电子技术实验项目--- 实验二　晶体管共射极单管放大器

　　一、实验目的

　　1、 学会放大器静态工作点的调试方法，分析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、输出电阻及最大不失真输出电压的测试方法。

   3、 熟悉常用电子仪器及模拟电路实验设备的使用。

图2－1为电阻分压式工作点稳定单管放大器实验电路图。它的偏置电路采用R_B1和R_B2组成的分压电路，并在发射极中接有电阻R_E，以稳定放大器的静态工作点。当在放大器的输入端加入输入信号u_i后，在放大器的输出端便可得到一个与u_i相位相反，幅值被放大了的输出信号u₀，从而实现了电压放大。

 

图2－1  共射极单管放大器实验电路

 

　　在图2－1电路中，当流过偏置电阻R_B1和R_B2 的电流远大于晶体管T 的                           

基极电流I_B时（一般5～10倍），则它的静态工作点可用下式估算

      　   

　　　　　          

          

 

  U_CE＝U_CC－I_C（R_C＋R_E）

　　电压放大倍数

　　　 　                

输入电阻　

　R_i＝R_B1 // R_B2 // r_be

输出电阻

  R_O≈R_C

　　由于电子器件性能的分散性比较大，因此在设计和制作晶体管放大电路时，离不开测量和调试技术。在设计前应测量所用元器件的参数，为电路设计提供必要的依据，在完成设计和装配以后，还必须测量和调试放大器的静态工作点和各项性能指标。一个优质放大器，必定是理论设计与实验调整相结合的产物。因此，除了学习放大器的理论知识和设计方法外，还必须掌握必要的测量和调试技术。

　　放大器的测量和调试一般包括：放大器静态工作点的测量与调试，消除干扰与自激振荡及放大器各项动态参数的测量与调试等。

　　1、 放大器静态工作点的测量与调试

　　1)　静态工作点的测量

　　测量放大器的静态工作点，应在输入信号u_i＝0的情况下进行， 即将放大器输入端与地端短接，然后选用量程合适的直流毫安表和直流电压表，分别测量晶体管的集电极电流I_C以及各电极对地的电位U_B、U_C和U_E。一般实验中，为了避免断开集电极，所以采用测量电压U_E或U_C，然后算出I_C的方法，例如，只要测出U_E，即可用

　　 算出I_C（也可根据 ，由U_C确定I_C），

同时也能算出U_BE＝U_B－U_E，U_CE＝U_C－U_E。

为了减小误差，提高测量精度，应选用内阻较高的直流电压表。

　　2)　静态工作点的调试

     放大器静态工作点的调试是指对管子集电极电流I_C（或U_CE）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影响。如工作点偏高，放大器在加入交流信号以后易产生饱和失真，此时u_O的负半周将被削底，如图2－2(a)所示；如工作点偏低则易产生截止失真，即u_O的正半周被缩顶（一般截止失真不如饱和失真明显），如图2－2(b)所示。这些情况都不符合不失真放大的要求。所以在选定工作点以后还必须进行动态调试，即在放大器的输入端加入一定的输入电压u_i，检查输出电压u_O的大小和波形是否满足要求。如不满足，则应调节静态工作点的位置。

 

   (a)                   (b)

图2－2  静态工作点对u_O波形失真的影响

 

改变电路参数U_CC、R_C、R_B（R_B1、R_B2）都会引起静态工作点的变化，如图2－3所示。但通常多采用调节偏置电阻R_B2的方法来改变静态工作点，如减小R_B2，则可使静态工作点提高等。

图2－3  电路参数对静态工作点的影响

 

　　最后还要说明的是，上面所说的工作点“偏高”或“偏低”不是绝对的，应该是相对信号的幅度而言，如输入信号幅度很小，即使工作点较高或较低也不一定会出现失真。所以确切地说，产生波形失真是信号幅度与静态工作点设置配合不当所致。如需满足较大信号幅度的要求，静态工作点最好尽量靠近交流负载线的中点。

　　2、放大器动态指标测试

　　放大器动态指标包括电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真输出电压（动态范围）和通频带等。

　　1)　电压放大倍数A_V的测量

　　调整放大器到合适的静态工作点，然后加入输入电压u_i，在输出电压u_O不失真的情况下，用交流毫伏表测出u_i和u_o的有效值U_i和U_O，则

　　　　　　　

  　　2)　输入电阻R_i的测量

　　为了测量放大器的输入电阻，按图2－4 电路在被测放大器的输入端与信号源之间串入一已知电阻R，在放大器正常工作的情况下， 用交流毫伏表测出U_S和U_i，则根据输入电阻的定义可得

