模电实验 晶体管共射极放大电路

晶体管共射极放大电路

一、实验目的

1、 学习放大电路静态工作点的测试及调整方法,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。

二、实验原理

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RB1和RB2组成的分压电路,并在发射极中接有电阻RE,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ui后,在放大器的输出端便可得到一个与ui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1-1 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RB1和RB2 的电流远大于晶体管T 的

基极电流IB时(一般5~10倍),则它的静态工作点可用下式估算

RB1RB1+RB2

UB≈UCC

(1-1)

≈ I E

UB-UBE

E

R ≈ I C (1-2)

RC // RL

rbe

UCE=UCC-IC(RC+RE) (1-3) 电压放大倍数

AV=-β

(1-4)

输入电阻 Ri=RB1 / RB2 / rbe (1-5) 输出电阻 RO≈RC (1-6)

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ui=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IC以及各电极对地的电位UB、UC和UE。一般实验中,为了避免断开集电极,所以采用测量电压UE或UC,然后算出IC的方法,例如,只要测出UE,即可用

IC≈IE=

UERE

算出IC(也可根据IC=

UCC-UC

RC

,由UC确定IC),同时也能算出

UBE=UB-UE,UCE=UC-UE。

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IC(或UCE)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uO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uO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ui,检查输出电压uO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1-2 静态工作点对uO波形失真的影响

改变电路参数UCC、RC、RB(RB1、RB2)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RB2的方法来改变静态工作点,如减小RB2,则可使静态工作点提高等。

图1-3 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AV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ui,在输出电压uO不失真的情况下,用交流毫伏表测出ui和uo的有效值Ui和UO,则

AV=

U0Ui

(1-7)

2) 输入电阻Ri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US和Ui,则根据输入电阻的定义可得

Ri=

UiIi

=UiURR

=

UiUS-Ui

R

图1-4 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 UR时必须分别测出US和Ui,然后按UR=US-Ui求出UR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Ri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 RL的输出电压UO和接入负载后的输出电压UL,根据

即可求出

UL=

RLRO+RL

UO

(1-8)

RO=(

UOUL

-1)R

L

(1-9)

在测试中应注意,必须保持RL接入前后输入信号的大小不变。

4) 最大不失真输出电压UOPP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RW(改变静态工作点),用示波器观察uO,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UO(有效值),则动态范围等于22U0。或用示波器直接读出UOPP来。

图 1-5 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AU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,Aum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1/2倍,即0.707Aum所对应的频率分别称为下限频率fL和上限频率fH,则通频带fBW=fH-fL

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AU。为此,可采用前述测AU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。

3DG 9011(NPN)

3CG 9012(PNP) 9013(NPN)

图 1-6 幅频特性曲线

图1-7晶体三极管管脚排列

三、实验设备与器件

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

四、实验内容

实验电路如图1-1所示。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

输入端先不加正弦交流信号,接通+12V电源、调节RW,使IC=2.0mA(即UR=4.8V) ,用直流电压表测UB、UE、UC的值。记入表2-1。

C

表1-1 IC=2mA(U

RC

=4.8V)

2、测量电压放大倍数

在放大器输入端(A对地)加入频率为1KHz的正弦信号uS,调节函数信号发生器的输出旋钮,使放大器输入电压(B对地)Ui 10mV,同时用示波器观察放大器输出电压uO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UO值,并用双踪示波器观察uO和ui的相位关系,记入表2-2。

3、观察静态工作点对电压放大倍数的影响

置RC=2.4KΩ,RL=∞,Ui适量,调节RW,用示波器监视输出电压波形,在uO不失真的条件下,测量数组IC和UO值,记入表2-3。

测量IC时,要先将信号源输出旋钮旋至零(即使Ui=0)。

4、观察静态工作点对输出波形失真的影响

置RC=2.4KΩ,RL=2.4KΩ, ui=0,调节RW使IC=2.0mA,测出UCE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RW,使波形出现失真,绘出u0的波形,并测出失真情况下的IC和UCE值,记入表2-4中。每次测IC和UCE 值时都要将信号源的输出旋钮旋至零。

5、测量最大不失真输出电压

置RC=2.4KΩ,RL=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RW,用示波器和交流毫伏表测量UOPP及UO值,记入表2-5。 6、测量输入电阻和输出电阻

置RC=2.4KΩ,RL=2.4KΩ,IC=2.0mA。输入f=1KHz的正弦信号,在输出电压uo不失真的情况下,用交流毫伏表测出US,Ui和UL记入表2-6。 保持US不变,断开RL,测量输出电压Uo,记入表2-6。

7、测量幅频特性曲线

取IC=2.0mA,RC=2.4KΩ,RL=2.4KΩ。 保持输入信号ui的幅度不变,改变信号源频率f,逐点测出相应的输出电压UO,记入表2-7。

表1-7 Ui= mV

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,其中一些可作为选作内容。

五、实验报告

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RC,RL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、 能否用直流电压表直接测量晶体管的UBE? 为什么实验中要采用测UB、UE,再间接算出UBE的方法?

5、当调节偏置电阻RB2,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UCE怎样变化?

6、在测试AV,Ri和RO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?

7、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?


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