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动作
减小RW
增大RW
减小输入信号
加大输入信号
表1静态工作点调整观象动作归纳
根据示波器上观察到的观象,做出不同的调整动作,反复进行。
当加大输入信号,两种失真同时出现,减小输入信号,两种失真同对消失时,可以认为此时的静态工作点正好处于交流负载线的中点,就是最佳的静态工作点。
去掉输入信号,测量此时的UCQ,就得到了静态工作点。
2.电压放大倍数测量
放大电路的电压放大倍数测量,必须在输出信号没有明显失真的情况下进行。
测量方法可以分为粗略测量和精细测量两种。
可以根据测量要求选择测量方法。
粗略测量:
直接用示波器测量。
使用双踪示波器的两个通道,同时测量输入信号幅值和输出信号幅值,两者相除就是电压放大倍数。
或者使用单踪示波器,分测量也可。
需要注意的是,这种测量,在输出信号失真的情况下,是毫无意义的。
测量时,必须按照上述的失真判断方法,密切观察输出信号的失真情况。
精细测量:
用晶体管毫伏表测量。
在保证输出信号没有失真的情况下,直接用晶体管毫伏表,分别测量输入信号和输出信号的有效值,直接相除也是电压放大倍数。
注意,这种测量,要求在测量的同时,一直用示波器监视输出信号,输出失真或者没有监测,测量都无效。
3.输入电阻测量
选择Ri与估计的输入电阻近似,将一定频率的源信号加入us两端,用晶体管毫伏表分别测量us和ui处的电压有效值us、ui,则Ri=Rl*Ui/(Us-Ui)
4.输出电阻测量
根据输出电阻的定义,按照图2.1.5所示电路测量。
断开开关S,在输入端加入一定频率的正弦信号,观察输出信号,在不失真的情况下,用晶体管毫伏表测量输出电压,记为UO∞闭合开关S,输入信号不变,用晶体管毫伏表测量输出电压,记为UOL,则输出电阻为:
5.频率特性的测量
本实验提供的电路,存在耦合电容C1、C2。
这两个电容对低频信号都有阻断作用。
在实验前,我们就应该知道,在一个相当宽的频率范围内,本放大器的电压放大倍数基本不变,我们称之为中频放大倍数。
并且,随着输入信号频率的降低,本放大器的电压放大倍数也在降低。
当不断降低输入信号频率,使得电压放大倍数为中频放大倍数的0.707倍时,记录此时的输入信号频率,即为该电路的下限截止频率人。
依照对应的方法增加输入信号频率,还可以找到上限截止频率fH。
但是由于本电路的fH较大,对设备要求较高,本次实验只进行下限截止频率的测量。
中频电压放大倍数的测量:
对本电路进行估算,可以知道其下限截止频率大约在十赫兹左右,因此,可以选取10倍于fL的值作为输入信号频率的起点,然后依次以1,2,5倍数增加频率,分别测量其放大倍数,当从测量值上看不出频率变化引起的电压放大倍数变化时,说明输入信号频率已经进入中频段,此时的电压放大倍数即为中频电压放大倍数。
下限截止频率的测量:
为了提高测量效率,一般将测量过程分为两步,首先粗测,保持输入信号幅度不变,调节其频率,在示波器上观察输出信号幅度,当其为中频输出幅度的0.7-0.8倍时,进入细测,细调输入信号频率,用晶体管毫伏表分别测量输入、输出信号的有效值,计算的电压放大倍数为中频放大倍数的0.707倍时,记录此时的输入信号频率(可以用频率计、信号源频率显示或者示波器目测获得),即为下限截土上频率。
实际上,对于一个已知是一阶高通的放大电路,你只要利用自己认为合适的方法,调节输入信号频率,使得该频率下,电压放大倍数是中频电压放大倍数的0.707倍,这个频率就是下限截止频率。
而对于一个不能完全肯定其频率特性的电路,通常要结合粗测和细测,描绘出电路的幅频特性和相频特性。
本实验仅要求测量电路的—下限截止频率。
注意,对频率特性的测量,应该在有负载的情况下进行。
实验2.2含负反馈的多级晶体管放大电路
一、实验目的
1.构建多级共射极放大电路,对静态工作点、放大倍数进行调节,使其满足设计要求。
