调测单级晶体管放大电路的方法与步骤

【实验目的】

(1)学习和掌握晶体管放大器静态工作点的调测方法。

(2)掌握放大电路参数的测试方法。

(3)了解晶体管非线性的相关知识。

【实验任务】

1.固定偏置共射放大电路的调测

被测电路如图7.6.1所示。

图7.6.1　固定偏置共射放大电路

(1)静态调测

调RP改变电路的静态工作点Q,使UCEQ为6V,并测量其他静态参数,确保晶体管的发射结正偏、集电结反偏。

(2)动态测试

①选择适当的输入信号,测量电路的电压放大倍数,并画出电路正常工作时的输入输出波形。

②测电路的中频输入、输出电阻。

③观察电路的非线性失真:选择适当的输入信号(幅度稍大一些),分别增大和减小Rp的阻值,使波形分别出现正半周失真或负半周失真,测量这两种情况下的静态工作点ICQ和UCEQ、RB,判断失真类型。

④输入适当的扫频信号,用数字示波器观察电路的幅频特性,并大致判断其截止频率和带宽。

⑤测电路动态范围和最大动态范围。

2.共集电极放大电路(射极跟随器)的调测

被测电路如图7.6.2所示。

图7.6.2　共集电极放大电路

(1)静态调测

调RP改变电路的静态工作点Q,使UEQ为6 V,并测量其他静态参数,确保晶体管的发射结正偏、集电结反偏。

(2)动态测试

①选择适当的输入信号,测量电路的电压放大倍数,并画出电路正常工作时的输入输出波形。

②测电路的中频输入、输出电阻。

③观察电路的非线性失真:负载电阻RL改为1 kΩ、390Ω、220Ω,观察输出信号的变化情况并分析。

④输入选用适当的扫频信号,用数字示波器观察电路的幅频特性,并大致判断其截止频率和带宽。

⑤测电路动态范围和最大动态范围。

【实验预习】

(1)复习三种组态晶体管放大电路的特点和用途。

(2)阅读本实验【相关知识】,了解掌握晶体管放大电路静态调整方法以及动态参数的测量方法。

(3)查阅实验用晶体管的数据手册,了解其引脚分布和重点参数。

(4)使用电路仿真软件对实验电路进行仿真。

(5)参照相关测量方法,拟定实验详细操作和测量步骤,设计相关数据表格,并列出实验注意事项。

(6)选出实验用元件并检测,在面包板上搭接实验用电路。

(7)预习思考题:

①本实验示波器监测输入、输出波形时如何选择示波器两个通道的输入信号耦合方式?触发源如何选择?为什么?

②两个电路中输入和输出端都接有电解电容,它们的作用是什么?

③使用电解电容时应注意什么?如何确定电路中电解电容的正负方向?

④两个电路中RB都由一个固定电阻R与一个电位器Rp串联构成,固定电阻R的作用是什么?如何取值?

⑤图7.6.1共射放大电路的输入电阻和什么参数有关?动态范围的大小由哪些因素决定?

⑥图7.6.2射极跟随器的动态范围的大小由哪些因素决定?

【报告撰写】

实验之前

◆参考本书附录“实验报告格式”,结合实验预习过程完成报告1～5项。

实验之后

◆结合实验过程继续完成报告6～9项。

【相关知识】

单级晶体管放大电路根据公共端的不同,分为共发射极、共集电极、共基极三种。三种电路各有特点,可以应用于不同的场合。其中共发射极放大电路既可以放大电压又可以放大电流,输入电阻和输出电阻适中,常被用于对输入电阻、输出电阻和频率响应没有特殊要求的场合,如低频放大的输入级、中间级和输出级。而共集电极放大电路又称射极跟随器,由于输入电阻大、输出电阻小,常用来实现阻抗变换,常用于多级放大器的输入级和输出级。

图7.6.3(a)所示的固定偏置放大电路中,由直流电源UCC通过适当的偏置电阻RB和RC,为晶体管提供了直流偏置电压,使晶体管处于发射结正偏集电结反偏的放大状态。输入耦合电容CB和输出耦合电容CC可以起到隔直流通交流的作用。

图7.6.3(b)所示的分压式偏置放大电路是在固定偏置的基础上,由电阻RE引入电流负反馈,从而起到稳定静态工作电流的作用。同时晶体管的基极直流电压UB通过电阻RB1和RB2分压决定,可以获得稳定的基极直流电位,因此该电路的静态工作点得到稳定,又被称为工作点稳定放大电路。该电路中晶体管发射极设置一个旁路电容CE,使晶体管发射极对地交流短路,消除了由于RE的存在而引入的交流负反馈,避免了电路放大倍数的下降。

