2 new第二单元基本线性电路解析.docx

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2new第二单元基本线性电路解析

第二单元基本线性电路

所谓线性电路，一方面可以从时域来定义，即其输出与输入成线性关系，也即：

VO=kVi+d（式中：

VO为电路或系统输出，k为电路或系统的增益，Vi为电路或系统输入，d为电路输出失调或偏移电压）。

也可以从频域来看，线性电路的输出中不会产生新的频率分量。

换言之，线性电路的输出中不会出现其输入中所没有的频率分量。

绝对多数的应用电路或系统都是线性的，虽然他们可能十分复杂，但也都是由一些基本的线性电路所构成，因而，只有掌握了这些基本线性电路，才能够设计和研发一套有实用价值的复杂应用系统。

限于篇幅，本单元仅仅涉及一些最基本、但也最重要的一些线性电路。

2.1简单RC电路

实验背景：

RC（阻、容）电路是最基本的一个电路，顾名思义，阻容电路是电阻和电容构成的电路，并常常指由一只电阻和一只电容构成的电路。

阻容电路的作用主要是滤波、交流耦合、微分、积分。

值得强调的是：

虽然阻容电路是最简单的基本电路之一，但要真正掌握他并非易事，可掌握他又特别重要，是必备电子电路基本能力。

实验目的：

了解RC电路的基本作用，RC电路的参数与信号频率的关系，如何在时域观察信号并推断电路的参数。

实验器材：

示波器、信号发生器和万用表各一台、100k、10k、1k、100的电阻各一只，10u、1u、0.1、0.01的电容各一只。

（注：

工程上电阻阻值M和k分别简单地标注为M和k，而级电阻则不标注单位，而电容容值F则标注为u，0.几或0.0几F与pF的电容不标注单位）

实验内容：

（1）频域测试（稳态测试）

按照图2-1（a）所示的电路搭接好，在电路的输入端分别施加10Hz至10MHz的正弦信号，用示波器同步观察电路的输入与输出并记录不同频率时的输出幅值和相位。

提示：

在滤波频率转折点附近，适当地减小信号发生器频率变化的步长和改变示波器观察电路输出通道的灵敏度，以便更精确地观察信号输出的变化。

（a）RC电路之一（b）RC电路之二

图2-1基本RC电路

（2）时域测试（瞬态测试）

同样按照图2-1（b）所示的电路搭接好，在电路的输入端分别施加10Hz至10MHz的方波信号，用示波器同步观察电路的输入与输出并记录不同频率时的输出。

方波垂直边代表高频，向右倾斜乃至弯曲，表示高频不好。

　　方波水平边代表低频，像中央倾斜及弯曲，表示低频不好。

　　依据以上两点，且可做以下推论：

　　水平向内倾斜即代表低频不好，则水平向外倾斜就代表低频很好。

（好代表平直，不好指有衰减，很好是提升的意思）

　　垂直向左弯斜代表高频不好，而垂直却不可能向左斜（时间是不能倒流滴!