2.对多级放大电路的放大倍数、输入电阻、输出电阻、频率特性等进行测量。
3.在上述开环多级放大电路中引入电压串联负反馈。
4.对负反馈电路的放大倍数、输入电阻、输出电阻、频率特性等进行测量,并与开环放大电路进行比较。
5.更换第一级放大电路的三极管,观察负反馈的影响。
二、实验原理
本实验要求将2个共射极单管放大电路,按照阻容耦合方式进行级联,并在此基础上,由输出端引入电压串连负反馈。
对整个电路的要求,一般靠各个放大电路的指标体观。
因此,需要事先对单元电路的指标提出要求。
本实验中,我们首先构建一个多级的、开环放大倍数大于2000的放大电路,并在此基础上引入电压串联负反馈。
1.多级放大电路
图2.2.1为一个2级共射极放大电路。
与图2.1.1所示电路的主要区别是,这个电路具有稳定静态工作点的作用。
图2.2.1稳定静态工作点的2级共射极放大电路
第一级和第二级的静态工作点互不干扰,第一级放大电路的静态分析如下,第二级静态分析类推:
根据电路参数和实际调试结果,在晶体管β大约为100左右时,整个放大电路的电压放大倍数约为几千倍,输入电阻约为2kΩ左右,输出电阻约为2kΩ左右,下限截止频率约为100Hz左右,上限截止频率约为30kHz左右。
当然,上述参数只是一个大致范围,具体指标将与各自电路参数有关。
这些参数的大致范围,为后期引入负反馈带来参数改变提供了对比。
可以想象,在后期引入电压串联负反馈后,首先,晶体管的更换将不会导致这个参数的明显变化,放大器的稳定性大幅度提高,其次,上限截止频率将大幅度提高,下限截止频率将大幅度下降,输入电阻将大幅度提高,输出电阻将大幅度下降。
这些是我们期望获得的,是否真如理论分析一样,后面的实验会验证这些。
另外,对于本电路,设计要求中给出了整体的放大倍数要大于2000倍,那么从放大倍数的.表达式可以看出,两级放大电路中的RC和晶体管的rbe将直接影响放大倍数,而rbe又与静态工作点相关,因此,放大倍数与静态工作点的矛盾就凸现出来。
当Rc固定,调节Rw可以获得最佳的静态工作点,而此时的放大倍数则不一定(几乎完全不)符合设计要求。
此时一旦再改变RC,使放大倍数满足要求,则静态工作点几乎就不会是最佳的。
如何解决这个矛盾呢?
对多级放大电路的第一级,由于其信号输出本身就很小,并不需要用最佳的静态工作点来满足最大的动态范围,因此,只要输出不失真,可以将调节重点放在放大倍数上。
而第二级放大电路,其输出信号幅度较大,如果没有合适的静态工作点,则很容易使输出幅度降低或者失真。
因此,调整重点应放在静态工作点上。
为了减小调节难度,本实验仅仅要求保证输出不失真、整个放大电路的放大倍数大于2000即可。
因此,电路调节过程如下:
●首先按照图2.2.1在面包板上搭接电路;
●在C2右端观察输出,按照实验2.1方法,对前级电路进行静态工作点调节;
●从C2左端断开,按照实验2.1方法,对后级放大电路单独调节静态工作点;
●重新连接电路,测试放大倍数,此时两个放大器都处于最佳的静态工作点,观察电压放大倍数是否满足大于2000的要求;
如果满足,则调试结束;
●如果不满足,则增加前级的Rc,或者减小Rwl,此时静态工作点开始向饱和区靠拢,就是牺牲了最佳静态工作点,获取满足要求的电压放大倍数。
2.含电压串联负反馈的共射极放大电路
图2.2.2是在图2.2.1基础上,增加电阻REF、反馈电阻Rf以及隔直电容Cf,构成的电压串联负反馈电路。
图2.2。
2含电压串联负反馈的2级共射极放大电路
为了更清晰地理解负反馈电路的工作原理,在图2.2.2中我们用同心圆符号标记了Xl、X2、Y三个关键点。
从信号的流向看,这三个关键点将一个多级放大器包围在内部,这个多级放大器可以用一个等效的运算放大器表示。
根据瞬时极性法,可以判断出等效运放的正输入端为X1、负输入端为X2、输出端为Y。
这样,这个复杂的电路就可以用图2.2.3的简化图替代,并且其中等效运放的参数为:
因此,在等效运放的外围,通过Cf、Rf、REF引入电压串联负反馈,将使得整个反馈放大电路的性能发生根本的改变:
说明闭环(含负反馈)电压放大倍数几乎仅与外接电阻有关,晶体管的更换等几乎不会影响其放大倍数。
这就是负反馈对增益稳定性的影响。
说明串联负反馈输入电阻成倍地增加。
说明电压负反馈输出电阻产倍地减小。
说明负反馈使得下限截止频率成倍下降。
说明负反馈使得上限截止频率成倍提高。
综合说明,引入负反馈后,信号通频带获得了较大的扩展。
从上述分析可以看出,负反馈的引入,的确改变了放大器的许多性能。
同学们可以在实验中对开环放大器(无负反馈)和闭环放大器(有负反馈)的性能进行对比,体会负反馈的强大作用。
三、实验步骤
1.多级放大电路实验
按照图2.2.1,在面包板上搭接电路。
然后分别完成如下任务:
●静态工作点的初步调节
将图2.2.1中C2的右端作为输出端,依据实验2.1中静态工作点调节方法,对第一级放大电路进行静态工作点调节,使第一级放大电路具有最大的动态范围。
在图2.2.1中,将C2左端断开,输入信号从C2左端引入,输出在RL端,依据实验2.1中静态工作点调节方法,对第二级放大电路进行静态工作点调节,使第二级放大电路具有最大的动态范围。
由于两级放大电路之间的静态工作点互不干扰,将C2恢复连接,即完成了整个多级放大电路的静态工作点的初步调节。
●放大倍数韵测试和调节
在图2.2.1中的输入端加入小信号。
由于要求整个多级放大电路的放大倍数大于2000,为使输出不失真:
输入信号幅度大约应为1mV左右。
有些信号源无法提供这样小的信号,需要在输入端增加一套衰减电路,如图2.2.4所示。
在输出端用示波器观察输出信号,在输出不失真的情况下,用晶体管毫伏表分别测量输入信号Ui、两级输出信号的有效值Uol、Uo,并计算获得各级的电压放大倍数:
当Au大于2000,说明在静态工作点初步调节的情况下,电压放大倍数满足要求,记录上述电压放大倍数,此部任务结束。
当Au小于2000,说明在静态工作点初步调的情况下,电压放大倍数没有满足要求,需要对电压放大倍数进行增大调节。
根据实验原理部分的分析,只有在第一级电路中对Rc进行增大调节,或者对Rw1进行减小调节,可以使得放大倍数增加。
根据实际情况,调节Rw,更方便。
因此,谨慎调节Rw1使得输出信号幅度在增加过程中满足放大倍数要求。
●测量静态工作点和开环电压放大倍数
此时,整个放大电路达到了—个折中状态:
第二级的静态工作点为最佳,第一级不是最佳,而整个电路的放大倍数满足要求。
由于第一级放大电路输出信号较小,对输出动态范围没有过高要求,其静态工作点不处于最佳状态是可以被接受的。
因此,测量此时的静态工作点和电压放大倍数,作为后期的其它参数测量基础。
开环电压放大倍数的测量方法同上,仍以示波器配合晶体管毫伏表进行。
测量静态工作点有两种方法:
第一、用示波器的DC档测量:
将信号源去掉,用示波器的DC档直接测量UBQ1、UEQ1、UCQ1、UBQ2、UEQ2、UCQ2,并记录。
这种方法,由于示波器输入阻抗较高,测量中对原电路几乎没有影响,但是缺点是示波器读数不精确。
第二、用万用表直流电压档测量:
将信号源去掉,用万用表的直流电压档,分别测量UBQ1、UEQ1、UCQ1、UBQ2、UEQ2、UCQ2,并记录。
这种方法的优点是万用表读数比示波器更加准确,但是缺点是有可能对原电路的静态工作点有影响,主要原因是万用表测量电压时的输入阻抗较小,一般为20kΩ/V。
对静态工作点的测量,并不要求特别准确,因此,我们推荐学生使用示波器测量。
●测量开环输入电阻
多级放大电路的输入电阻测量方法与实验2.1相同。
请参阅相关部分。
由于在小信号下,测量误差较大,可以考虑适当增加输入信号幅度。
多数情况下,少许增加输入信号,就有可能使得第二级输出产生失真。
但是,测量输入电阻时,一定要求多级放大电路所有输出都不能失真吗?