图7.6.3　共射放大电路

共集电极放大电路被称为射极跟随器,是因为发射极的电压跟随输入信号(基极电压)变化。与共发射极电路类似,常见的射极跟随器的电路有固定偏置和分压式偏置两种形式,如图7.6.4所示。

图7.6.4　射极跟随器电路

与共发射极电路相似,图7.6.4(a)和(b)中,直流电源UCC通过适当的偏置电阻RB和RE,为晶体管提供了直流偏置电压,使晶体管处于发射结正偏集电结反偏的放大状态。输入耦合电容CB和输出耦合电容CE可以起到隔直流通交流的作用。与共发射极电路相比,射极跟随器电路中晶体管集电极接电源电压,发射极接电阻RE引入了电压串联负反馈,使电路具有输入电阻高输出电阻低的特点,具有较高的电流放大倍数,但电压放大倍数小于等于1。

射极跟随器频率特性良好,又因其为同相放大器且输入电阻较高,实际应用中容易引起自激振荡。因此,电路中常会用到去耦电路等防止自激振荡的措施。

1.放大电路静态工作点调整和测量

(1)静态工作点的确定与调整

放大电路的静态是动态工作的基础,因此静态工作点的位置直接影响放大器的性能。静态工作点偏高,共射放大器可以得到较高的电压放大倍数,射极跟随器也可以具有较大的动态范围,但静态功耗增加,输入阻抗降低,同时晶体管容易进入饱和区,使输出波形产生饱和失真。而静态工作点低可以使静态功耗降低并提高输入阻抗,但会使电路的放大倍数降低,射极跟随器的动态范围减小,晶体管易进入截止区,输出波形产生截止失真。因此放大电路静态工作点位置的确定,要结合多方面的因素,如功耗、输入信号的大小等。

一般以晶体管集电极直流电流ICQ作为静态参数的代表,其他还有IBQ、IEQ、UCEQ等。

改变电路的电源电压UCC或偏置电阻RC和RB(RB1、RB2)都会引起静态工作点的变化,但通常采用调节偏置电阻RB的方法来改变静态工作点,图7.6.3和图7.6.4所示电路中,基极直流偏置电路均接有可以改变阻值的电位器RP,调节RP即可改变RB或RB1的阻值,从而改变晶体管的基极直流电压,使静态工作点改变。

(2)静态工作点参数ICQ的测量

①直接测量法

将直流电流表串接在集电极支路,直接测出ICQ的值。

直接测量精度较高,但是由于要断开电路,操作比较麻烦,也容易引起电路故障。而对于一些焊接的电路,则不具有可操作性。因此,实际操作中很少用此方法。

②间接测量法

用直流电压表测电阻RC两端的电压URC,然后计算ICQ=URC/RC。

对于图7.6.3(b)和图7.6.4所示电路,还可以用直流电压表测电阻RE两端的电压URE=UEQ,然后计算IEQ≈ICQ=UEQ/RE。理论上电压表接在RE两端测量UEQ时会减小直流负反馈而使IEQ增大,但一般RE的阻值不会太大,电压表内阻与之相比足够大,因而引入的误差可以忽略不计。同时,测量UEQ仪表有一端接地,易进行单手操作,因此实际操作中常采用此法。

(3)静态测量注意事项

①进行ICQ的测量时,为保证电路无输入及干扰,应将电路的输入端对地短路。

②间接测量法测出IEQ或ICQ后,还需进一步检验其他的静态参数,以免出现假象。例如晶体管发射结因损坏而短路,同样可以测出URC值,但此时ICQ数值已无实际意义。因此在测出ICQ值后需要测量一下UBEQ值或UCEQ值,以便对晶体管偏置状态做出正确判断。

在测量UBEQ时,将万用表直接跨接在晶体管的B、E极间测量,而不要采用UBEQ=UBQ-UEQ的测量方法,以免得到错误的结果。

2.电压放大倍数AV的测量

电压放大倍数是放大电路输出电压uo与输入电压ui之比,代表了放大电路的电压放大能力。晶体管放大电路的电压放大倍数是频率的函数,放大电路的幅频特性显示其电压放大倍数只在电路的通频带内保持稳定。另外,晶体管放大电路具有一定的线性工作范围,输入信号幅度适当,使电路在线性范围内工作,信号才能够不失真地被放大。否则,输出信号将产生非线性失真,即饱和或截止失真。鉴于这些因素,在实验中进行放大电路的电压放大倍数测试时,正确选择输入信号的类型、频率、幅度是顺利测量的重要前提,然后通过正确的监测、判断和测量读数,得到正确的结果。