），但是所谓低频不好，即意味着高频很好，所以其情况与低频不好是很相似的。

（3）简单串接实验

用手指触碰到示波器探头，你能够看到什么样的信号（幅值与频率）？

如果看不到，调整触发电平（trigger）、幅值、基线位置等。

（4）简单并接实验

将示波器的两个探头同时接到其标准信号的输出端，分别将示波器设置为各自独立、相加、相减、第1、第2通道分别作为X、Y输入，观察示波器显示的图形并纪录。

改变输入通道的灵敏度，观察示波器显示的图形并纪录。

图2-2基本RC串联电路图2-3基本RC并联电路

实验报告：

要求实验报告有如下的内容：

（1）频域测试实验的记录，并从中分析电路的实际截止频率和理论计算（即从器件的标称值推算）的截止频率的差异。

（2）时域测试实验的记录，并给出你自己的体会。

（3）对于两个基本RC电路直接连接在一起构成带通滤波器，给出你的讨论。

（4）做实验所遇到的问题及其解决办法（没有解决的问题也请写出来）。

思考题：

[1]在频域实验中，滤波器的实际截止频率与理论的截止频率是否相同？

为什么？

[2]如果将图2-1所示电路中的阻容参数分别改为1M和10p，请测试一下该的传输特性并与理论值相对比，有什么问题？

与理论值相差很大

[3]在时域测量中，其结果与你的预期是否相同？

[4]了解一下方波测量（又成为瞬态测量[就是在输入信号发生变化的瞬间，输出发生变化]）的方法，如何利用方波测量快速判断电路（或系统）的传输特性？

[5]你如何认识RC电路的串接和并接？

[6]做完该实验后，你对交流耦合电路、高通电路和微分电路有何认识？

对（线性）积分、指数积分和低通电路有何认识？

2.2晶体管放大电路

实验背景：

晶体管既是基本的放大元件，又是构成集成运算放大器的基本构件。

掌握好晶体管电路，特别是基本放大电路，有助于掌握包括放大在内的模拟信号处理电路。

实验目的：

了解晶体管放大电路的构成、晶体管工作状态及其测试、设置与调整、晶体管参数及其对电路的影响。

实验器材：

示波器、信号发生器、万用表和直流稳压电源各一台，电烙铁一把，晶体管与阻容元件等若干。

实验内容：

（1）简单偏置电路

按照图2-4所示的电路搭接好，进行如下的实验。

（a）静态工作点的调整：

调整可变电阻，使得为Vo=3V左右。

（b）在输入端施加不同频率的信号，测试电路的传输特性。

频带较窄15hz-500khz

（c）在信号发生器的输出端和电路的输入端串接一只10k的电阻后，再次测试电路的传输特性。

（d）分别在输出串联一只0.1u的电容后接上100k、4.7k和470的负载后再测试一下电路的传输特性。

负载大，传输特性较好，晶体管前级分得的电压会减小。

（e）用一把正在加热的电烙铁靠近（但不要接触）晶体管T，并尽快测量Vo。

（2）分压偏置电路

按照图2-5所示的电路搭接好，进行如下的实验。

（a）静态工作点的调整：

调整可变电阻，使得为Vo=3V左右。

（b）在输入端施加不同频率的信号，测试电路的传输特性。

（c）在信号发生器的输出端和电路的输入端串接一只10k的电阻后，再次测试电路的传输特性。

（d）分别在输出串联一只0.1u的电容后接上100k、4.7k和470的负载后再测试一下电路的传输特性。

（e）用一把正在加热的电烙铁靠近（但不要接触）晶体管T，并尽快测量Vo。

图2-4简单偏置电路图2-5分压偏置电路

（3）反馈分压偏置电路

按照图2-6所示的电路搭接好，进行如下的实验。

（a）工作点的调整：

调整可变电阻，使得为Vo=3V左右。

（b）在输入端施加不同频率的信号，测试电路的传输特性。

不加电容的情况下，放大倍数在10倍左右。

管子的放大倍数远大于1，电路处于深度负反馈状态，放大倍数只取决于反馈网络为电阻的比值

（c）在信号发生器的输出端和电路的输入端串接一只10k的电阻后，再次测试电路的传输特性。

（d）分别在输出串联一只0.1u的电容后接上100k、4.7k和470的负载后再测试一下电路的传输特性。

（e）用一把正在加热的电烙铁靠近（但不要接触）晶体管T，并尽快测量Vo。

（4）直流反馈分压偏置电路（反馈结果使输出量减小，称负反馈。

反馈出现在直流通路中成为直流负反馈）反馈可以调节静态工作点的热稳定性，以及由于输入突变引起的输出的变化。

按照图2-7所示的电路搭接好，进行如下的实验。

（a）工作点的调整：

调整可变电阻，使得为Vo=3V左右。

（b）在输入端施加不同频率的信号，测试电路的传输特性。

（c）在信号发生器的输出端和电路的输入端串接一只10k的电阻后，再次测试电路的传输特性。

（d）分别在输出串联一只0.1u的电容后接上100k、4.7k和470的负载后再测试一下电路的传输特性。

输出串联电容的作用是滤除偏置电压引起的输出直流的变化，使输出只反映微变交流信号的作用，耦合电容起到一个隔离直流防止下一级晶体管电位提升

（e）用一把正在加热的电烙铁靠近（但不要接触）晶体管T，并尽快测量Vo。

发射集并联电容的作用：

发射极电路有一个电阻R，还并联一个电容，这样一来，发射极对地就存在一个直流电阻R，这个电阻就产生一个直流电流负反馈，效果是能稳定直流静态工作点；但是，交流信号能通过电容，所以对交流来说，发射极是相当于直接接地的，这样对交流就没有负反馈，不会因负反馈而降低放大倍数。

