Rc时比较。测试后仍将Rc断开，恢复电路原状。3）电源电压UCC对静态工作点的影响将输入信号接入放大器，再将UCC由+12V减至+7V，或增加至+15V，观察并记录输出波形。撤去信号发生器，用示波器分别测量UBQ、UCQ、UEQ，并计算ICQ。将此情况与UCC=+12V时比较，测试后将UCC恢复为+12V。（3）测量放大器的性能指标1）放大器增益的测量将1kHz的正弦输入信号接入放大器，用示波器观察输出电压波形，在波形没有出现失真的情况下，改变负载，分别令RL=2k、RL=15k和输出开路三种情况下，测量放大器输入和输出电压，计算放大器增益Au。2）最大输出动态范围在测量电压放大倍数的基础上，逐渐增加输入信号幅值，同时观察输出波形，当输出波形刚出现失真时的Uo即为Uo,max。3）放大器输入电阻的测量用输入换算法测量输入电阻。输入信号不变，在放大器输入回路串入与输入电阻为同一数量级的电阻R，用示波器分别测量R两端对地的电压us和ui。则4）放大器输出电阻的测量用输出换算法测量输出电阻。负载电阻RL=2k，