 

图2－4  输入、输出电阻测量电路

 

　　测量时应注意下列几点:

　　① 由于电阻R两端没有电路公共接地点，所以测量R两端电压 U_R时必须分别测出U_S和U_i，然后按U_R＝U_S－U_i求出U_R值。

　　② 电阻R的值不宜取得过大或过小，以免产生较大的测量误差，通常取R与R_i为同一数量级为好，本实验可取R＝1～2KΩ。

　　3)　输出电阻R₀的测量

　　按图2-4电路，在放大器正常工作条件下，测出输出端不接负载 R_L的输出电压U_O和接入负载后的输出电压U_L，根据

          

即可求出

　　    

　　在测试中应注意，必须保持R_L接入前后输入信号的大小不变。

　　4)　最大不失真输出电压U_OPP的测量（最大动态范围）

如上所述，为了得到最大动态范围，应将静态工作点调在交流负载线的中点。为此在放大器正常工作情况下，逐步增大输入信号的幅度，并同时调节R_W（改变静态工作点），用示波器观察u_O，当输出波形同时出现削底和缩顶现象（如图2－5）时，说明静态工作点已调在交流负载线的中点。然后反复调整输入信号，使波形输出幅度最大，且无明显失真时，用交流毫伏表测出U_O（有效值），则动态范围等于 。或用示波器直接读出U_OPP来。

 

图 2－5  静态工作点正常，输入信号太大引起的失真

　　5)　放大器幅频特性的测量

放大器的幅频特性是指放大器的电压放大倍数A_U与输入信号频率f 之间的关系曲线。单管阻容耦合放大电路的幅频特性曲线如图2－6所示，A_um为中频电压放大倍数，通常规定电压放大倍数随频率变化下降到中频放大倍数的 倍，即0.707A_um所对应的频率分别称为下限频率f_L和上限频率f_H，则通频带　　f_BW＝f_H－f_L

放大器的幅率特性就是测量不同频率信号时的电压放大倍数A_U。为此，可采用前述测A_U的方法，每改变一个信号频率，测量其相应的电压放大倍数，测量时应注意取点要恰当，在低频段与高频段应多测几点，在中频段可以少测几点。此外，在改变频率时，要保持输入信号的幅度不变，且输出波形不得失真。

　　6)　干扰和自激振荡的消除

　　参考实验附录

 

                                    

 

                                           3DG        9011(NPN)

                                           3CG        9012(PNP)

                                                      9013(NPN)

       图 2－6  幅频特性曲线                  图2－7晶体三极管管脚排列

 

　　1、＋12V直流电源　　　　　　　    2、函数信号发生器

　　3、双踪示波器　　　　　　　　　 4、交流毫伏表

    5、直流电压表                   6、直流毫安表

　　7、频率计　　　　    　　　　　 8、万用电表

　　9、晶体三极管3DG6×1(β＝50～100)或9011×1 （管脚排列如图2－7所示）

        电阻器、电容器若干

　　实验电路如图2－1所示。各电子仪器可按实验一中图1－1所示方式连接，为防止干扰，各仪器的公共端必须连在一起，同时信号源、交流毫伏表和示波器的引线应采用专用电缆线或屏蔽线，如使用屏蔽线，则屏蔽线的外包金属网应接在公共接地端上。

　　1、调试静态工作点

　　接通直流电源前，先将R_W调至最大， 函数信号发生器输出旋钮旋至零。接通＋12V电源、调节R_W，使I_C＝2.0mA（即U_E＝2.0V）， 用直流电压表测量U_B、U_E、U_C及用万用电表测量R_B2值。记入表2－1。

 

表2-1             I_C＝2mA

测  量  值				计  算  值
UB（V）	UE（V）	UC（V）	RB2（KΩ）	UBE（V）	UCE（V）	IC（mA）

  　　2、测量电压放大倍数

　　在放大器输入端加入频率为1KHz的正弦信号u_S，调节函数信号发生器的输出旋钮使放大器输入电压U_i 10mV，同时用示波器观察放大器输出电压u_O波形，在波形不失真的条件下用交流毫伏表测量下述三种情况下的U_O值，并用双踪示波器观察u_O和u_i的相位关系，记入表2－2。

