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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
UCE=UCC-IC(RC+RE)
电压放大倍数
输入电阻
Ri=RB1//RB2//rbe
输出电阻
RO≈RC
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
算出IC(也可根据
,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2-2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
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
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
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
。
或用示波器直接读出UOPP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
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。
6) 干扰和自激振荡的消除
参考实验附录
3DG9011(NPN)
3CG9012(PNP)
9013(NPN)
图2-6幅频特性曲线图2-7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RW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RW,使IC=2.0mA(即UE=2.0V),用直流电压表测量UB、UE、UC及用万用电表测量RB2值。
记入表2-1。
表2-1IC=2mA
测量值
计算值
UB(V)
UE(V)
UC(V)
RB2(KΩ)
UBE(V)
UCE(V)
IC(mA)
2.7
2
4.85
52
0.7
5.2
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uS,调节函数信号发生器的输出旋钮使放大器输入电压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。
表2-2Ic=2.0mAUi=10mV
RC(KΩ)
RL(KΩ)
Uo(V)
AV
观察记录一组uO和u1波形
2.4
∞
0.262
26.2
1.2
0.142
14.2
0.122
12.2
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。
表2-3 RC=2.4KΩRL=∞Ui= 10mV
1.5
1.7
2.0
2.3
2.5
UO(V)
0.242
0.385
0.456
0.532
0.642
24.2
38.5
45.6
53.2
64.2
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。
表2-4RC=2.4KΩRL=∞Ui= 10 mV
u0波形
失真情况
管子工作状态
1.0
838
失真
饱和状态
5.53
正常
正常放大状态
3.4
0.13
截止状态
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。
表2-5RC=2.4KRL=2.4K
Uim(mV)
Uom(V)
UOPP(V)
3.43
17
1.3
2.68
五、实验总结:
根据以上实验,测得的数据在误差范围之内,实验结果成立。
符合共射级的电路的特性。
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。
产生误差的原因:
①电阻本身产生热,使得测得的电阻比原来小
②电阻并非纯电阻,制造之中有误差
③读数误差
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。
Rc越大,电压放大倍数越大、输入电阻不受影响、输出电阻越大。
Rl越大,电压放大倍数越小、输入电阻越小、输出电阻不受影响。
静态工作点中电流越大,电压放大倍数越大、输入电阻越小、输出电阻不受影响。
但静态工作点太大或太小容易导致三极管进入饱和区或截止区,使得三级管放大的波形失真
3、讨论静态工作点变化对放大器输出波形的影响。
静态工作点选择不合适的话,放大器就会出现失真。
静态工作点在特性曲线的位置如果上升(变大),那么Q点会到达饱和区,会出现饱和失真,也就是正弦波信号的上半部分会缺失;
静态工作点在性曲线的位置如果下降(变小),那么Q点会到达截止区,会出现截止失真,也就是正弦波信号的下半部分会缺失。
4、分析讨论在调试过程中出现的问题。
调试过程中出现的问题:
1、示波器导线有干扰,读数不稳定;
2、在测加入信号后的电压误用万用表测量,应该用示波器来测量更为准确
回答预习要求问题:
3、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?
不可以用直流电压表直接测量晶体管的UBE,因为该数值非常小不容易测量,启动不了直流电压表,所以不能直接测量。
测量采用测UB、UE,再间接算出UBE的方法,则可以避免这一种情况。
4、怎样测量RB2阻值?
可用万用表可以测量RB2阻值
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?
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升高(或降低)。
6、改变静态工作点对放大器的输入电阻Ri有否影响?
改变外接电阻RL对输出电阻RO有否影响?
改变静态工作点对放大器的输入电阻Ri有影响,改变外接电阻RL对输出电阻RO无影响。
(根据实验表2-2可得)。
7、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?
在测试AV,Ri和RO时,选择输入信号的大小和频率不超过BJT的带宽,选择1KHZ而不选择100KHZ,因为100KHZ会使得BJT无法响应,显示不出波形来。
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?
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),将会将函数发生器烧毁。
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