具体操作要点如下:

(1)正确选择输入信号(www.xing528.com)

①输入信号为正弦信号。

②输入信号频率应位于放大器的通频带内,或者是放大电路典型实际工作频率。例如,音频放大器可选择典型音频信号频率1 k Hz。

③输入信号幅度不能过大,以免造成输出信号非线性失真;但也不能过小,过小影响测量精度。以图7.6.3(a)固定偏置共射放大电路为例,选择输入信号幅度的思路大致如下:

根据电路静态工作点的位置和交流负载线情况,推算电路的动态范围。从图7.6.5中可以看出,交流负载线为通过静态工作点Q、斜率为的直线。交流负载线与横轴的截距为U′CC,则

图中UCES为晶体管饱和管压降,一般会由该型号的晶体管数据手册给出。理论上U′CC-UCES为电路的动态范围,但由于Q点并不处在U′CC-UCES的中点位置,所以应对比U′CC-UCEQ和UCEQ-UCES的大小,取较小者的2倍即为电路的动态范围。动态范围的大小除以电路的电压放大倍数,理论上为输入信号的最大峰峰值,但为了保证输出信号无非线性失真,实际选取输入信号的峰峰值应至少小于理论计算的30%。

图7.6.5　直流、交流负载线

图7.6.6　测放大电路电压放大倍数

(2)正确连接测量电路

完整的测量电路连线示意如图7.6.6所示。

(3)监测电路工作状态确保电路正常工作

示波器同时观察输入、输出波形,保证电路输出波形无明显非线性失真、无自激振荡和无严重干扰,电路处于正常工作状态下。

(4)测量

确认电路正常工作后,可以采取以下任意一种方法进行测量。

①用毫伏表测输入输出信号

根据输入信号频率的高低选择低频晶体管毫伏表或高频晶体管毫伏表,用毫伏表测量放大器的输入、输出信号有效值ui和uo,然后计算电压放大倍数:

②用示波器测输入输出信号

也可以用示波器测量输出、输入信号的峰峰值uopp和uipp或者周期均方根值uorms和uirms,然后计算电压放大倍数:

3.伏安法测电路的输入电阻Ri

放大电路在小信号作用下,可以看作是一个线性电路,这个线性电路对于前一级电路来讲,相当于一个负载阻抗Zi,这个阻抗称为放大器的输入阻抗。而在放大器的中频段,可以认为电路的输入电压与输入电流基本同相,因此可用输入电阻Ri来表示。

放大器的输入电阻Ri可以用伏安法进行测量。具体测量要点如下。

(1)选择输入信号

①输入信号为正弦信号。

②输入信号频率应位于放大器的通频带内,或者是放大电路典型实际工作频率。例如,音频放大器可选择典型音频信号频率1 k Hz。

③信号幅度不能过大,应使输出至少小于其动态范围的30%,以免出现非线性失真;但也不能过小,过小影响测量精度。

(2)选择参考电阻R

根据被测输入电阻Ri理论计算或仿真值,选择一个与之大小相近的参考电阻R。R的阻值太小,测量结果会有较大误差,太大则容易引入干扰,最好取R≈Ri。计算时R的阻值需用欧姆表实际测量。

(3)正确连接电路

将参考电阻与被测电路的输入端串联,然后连接其他仪表,连线示意如图7.6.7所示。

图7.6.7　伏安法测放大电路输入电阻

(4)示波器监测电路工作状态确保电路正常工作

示波器同时观察输入、输出波形,保证电路输出波形无明显非线性失真、无自激振荡、无严重干扰,电路处于正常工作状态下。

(5)测量

确认电路正常工作后,用毫伏表(或示波器)分别测量参考电阻R两端对地的交流电压u1和u2,则参考电阻R上的交流压降为uR=u1-u2,流过R的电流,该电流即放大电路的输入电流ii,而放大电路的输入电阻是输入电压与输入电流之比,即:

4.高输入阻抗电路的输入电阻Ri测量方法

当被测电路的输入阻抗很高,比如高达几兆欧姆甚至几百兆欧姆时,使用上述伏安法测量Ri过程中,如果直接测电路输入端参考电阻R两端的交流电压,则由于电压表的内阻相对而言不够大,从而引入严重误差。所以输入阻抗很大的电路,伏安法测Ri时,不能在输入端测,而在输出端测量。

由于电路在一定的条件下电压放大倍数是恒定的,输入量的变化和输出量的变化是线性关系,因而可以采用在输出端测输出电压的方法来代替输入端的测量,具体测量连线如图7.6.8所示。