表2－2          Ic＝2.0mA      U_i＝    mV

RC（KΩ）	RL(KΩ)	Uo(V)	AV	观察记录一组uO和u1波形
2.4	∞
1.2	∞
2.4	2.4

3、观察静态工作点对电压放大倍数的影响

　　置R_C＝2.4KΩ，R_L＝∞，U_i适量，调节R_W，用示波器监视输出电压波形，在u_O不失真的条件下，测量数组I_C和U_O值，记入表2－3。

表2－3　　　　R_C＝2.4KΩ   R_L＝∞   U_i＝　　mV

　　测量I_C时，要先将信号源输出旋钮旋至零（即使U_i＝0）。

　　4、观察静态工作点对输出波形失真的影响

置R_C＝2.4KΩ，R_L＝2.4KΩ， u_i＝0，调节R_W使I_C＝2.0mA，测出U_CE值，再逐步加大输入信号，使输出电压u₀ 足够大但不失真。 然后保持输入信号不变，分别增大和减小R_W，使波形出现失真，绘出u₀的波形，并测出失真情况下的I_C和U_CE值，记入表2－4中。每次测I_C和U_CE 值时都要将信号源的输出旋钮旋至零。

表2－4    R_C＝2.4KΩ   R_L＝∞   U_i＝　　mV

IC(mA)	UCE(V)	u0波形	失真情况	管子工作状态
2.0

      5、测量最大不失真输出电压

置R_C＝2.4KΩ，R_L＝2.4KΩ，按照实验原理2.4)中所述方法，同时调节输入信号的幅度和电位器R_W，用示波器和交流毫伏表测量U_OPP及U_O值，记入表

2－5。

        表2－5     R_C＝2.4K    R_L＝2.4K

*6、测量输入电阻和输出电阻

  　置R_C＝2.4KΩ，R_L＝2.4KΩ，I_C＝2.0mA。输入f＝1KHz的正弦信号，在输出电压u_o不失真的情况下，用交流毫伏表测出U_S，U_i和U_L记入表2-6。

　　保持U_S不变，断开R_L，测量输出电压U_o，记入表2-6。

表2-6　   I_c＝2mA   R_c＝2.4KΩ   R_L＝2.4KΩ

US (mv)	Ui (mv)	Ri（KΩ）		UL（V）	UO（V）	R0（KΩ）
		测量值	计算值			测量值	计算值

　　*7、测量幅频特性曲线

取I_C＝2.0mA，R_C＝2.4KΩ，R_L＝2.4KΩ。 保持输入信号u_i的幅度不变，改变信号源频率f，逐点测出相应的输出电压U_O，记入表2－7。

  表2－7       U_i＝    mV

fl             fo             fn
f（KHz）
UO（V）
AV＝UO/Ui

    为了信号源频率f取值合适，可先粗测一下，找出中频范围， 然后再仔细读数。

    说明：本实验内容较多，其中6、7可作为选作内容。

  　1、列表整理测量结果，并把实测的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻、输出电阻之值与理论计算值比较（取一组数据进行比较），分析产生误差原因。

    2、总结R_C，R_L及静态工作点对放大器电压放大倍数、输入电阻、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。

　　4、分析讨论在调试过程中出现的问题。

　　1、阅读教材中有关单管放大电路的内容并估算实验电路的性能指标。

　　假设：3DG6 的β＝100，R_B1＝20KΩ，R_B2＝60KΩ，R_C＝2.4KΩ，R_L＝2.4KΩ。

　　估算放大器的静态工作点，电压放大倍数A_V，输入电阻R_i和输出电阻R_O

    2、阅读实验附录中有关放大器干扰和自激振荡消除内容。

　　3、 能否用直流电压表直接测量晶体管的U_BE？ 为什么实验中要采用测U_B、U_E，再间接算出U_BE的方法？

    4、怎样测量R_B2阻值？

　　5、当调节偏置电阻R_B2，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U_CE怎样变化？

    6、改变静态工作点对放大器的输入电阻R_i有否影响？改变外接电阻R_L对输出电阻R_O有否影响？

    7、在测试A_V，R_i和R_O时怎样选择输入信号的大小和频率？

为什么信号频率一般选1KHz，而不选100KHz或更高？

8、测试中，如果将函数信号发生器、交流毫伏表、示波器中任一仪器的二个测试端子接线换位（即各仪器的接地端不再连在一起），将会出现什么问题？

 

注：附图2－1所示为共射极单管放大器与带有负反馈的两级放大器共用实验模块。如将K₁、K₂断开，则前级（Ⅰ）为典型电阻分压式单管放大器；如将K₁、K₂接通，则前级（Ⅰ）与后级（Ⅱ）接通，组成带有电压串联负反馈两级放大器。

附图2－1