不。
只要保证第一级输出不失真,测量就是有意义的。
因此,按照图2.2.5电路,在多级放大电路的第一级非零输入端串入一个电阻Rl,在观察到第一级输出不失真的情况下,用晶体管毫伏表分别测量US和Ui,计算Ri:
需要注意的是,测量之前最好对Ri进行估计,并且选择R1近似于Ri相等,有助于提高测量精度。
●测量开环输出电阻
根据输出电阻的定义,按照图2.2.6所示电路测量。
断开开关S,在输入端加入一定频率的正弦信号,观察输出信号,在不失真的情况下,用晶体管毫伏表测量输出电压,记为Uo∞闭合开关S,输入信号不变,用晶体管毫伏表测量输出电压,记为Uol,则输出电阻为:
我们注意到,图2.2.6没有标识,上述文字也没有说明,输入信号到底在哪里加入?
实际上,你既可以在多级放大电路的第一级加入,也可以将多级放大电路从中断开,在中间加入输入信号,只是要保证一点,那就是在片断开和闭合的情况下,输出信号都没有失真。
●测量开环放大电路的频率特性
为了充分体观负反馈对频带的扩展作用,设计电路时必须表现出开环放大电路的上限、下限截止频率,以便与有反馈的闭环电路相比较。
图2.2.1中的CH就是为了在信号频率较低时(仪器可以测量),表现出上限截止频率的特征。
而下限截止频率,主要靠隔直电容Cl、C2、C3,以及旁路电容CE来表现。
测量方法与实验2.1相同。
在图2.2.1中,用实验2.1中介绍的方法,可以获得开环放大电路的下限截止频率fL,上限截止频率fH。
2.含电压串联负反馈的多级放大电路实验
在图2.2.1电路的基础上,将电路修改为图2.2.2。
然后完成如下任务:
●负反馈放大电路基本功能测试
在对一个负反馈放大电路的性能进行测量之前,保证这个电路的正常工作是重要的。
基本功能测试就是这个目的,其测试内容为:
首先,用示波器大致观察整个电路的电压放大倍数,应该与理论计算大致一样。
其次,在反馈电阻上并联一个相同的电阻,其放大倍数应该下降为原先的0.5倍,基本可以肯定反馈支路是正确连接的。
这些测试,基本可以保证这是一个负反馈放大电路,其工作基本正常。
●测量闭环电压放大倍数
在图2.2.2的输入端,加入频率约为lkHz的正弦信号,调节幅度,使得输出尽量较大而不失真。
由于引入负反馈后,整个闭环电压放大倍数远比原先开环的2000倍小,所以,输入端不再需要分压衰减电路。
用晶体管毫伏表,在示波器监视的情况下,测量输入电压有效值Ui和输出电压Uo的有效值,计算出闭环电压放大倍数Auf。
●
测量闭环输入电阻
在图2.2.2的输入端串入一个电阻Rl,并加入中频段某一频率的正弦信号,图2.2.7是测量方法的示意图。
用晶体管毫伏表配合示波器观察,分别测量R1两端的电压有效值US、Ui,计算输入电阻:
这个输入电阻不同于示意图中的Ri,由于串联负反馈的作用,闭环输入电阻要远远大于Ri,因此,选择R1应该注意,尽量保证Rl与估算的Rif相同。
●测量闭环输出电阻
闭环电路输出电阻的测量方法与开环相同。
需要注意的是,由于闭环电路引入了电压负反馈,使得输出电阻远比开环电路小,因此,测量带负载输出电压时,应该选择很小的负载电阻,才能表现出负载电阻将输出电压“拉”下来的特性。
根据实验原理介绍,本闭环电路的输出电阻大约为几十欧姆,因此,可以选取RL为50Ω。
●测量闭环电路的频率特性
测量方法与实验2.1相同。
实验2.3集成运放构成的三角波方波发生器
一、实验目的
●理解三角波方波发生器的设计思路:
搭接出最简单的电路,获得固定频率、幅度的三角波、方波输出。
●理解独立可调的设计思路,搭接出频率、占空比、三角波幅度、三角波直流偏移、方波幅度、方波直流偏移均独立可调的电路,调整范围不限。