图7.6.8　高输入阻抗放大电路的输入电阻测量

具体测量要点(1)～(4)与前面“伏安法测电路的输入电阻Ri”相同,在进行(5)测量时,如图7.6.8所示,首先合上开关K(无参考电阻R)时,用毫伏表(或示波器)测量输出电压uo1,此时电路的输入信号为ui1;然后开关K打开(接入参考电阻R),再用毫伏表(或示波器)测量输出电压uo2,此时电路的输入信号为ui2,ui2为ui1通过参考电阻R和Ri形成的回路在Ri上的分压。假设电路的电压放大倍数为AV,则

5.伏安法测电路的输出电阻Ro

根据戴维南定理,在放大电路的中频段,从放大电路的后一级电路的角度看,放大电路可以等效为一个内阻为Ro、源电压为uo的等效电压源。Ro是放大电路的输出电阻,它反映了放大器的带载能力。放大器的输出电阻也可以用伏安法进行测量,具体测量要点如下。

(1)选择输入信号

①输入信号为正弦信号。

②输入信号频率应位于放大器的通频带内,或者是放大电路典型实际工作频率。例如,音频放大器可选择典型音频信号频率1 k Hz。

③信号幅度不能过大,应使输出至少小于其动态范围的30%,以免出现非线性失真;但也不能过小,过小影响测量精度。

(2)选择参考负载电阻RL

根据被测输出电阻Ro的理论值,选择一个与之大小相近的参考负载电阻RL(RL的阻值如果太小会使放大器过载,太大则会使测量结果有较大误差,最好取RL≈Ro),计算时RL的阻值需用欧姆表实际测量。

(3)正确连接电路

将负载电阻接到被测电路的输出端,然后连接其他仪表,连线示意如图7.6.9所示。

图7.6.9　伏安法测放大电路输出电阻

(4)监测电路工作状态确保电路正常工作

示波器同时观察输入、输出波形,保证电路输出信号波形无明显非线性失真、无自激振荡、无严重干扰,电路处于正常工作状态下。

(5)测量

确认电路正常工作后,用晶体管(或示波器)分别测量负载RL开路时的输出电压uo1和负载RL连接时的输出电压uo2。

根据图7.6.9所示,负载RL开路时测得的开路输出电压uo1,就是等效电压源的源电压uo,而接上负载RL后电压源uo、Ro和RL形成回路,输出电压uo2就是uo在RL上的分压,所以回路中的电流为io=uo2/RL,而Ro上的电压为uo1-uo2,则Ro的值为:

6.动态范围和最大动态范围的测量

(1)动态范围的测量

放大器的动态范围是指放大器的线性工作范围,在这个范围内工作时,输入信号可以被不失真地放大,超过这个范围后,输出信号将产生非线性失真。当放大器的的输入信号为正弦波时,放大器所能输出的,无明显失真的最大输出电压的峰峰值uopp,就是该放大器的动态范围。

在实际测量中,人们对于“无明显失真”有两种约定:一种是非线性失真系数不超过某一规定的量值(例如,1%或其他数值,可以用失真度测试仪进行监测);另一种是用示波器定性地观察输出的正弦波,没有明显的失真(一般用肉眼可观察出明显的波形失真时,非线性失真系数已不低于5%了)。

放大器动态范围的具体测量方法如下。

①选择输入信号

输入选用正弦信号,信号频率应位于放大器的通频带内,或者是放大电路典型实际工作频率。例如,音频放大器可选择1 k Hz。

②监测输出信号

示波器监测输入、输出波形,确保电路工作正常。必要时用失真度测试仪监测输出波形失真情况。

③测量

逐渐增大输入信号的幅度,放大器输出信号幅度随之增大,直到输出信号波形出现非线性失真(饱和或截至失真),或失真度达到某一数值。在示波器上读出被测放大器此时输出信号的峰峰值uopp,即为动态范围的大小。

(2)最大动态范围的测量

放大器动态范围的大小与电路的静态工作点位置密切相关,如果静态工作点处于电路交流负载线的线性区中点,则电路可以获得最大动态范围。输出信号超过该动态范围则同时进入饱和区和截止区,输出波形正负方向同时产生失真。因此,在测量过程中如果输出信号正负半周失真不同时出现,则可以在失真刚出现时调节电路的静态偏置电路改变其静态工作点,使输出波形的失真消失,然后继续增大输入信号幅度使输出波形失真。如果失真还不对称,继续调节静态工作点使失真消失,再增加输入信号幅度……如此反复调节,直到输出波形正负半周将要同时产生失真,此时的最大不失真输出波形的峰峰值uoppm,即为放大器的最大动态范围的大小。