单管共射.docx

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单管共射

实验三晶体管单管共射放大电路

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。

1．元件作用：

1RB基极偏流电阻，提供静态工作点所需基极电流。

RB是由R1和RW串联组成，RW是可变电阻，用来调节三极管的静态工作点，R1（3K）起保护作用，避免RW调至0端使基极电流过大，损坏晶体管。

②RS是输入电流取样电阻，输入电流Ii流过RS，在RS上形成压降，测量RS两端的电压便可计算出Ii。

③RC—集电极直流负载电阻。

④RL—交流负载电阻。

⑤C1、C2—耦合电容。

（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VBEQ、IBQ、VCEQ、ICQ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Vi＝0。

要使Vi=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Vi=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Vi=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VBQ、VCQ、VCC电压值，便可计算出VBEQ、VCEQ、ICQ、IBQ。

计算公式如下（计算前，需知道RB、RC的值）：

式中：

RB=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RB的阻值来进行。

若减小RB的阻值，可使ICQ增大，VCEQ减小；增大RB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（ICQ、VCEQ），然后给待测放大器加电后，用万用表测量VCEQ，调节RB，使VCEQ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RB，使输出信号的失真最小。

实验中，为调节静态工作点方便，RB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RB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AV、输入电阻Ri、输出电阻Ro、最大不失真输出幅值和通频带fbw。

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AV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VS，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VO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Vs、Vi、Vo，由下式计算：

图中Vi、Vs、Vo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Ri的测量：

根据输入电阻的公式可知：

由于输入电流Ii的直接测量比较困难（直接在输入端串入电流表测量Ii将对放大器引入较大的干扰信号），所以在测量Ii时，采用了间接测量的方法。

在电路输入端串入采样电阻RS，用电子管毫伏计测量RS两端的电压Vs和Vi，由RS上的电压降便可换算出输入电流Ii。

公式如下：

根据Vi和Ii便可计算出Ri。

3输出电阻RO的测量：

根据输出电阻的公式可知：

式中：

VO’—负载电阻RL开路时的输出电压（将图3.1中的C、D开路）

VO—带负载输出电压，连接RL后测得。

然后按公式计算RO。

在上述测量过程中注意保持输入电压Vi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AV的测试电路相同。

在测量过程中，将输入信号VS的幅值由小逐渐增大，并注意观测VO的波形，当波形刚开始出现失真时，这时的输出电压VO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VOP-P，或用电子管毫伏表测量最大不失真输出电压的有效值VOM有效。

两者之间的关系为：

VOP-P＝2

VOM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AV、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。

Avm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（fL）和上限截止频率（fH），并定义通频带fbw为：

fbw=fH-fL

由于放大器的AV不能直接测得，而是测出Vi和Vo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Vi的幅值不变，改变其输出频率，这时VO的变化即代表了AV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VOmp或用毫伏表测量放大电路的输出有效值VOm，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VO，当信号频率较低或较高时，VO将下降。

这时应减小每次的频率变化增量，仔细寻找使VO=0.707VOm时的频率值f，该频率值就是fL或fH。

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Ui和Uo，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Ui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。

（一）焊接电路

1．用数字万用表的HFE档或晶体管图示仪JT-1测量实验中使用的晶体管T的电流放大系数β，作为分析计算的依据。

2．根据原理图在纸上画出电路装配图。

在画装配图时，要注意以下几点：

1注意晶体管的管脚位置，E、B、C的方向。

2画装配图时要考虑元件的实际大小尺寸。

3装配图上安排元件位置时最好遵照原理图的信号流向，要注意输入回路应尽量远离输出回路，避免输出信号反馈到输入端，引起放大器不能正常工作。

4要有一根公用地线，作为输入、输出的公共端和元件的接地端的接地线。

在实际应用电路中，公共地线通常使用较粗的裸铜线。

5对于初学者，可根据原理图的元件位置来布置电路板元件位置，便于理解工作原理和调试检查。

实际应用电路中，要根据具体条件充分考虑散热、避免电磁干扰、避免有害反馈等因素，元件安排要整齐美观，并尽量缩小电路板面积。

3．根据电路装配图，在实验电路板上焊接电路。

焊接电路时，要注意以下几点：

①使用的电烙铁功率要合适，功率太大容易烫坏元件；功率太小焊接困难，焊点呈渣状，不光滑，很容易形成虚焊。

一般焊接晶体管元件使用功率为25～35W的电烙铁比较合适，焊接较大的元件可使用大于45W的电烙铁。

电烙铁的焊头要清洁，表面预先镀有一层焊锡。

如果焊头表面氧化发黑，则很难焊接。

因此，如果焊头已经氧化发黑，先不要接电，用砂纸将焊头的氧化层去除，注意把尖端部特别要处理干净，然后加电，当焊头温度升高至能够融化松香时，立即涂上松香，避免焊头氧化，当焊头温度升高至能熔化焊锡时，镀上一层焊锡，这样便能方便地焊接了。