？

？

？

为什么加上以后输出信号的干扰反而高了？

没有起到预期的效果？

加上后不能构成反馈电路了

（5）射级跟随器（共集电极电路）

按照图2-8所示的电路搭接好，进行如下的实验。

（a）工作点的调整：

调整可变电阻，使得为Vo=3V左右。

（b）在输入端施加不同频率的信号，测试电路的传输特性。

特别注意通带内的增益。

增益为1。

频带较宽15hz—2.5mhz

（c）在信号发生器的输出端和电路的输入端串接一只10k的电阻后，再次测试电路的传输特性。

放大倍数减小了，应尽量减小信号源内阻

（d）分别在接上100k、4.7k和470的负载后再测试一下电路的传输特性。

（e）用一把正在加热的电烙铁靠近（但不要接触）晶体管T，并尽快测量Vo。

图2-6反馈分压偏置电路图2-7交流反馈分压偏置电路

（6）共基极放大电路

按照图2-9所示的电路搭接好，进行如下的实验。

图2-8射级跟随器图2-9共基极放大电路

（a）工作点的调整：

调整可变电阻，使得为Vo=3V左右。

调节静态工作点时，输出端不要接电容

（b）在输入端施加不同频率的信号，测试电路的传输特性。

特别注意高频端的截止频率。

高频特性很好

（c）在信号发生器的输出端和电路的输入端串接一只10k的电阻后，再次测试电路的传输特性。

（d）分别在接上100k、4.7k和470的负载后再测试一下电路的传输特性。

（7）复合管放大电路

按照图2-10所示的电路搭接好（注意图中电源与以前的电路不同，T2可以改用其他型号的大功率NPN管），进行如下的实验。

建议把10u的电容去掉，不然由于放大倍数引起的自激震荡输出特性很不好。

（a）工作点的调整：

调整可变电阻，使得为Vo=6V左右。

（b）在输入端施加不同频率的信号，测试电路的传输特性。

特别注意通带内的增益。

带宽600khz左右

（c）在信号发生器的输出端和电路的输入端分别串接一只10k的电阻后，测试电路的传输特性。

（d）分别在接上100k、4.7k和470的负载后再测试一下电路的传输特性。

图2-10复合管放大电路

实验报告：

要求实验报告有如下的内容：

（1）全部实验的记录，并从中分析三极管的（HFE）值与偏置电阻的关系。

（2）分析不同的偏置电路对晶体管工作点的稳定性的影响。

（3）射级跟随器电路的特点。

只同向放大电压

（4）共基极放大器电路的特点。

没有电压放大作用，电流放大

（5）复合管放大电路的特点。

（6）做实验所遇到的问题及其解决办法（没有解决的问题也请写出来）。

思考题：

[1]在调试好工作点的简单偏置电路和反馈分压偏置电路中，更换不同（HFE）（如几十与几百的值）晶体管后再测量电路的工作点？

有什么不同？

为什么？

[2]通过实验总结射级跟随器的特点，你怎样理解“跟随”和“阻抗变换”？

[3]共基极电路有何特点？

[4]电路的工作点为什么设置在3V左右？

[5]如何理解直流负反馈和交流负反馈？

负反馈有和好处？

对增益和稳定性带来什么影响？

[6]如何理解电路的输入阻抗和输出阻抗？

电路的输入阻抗和输出阻抗对前后级电路带来什么要求或影响？

[7]采用复合管放大电路的优缺点？

复合共射放大电路的输入电阻明显增大，放大电路从信号源索取的电流将显著减小，增强了电流放大能力。

复合管电压放大倍数与第二个管子的放大倍数相当，与第一个管子放大倍数关系不大。

低频特性好

2.3场效应管放大电路

实验背景：

相比双极性晶体管场效应管具有很多良好的特性，在要求比较高的电路中要经常用到，如高输入阻抗、低噪声、稳定性好、偏置电路简单等。

实验目的：

了解场效应管放大器的构成原理与调试方法。

实验器材：

示波器、信号发生器和万用表各一台、场效应管和阻容元件若干。

实验内容：

（1）结型场效应管自给偏压放大电路

按照图2-11所示的电路搭接好，进行如下的测试。

（在频率在khz以上信号才能通过）

（a）测量场效应管T的各引脚电压。

（b）在电路的输入端分别施加10Hz至10MHz的正弦信号，测试电路的传输特性。

（c）用一把正在加热的电烙铁靠近（但不要接触）场效应管T，并尽快测量Vd。

