实验三 单级低频放大电路（2013改）

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。 RB1 RW 200kΩ Ucc(+12V) RC 2kΩ Rs + 3kΩ us - + + C1 10μF ui - RB2 18kΩ R1 6.2kΩ 9013 RE1 33 RE2 1kΩ + C2 10μF + RL 2kΩ uO + CE 47μF - 图3.1.1 单级共发射极放大电路

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。

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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=UB—UE，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

UB?RB2UCC

RB1?RB2IE?UB?UBE?IC REUCE?UCC?IC(RC?RE)

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2）电压放大倍数

AU???3）输入电阻

RC//RL

rbe?(1??)RE2 Ri?RB1//RB2//[rbe?(1??)RE2]

4）输出电阻

RO?RC

（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。

①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

t t iC N Q1 Q Q2 O M uCE 饱和失真 截止失真 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

图3.1.2 饱和、截止失真波形 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

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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。

②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。

N iC N Q2 Rb2Rb iC N iC Q1 Rc1>Rc Q Q2 Rc2 UCC O M uCE O M uCE O M uCE (a)Rb变化对Q点的影响 (b) Rc变化对Q点的影响 图3.1.3 电路参数对Q点的影响 (c) UCC变化对Q点的影响

Rb↑→IBQ↓→工作点沿直流负载线下移 Rb↓→IBQ↑→工作点沿直流负载线上移 II．RC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。

RC↓→N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。 RC↑→N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。 III．UCC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。

UCC↑→IBQ↑→M↑→N↑→直流负载线平行上移→工作点向右上方移动。 UCC↓→IBQ↓→M↓→N↓→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。

①电压放大倍数Au

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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。

②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。

③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Ri<

输入电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。

R 正弦 信号 发生器 Rs + + + W us R ui - - 被测 Ri 放大 被测 放大 + 电路u o Ro S RL + uO 电路 uS － － - 图3.1.4 输入电阻测量原理图 图3.1.5 输出电阻测量原理图

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

Ri?uiR

us?ui1us，25

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ui?

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