本实验室使用的电烙铁是长寿型，烙铁头是用特殊合金制造，因此禁止使用锉刀锉焊头，只能使用砂纸磨光。

②将待焊接的元件接脚处理干净，去掉接脚的污物和氧化物，才能可靠焊牢。

对于氧化严重的接脚，可用细砂纸打磨出金属光泽并预先镀锡。

但对于镀金的元件接脚严禁用砂纸打磨，以免造成更严重的氧化。

③在焊接过程中，多使用助焊剂—松香，尽量减少焊锡的用量。

焊锡只要能将元件接脚和线路板铆钉圆满包住即可，避免过多流溢，与其它接脚形成短路。

松香的作用是避免接脚在电烙铁高温下进一步氧化，并能去除接脚表面不太严重的氧化层，还能增加焊锡的流动性，使焊点光滑。

④必须严防虚焊。

焊接好后，稍用力拉动元件，应没有接脚松动的感觉。

⑤控制电烙铁接触元件的时间，过短容易虚焊，过长又会烫坏元件。

一般应在2秒到6秒之间，根据所焊接的元件大小和散热情况决定。

⑥焊接完成检查无误后方可通电实验。

（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ICQ（参看前面介绍测量ICQ的方法），调节RW，使ICQ=2mA（即VCQ=6V），用数字万用表的直流电压档测量VBQ、VEQ、VCQ，断开电源后，用电阻档测量RB2,记入表3.1中。

表3.1ICQ=2mA

测量值

理论计算值

VBQ（V）

VEQ（V）

VCQ（V）

RB（KΩ）

VBEQ（V）

VCEQ（V）

ICQ（mA）

RB（KΩ）

0

0.7

2

2．测量电压放大倍数：

保持ICQ=2mA不变

在放大器输入端加入频率为1000HZ的正弦信号VS，调节低频信号发生器的输出幅度，使Vi=5mV，同时用示波器观察放大器输出电压VO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VO值，并用双踪示波器同时观察VO和Vi的相位关系，并计算出AV，把结果记入表3.2。

表3.2ICQ=2mAVi=5mV

RC（KΩ）

RL（KΩ）

VO（V）

AV

3

∞

3

3

记录Vi和Vo的波形。

3．观察静态工作点对电压放大倍数的影响

置RC=3KΩ，RL=∞，Vi适当（≈10mV），调节RW，用示波器监视输出电压波形，在VO不失真的条件下，通过调节Rb改变ICQ的值，测量ICQ为1mA和3mA时VO的值，记入表3.3，并计算出AV，与2mA的AV值比较。

表3.3RC=3KΩRL=∞

ICQ（mA）

1

2

3

Vi（mV）

Vo（V）

AV

测量ICQ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RC=3KΩ，RL=3KΩ，Vi=0，调节RW使ICQ=3mA，测出VCEQ值，记入表3.4中。

再逐步加大输入信号Vi，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VO的波形，并测出失真情况下的ICQ和VCEQ值，把结果记入表3.4中。

每次测ICQ和VCEQ时，注意应使输入信号为0。

表3.4RC=3KΩRL=∞Vi=mV

ICQ（mA）

VCEQ（V）

VO波形

失真类型

Q点位置

截止失真

3

不失真

饱和失真

*5．测量最大不失真输出电压

置RC=3KΩ，RL=3KΩ，按照前面“放大器动态参数测试”中介绍的“最大不失真输出幅值的测量”中粗体字所述的方法，同时调节输入信号的幅度和可变电阻RW，寻找能输出最大不失真幅值的Q点。

用示波器和交流毫伏表测量VOm，记入表3.5。

表3.5RC=3KΩRL=3KΩ

ICQ（mA）

Vim（mV）

Vom（V）

Vop-p

6．测量输入电阻和输出电阻

置RC=3KΩ，RL=3KΩ，ICQ=2mA。

输入1KHZ正弦信号，在输出电压VO不失真的情况下，用交流毫伏表测出Vs，Vi，和VO，记入表3-6；然后，保持Vi不变，断开RL，测得VO，记入表3-6中，并计算得到Ri、Ro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，rbb’可取100Ω。