（d）分别在信号发生器的输出与放大器输入端之间10k、100k、1M和10M的电阻后用示波器观察的Vo变化。

（e）在输出端分别接上100k、10k和1k的负载后用示波器观察的Vo变化。

（2）结型场效应管分压式偏压放大电路（较自给偏压式稳定时间较短）

按照图2-12所示的电路搭接好，进行如下的测试。

（a）测量场效应管T的各引脚电压。

（b）在电路的输入端分别施加10Hz至10MHz的正弦信号，测试电路的传输特性。

（c）用一把正在加热的电烙铁靠近（但不要接触）场效应管T，并尽快测量Vd。

（d）分别在信号发生器的输出与放大器输入端之间10k、100k、1M和10M的电阻后用示波器观察的Vo变化。

（e）在输出端分别接上100k、10k和1k的负载后用示波器观察的Vo变化。

（3）绝缘栅场效应管自给偏压放大电路

按照图2-13所示的电路搭接好（注意：

在拿取和连接绝缘栅场效应管时要注意防止静电，也绝对不能带电插拔绝缘栅场效应管或其外围器件），进行如下的测试。

（不适用于N增强型的管子）

（a）测量场效应管T的各引脚电压。

（b）在电路的输入端分别施加10Hz至10MHz的正弦信号，测试电路的传输特性。

（c）用一把正在加热的电烙铁靠近（但不要接触）场效应管T，并尽快测量Vd。

（d）分别在信号发生器的输出与放大器输入端之间10k、100k、1M和10M的电阻后用示波器观察的Vo变化。

（e）在输出端分别接上100k、10k和1k的负载后用示波器观察的Vo变化。

（4）绝缘栅场效应管分压式偏压放大电路

按照图2-14所示的电路搭接好（注意：

在拿取和连接绝缘栅场效应管时要注意防止静电，也绝对不能带电插拔绝缘栅场效应管或其外围器件），进行如下的测试。

（a）测量场效应管T的各引脚电压。

图2-11结型场效应管自给偏压放大电路图2-12结型场效应管分压式偏压放大电路

（b）在电路的输入端分别施加10Hz至10MHz的正弦信号，测试电路的传输特性。

（c）用一把正在加热的电烙铁靠近（但不要接触）场效应管T，并尽快测量Vd。

（d）分别在信号发生器的输出与放大器输入端之间10k、100k、1M和10M的电阻后用示波器观察的Vo变化。

（e）在输出端分别接上100k、10k和1k的负载后用示波器观察的Vo变化。

图2-13绝缘栅场效应管自给偏压放大电路图2-14绝缘栅场效应管分压式偏压放大电路

（5）绝缘栅场效应管的跟随器

按照图2-15所示的电路搭接好（注意：

在拿取和连接绝缘栅场效应管时要注意防止静电，也绝对不能带电插拔绝缘栅场效应管或其外围器件），进行如下的测试。

（a）测量场效应管T的各引脚电压。

（b）在电路的输入端分别施加10Hz至10MHz的正弦信号，测试电路的传输特性。

（c）分别在信号发生器的输出与放大器输入端之间10k、100k、1M和10M的电阻后用示波器观察的Vo变化。

（d）在输出端分别接上100k、10k和1k的负载后用示波器观察的Vo变化。

（6）具有自举作用的绝缘栅场效应管跟随器

按照图2-16所示的电路搭接好（注意：

在拿取和连接绝缘栅场效应管时要注意防止静电，也绝对不能带电插拔绝缘栅场效应管或其外围器件），进行如下的测试。

（a）测量场效应管T的各引脚电压。

（b）在电路的输入端分别施加10Hz至10MHz的正弦信号，测试电路的传输特性。

（c）分别在信号发生器的输出与放大器输入端之间10k、100k、1M和10M的电阻后用示波器观察的Vo变化。

（d）在输出端分别接上100k、10k和1k的负载后用示波器观察的Vo变化。

图2-15绝缘栅场效应管的跟随器电路图2-16具有自举作用的绝缘栅场效应管跟随器

（7）场效应管变阻器

与双极性三极管不同的是，场效应管有个工作区域称为“可变电阻区”和rDS可以作为一个可变的线性电阻，其阻值大小受VGS控制。

按照图2-17所示的电路搭接好，在电路的输入端分别施加10Hz、100Hz、1kHz、10kHz、100kHz、1MHz和10MHz的正弦信号，并在用万用表监测的条件下改变的值，用示波器观察的Vo变化。