●理解分块调试的方法,进一步增强故障排查能力。
二、实验原理
图2.3.4是可以满足设计要求的最终电路。
其中A1、A2、A3及其附属电路,完成三角、波、方波的发生,并且实观频率和占空比的可调。
A4、A5及其附属电路,实现三角波和方波的幅度、直流偏移可调。
图2.3,4电路与图2.3.3电路有3点主要的区别。
第一、用.Ri3、Rw2、Dzl、Dz2组成一个双向电阻值不同的电路,取代图2.3.3中的积分器电阻R,使得积分器工作过程中,正向充电和反向放电的时间常数不一致,三角波上升斜率和下降斜率大小不同,造成方波的占空比不同。
需要注意的是,由于用一个电位器调节,无论在什么位置,积分器的正向时间常数和反向时间常数的和,是一个常数,就造成单纯调节Rw2,只改变占空比而不会改变频率。
第二、在稳压管输出和积分器之间,加入A3构成的反相放大器,可以通过Rwl调节积分器输入电压大小,进而改变积分器输出电压变化斜率,造成波形发生的频率变化。
这样,uo1产生方波,U02产生三角波。
这两个波形的频率相同,占空比相同。
第三、由于中间引入反向放大,在A1的输入端接法上,又回归到图2.3.2所示的结构。
图中,只3是限流电阻,主要作用是防止运放A1的输出电流过大。
当电源电压为±
15V,运放输出电压最大值一般为+14V,此时,运放的输出电流为(14-6.2)/1.3k=6mA,小于其最大输出电流。
图2.3.4下方有两套相同的电路A4、A5,分别完成对两种波形的幅度和直流偏移的调整。
以A4电路为例,其输入信号是方波(其频率和占空比已经由上部分电路中的RwI、Rw2调整),通过调节Rw3可以改变输出三角波uo2的直流偏移,通过调节Rw4,可以改变输出方波U04的幅度。
请读者可以根据图2.3.4电路参数,结合教科书内容,对其输出频率、占空比、幅度、直流偏移量的变化范围进行分析,并在实验中加以验证。
四、实验步骤
1.方波发生器
按照图2.3.1电路,自行设计电路参数,估算振荡频率和负指数曲线的幅值,并在面包板上完成搭接。
用双踪示波器观察电容器电压和运放输出电压的波形,并记录,分析估算值和实测值的一致性,认真体会这个电路为什么能够振荡。
2.三角波方波发生器
按照图2.3.3电路,要求输出频率为1000Hz,三角波幅度为±
2.5V,方波幅度为±
5V。
设计电路参数,估算振荡频率和幅度,并在面包板上完成搭接。
用双踪示波器观察三角波和方波输出电压的波形,并记录,分析估算值和实测值的一致性。
3.独立可调的三角波方波发生器
按照图2.3.4在面包板上搭接电路。
调节Rw1,用双踪示波器观察三角波uo5和方波uo4的波形,并记录,观察频率调节范围与分析估算值的一致性。
调节Rw2,用双踪示波器观察三角波uo5和方波uo4的波形,并记录,观察占空比调节范围与分析估算值的一致性。
调节Rw3,用双踪示波器观察三角波uo5和方波uo4的波形,并记录,观察方波直流偏移量的变化范围与分析估算值的一致性。
特别注意,这个调节对其它波形、其它参数的影响是否存在,以证明其调节的独立性。
调节只w5,用双踪示波器观察三角波uo5和方波u04的波形,并记录,观察三角波直流偏移量的变化范围与分析估算值的一致性。
特别注意,证明其调节的独立性。
调节只w4,用双踪示波器观察三角波uo5和方波uo4的波形,并记录,观察方波幅度的变化范围与分析估算值的一致性。
调节只w6,用双踪示波器观察三角波uo5和方波uo4的波形,并记录,观察三角波幅度的变化范围与分析估算值的一致性。
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