表3-6RC=3KΩRL=3KΩICQ=2mA

VS

（mV）

Vi

（mA）

Ri（KΩ）

Vo’

（V）

Vo

（V）

Ro（KΩ）

测量计算值

理论值

测量计算值

理论值

*7．测量幅频特性曲线

置RC=3KΩ，RL=3KΩ，ICQ=2mA，保持输入信号的幅值不变（Vs或Vi约10mV），改变信号频率f，逐点测出相应的输出电压记入表3-7。

表3-7Vi=mV

fL=fm=fH=

f（KHZ）

Vo（V）

具体操作可参看前面所述的有关内容。

四、实验设备与器件：

1．晶体管直流稳压电源（型号DH1718）：

调节输出电压为＋12V；

2．

低频信号发生器（型号XD22）；

3．双踪示波器（型号XJ4241）；

4．交流毫伏表（型号GB-9）；

5．万用电表（型号500）；

6．数字万用表（型号D803或D809）；

7．电烙铁、焊锡、松香

8．晶体三极管（型号9011、9013或3DG6）；

9．电位器（可变电阻）2MΩ；

10．电阻、电解电容器。

五、实验报告

1．列表整理测量结果，并把所测得的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的值与理论计算值相比较（每项结果取一组进行比较），分析产生误差的原因。

2．总结RC、RL及静态工作点对放大器电压放大倍数及输入、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，比较最大不失真输出电压范围的理论计算值与实测值，分析产生误差的原因。

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，根据理论课内容估算实验电路的性能指标。

假设：

三极管采用NPN型硅管，β＝100，VBEQ≈0.6V，rbb’=100Ω

R1=3KΩ，RW=800KΩ，RC=3KΩ，RL=3KΩ。

估算放大器的静态工作点，电压放大倍数，输入电阻和输出电阻。

2．当要求ICQ=2mA时，计算Rb应为多少Ω？

3．怎样测量RB的阻值？

4．当调节RB，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VCE怎样变化？

5．改变静态工作点对放大器的输入电阻Ri有无影响？

改变外接电阻RL对输出电阻有无影响？

6．在测量AV、Ri和Ro时，怎样选择输入信号的大小和频率？

为什么测试信号一般选1KHZ，而不选用500KHZ？

7．测试中如果将低频信号发生器、交流毫伏表、示波器中任一仪器的输入端接线对调（即不把所有仪器的接地端连接在一起），将会出现什么现象？

注：

实验内容中，加“*”的项根据课时选作。

附录：

实验中用到的公式和图

1．直流负载线方程：

2．交流负载线方程：

3．负载线图：

①当ICQ=2mA时，图见F3.1。

式中V’是交流负载线在VCE轴上的辅助点

由图中可知Q点位于交流负载线较低位置，最大输出幅度为：

VOm=ICQRL’≈3V。

②求最大不失真幅值

公式：

当Q点位于交流负载线中点时，由交流负载线图可知，应有：

因此可由下式联立求得VCEQ和ICQ：

V’=8V

当取此工作点时，Q点位于交流负载线中点，放大器有最大的“最大不失真输出幅度”。

见图F3.2。

这时，最大输出幅度为：

VOm=VCEQ=ICQRL’=4V

4．Rb的计算：

根据：

设三极管β=150

①当ICQ=2mA时，Rb=848KΩ

②当最大输出幅度时，ICQ=2.67mA，Rb=635KΩ

5．AV的估算值：

①当ICQ=2mA时，rbe为：

②RL’=RC∥RL=3K∥3K=1.5K

③根据公式：

（带负载时）

空载时比上值大一倍，即214倍。

④输出电压

当Vi=10mV时，VO≈10×107≈1V（带负载）或2V（空载）

6．输入电阻：

Ri≈rbe=2.1K

当RS取3K、Vi取10mV时，

RS上的压降为3K×4.76μA=14.3mV

所以，当Vi为10mV时，VS应为10+14.3=24.3mV。

这个值与实测值可能会有误差，因为rbe的计算值是根据rbb’等于100Ω得出的。

实际rbb’可能不是100Ω。

7．输出电阻：

RO≈RC=3K