记录不同频率与不同VGS时的Vo值并以此推算rDS及其与VGS的关系。

图2-17场效应管的线性可变电阻测试电路

实验报告：

要求实验报告有如下的内容：

（1）全部实验的记录，并从中分析三极管的（HFE）值与偏置电阻的关系。

（2）分析不同的偏置电路对场效应管工作点的稳定性的影响。

（3）估算跟随器的输入阻抗和输出阻抗，分析跟随器电路的特点。

（4）分析自举作用的原理。

（5）场效应管的可变电阻有和应用？

（6）做实验所遇到的问题及其解决办法（没有解决的问题也请写出来）。

思考题：

[1]对双极性晶体管的偏置电路，分析场效应管偏置电路的特点？

[2]通过实验，你对场效应管的特点有何认识？

[3]同样是分压式偏置电路，温度对双极性三极管和场效应管的工作点有何影响？

[4]同样是跟随器的特点，双极性三极管和场效应管构成跟随器的输入阻抗分别为多大？

输出阻抗呢？

[5]请分析有自举电路与无自举电路的异同，自举电路影响哪个关键的电路参数？

用什么方法能够测量出这个参数？

有无自举电路这个参数相差多大？

[6]为什么场效应管放大器的输入端都有一只电容？

场效应管输入阻抗高，没有电流通过或者说电流非常小，即耦合电容上压降就会很小，你输入的信号都加入到场效应管的输入端了（耦合电容与场效应管输入端串联的）。

所以电容小点也可以。

[7]场效应管的可变电阻有和应用？

[8]查找一下将双极性晶体管与场效应管复合起来构成的放大电路，这样复合的电路有何特点？

为什么？

2.4运算放大器构成的放大器

实验背景：

运算放大器是一种较为理想的放大器件：

在其工作范围内，由他构成的电路性能仅仅与外围电路有关。

因而在现在工作频率不是太高的模拟电路中，主要是用他作为电路的核心，形成放大、滤波等各种模拟信号处理电路。

实验目的：

了解运算放大器的性能、构成放大器的类型及其性能。

实验器材：

示波器、信号发生器和万用表各一台、运算放大器和阻容元件若干。

实验内容：

（1）反相放大电路

图2-18所示为由运算放大器构成的反相放大电路，这是运算放大器构成放大电路的主要形式之一，是最常用的电路。

按照图2-18所示的电路搭接好（电源采用12V），进行如下的测试。

（a）在电路的输入端分别施加10Hz至10MHz的正弦信号，测试电路的传输特性。

将R1和R2分别改为1M和10M之后再测量一次。

将两次测量结果进行对比分析。

（输入信号幅值要减小。

阻值太大，比例系数会发生较大变化，阻值与输入电阻等数量级，放大倍数减小。

输出很不稳定）

（b）测量输入电阻：

在输入端串联一台毫安计（可以用灵敏度较高的万用表中的直流档）后加上10mV的直流信号，根据毫安计上的读数计算输入电阻。

将输入信号的幅值分别提高到100mV、1V和2V之后再测量。

对结果进行分析。

将R1和R2分别改为1k和1M之后再测量一次。

将两次测量结果进行对比分析。

（c）测量输出电阻：

在输入端加上10mV的直流信号，然后在输出端分别接上1k、100和10的负载电阻，测量接上负载电阻前、后放大器的输出电压Vo，然后据此计算放大器的输出电阻。

分析不同负载下的结果。

再将R1和R2分别改为1k和1M之后再测量一次。

将两次测量结果进行对比分析。

（c）将R1和R2都改为1M（R3保持不变）之后并将输入端对地短路，测量Vo并分析结果。

再将R1和R2都改为10M之后并将输入端对地短路，测量Vo并分析结果。

将R1和R2都改为10M、R3改为470k之后并将输入端对地短路，测量Vo并分析结果。

将这三次测量结果进行对比分析。

（有什么作用）？

？

？

？

（2）同相放大电路

图2-19所示为由运算放大器构成的同相放大电路，也是运算放大器常用的放大电路，其主要特点是输入阻抗高。

按照图2-19所示的电路搭接好（电源采用12V），进行如下的测试。

（a）在电路的输入端分别施加10Hz至10MHz的正弦信号，测试电路的传输特性。

将R1和R2分别改为1M和10M之后再测量一次。

将两次测量结果进行对比分析。

（频带为200khz左右；电阻增大后频带变窄，放大倍数比计算值小，但输出不稳定）

（b）测量输入电阻：

在输入端串联一台毫安计（可以用灵敏度较高的万用表中的直流档）后加上10mV的直流信号，根据毫安计上的读数计算输入电阻。

同相放大器：

引入了电压串联负反馈，输入阻抗很大，但输入共模电压也大。

反相放大器：

引入了电压并联负反馈，输入阻抗由输入端的外界电阻决定，共模电压小。

（c）测量输出电阻：

在输入端加上10mV的直流信号，然后在输出端分别接上1k、100和10的负载电阻，测量接上负载电阻前、后放大器的输出电压Vo，然后据此计算放大器的输出电阻。

分析不同负载下的结果。

再将R1和R2分别改为1k和1M之后再测量一次。

将两次测量结果进行对比分析。

（c）将R1和R2分别改为1M和10M之后并将输入端对地短路，测量Vo并分析结果。

（有输出，自激震荡）

图2-18基本反相放大器图2-19基本同相放大器

（3）基本差动放大电路

图2-20所示为由运算放大器构成的基本差动放大电路，即有两个信号输入端并对两个输入信号进行差动运算。

差动放大电路经常用于仪器电路中。

按照图2-20所示的电路搭接好（电源采用12V），进行如下的测试。

（a）在电路的输入端Vi1输入1kHz、1V的正弦信号，另外一个输入端Vi2接地，测试电路的输出Vo，计算电路的差模增益并与测量结果进行对比。

再将两个输入端连接在一起并输入1kHz、10V的正弦信号，计算电路的共模增益并与测量结果进行对比。

最后根据所测量的差模增益和共模增益计算电路的共模抑制比。

将频率改为11k后重复一次，对比这两次的实验结果并分析之。

将信号改为1MHz再测量一次并分析结果。

（1khz时共模抑制比接近无穷大，11khz时共模抑制比为1,1Mhz时运放不工作在放大区域）

（b）将R2和R4都改为1M后，重复上一条所述的实验。

（噪声很大，1M的电阻本身的电阻热噪声很大，而且运放一级放大100倍，输入微小的扰动将放大100，对输出造成很大的影响）

（c）测量差模和共模输入电阻：

在输入端Vi1串联一台毫安计（可以用灵敏度较高的万用表中的电流档）后加上10V的直流信号，另外一个输入端Vi2接地，根据毫安计上的读数计算差动输入电阻。

将输入信号改为1kHz再测量一次（毫安计测量交流档）。

将两个输入端连接在一起并串联一台毫安计，分别输入直流和1kHz的信号，根据毫安计上的读数计算共模输入电阻。

将实验结果与理论分析结果相对比。

（4）仪用放大器

图2-21所示为由运算放大器构成的仪器放大器，俗称三运放电路，具有高输入阻抗、高共模抑制比等优点，是仪器中最常用的一个重要电路，常常用于与传感器的接口。

按照图2-21所示的电路搭接好（电源采用12V），进行如下的测试。

（a）在电路的输入端Vi1输入1kHz、1V的正弦信号，另外一个输入端Vi2接地，测试电路的输出Vo，计算电路的差模增益并与测量结果进行对比。

再将两个输入端连接在一起并输入1kHz、10V