单级低频放大电路

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R W是为调节晶体管静态工作点而设置的。

O

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u i时，应该有输出响应u o。

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R B1和R B2对U CC

分压，获得晶体管的基极电压U BQ ，保证晶体管的发射结正偏。U CC 是集电极电源，它通过R C 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R B1、R B2以及集电极电阻R C 取值得当，与电源U CC 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C 1

和C 2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R E 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R E ，发射极电流I EQ 通过R E 转换成发射极电压U EQ 。而基极电位几乎取决于R B1和R B2对U CC 的分压，与环境温度无关，即当温度变化时，U BQ 基本不变。当温度升高时，集电极电流I C 增大，发射极电流I E 必然相应增大，因此发射极电压U EQ 随之增大，因为U BQ 不变，U BE =U B —U E ，所以U BE 势必减小，导致基极电流I B 减小，I C 随之相应减小。结果I C 随温度升高而增大的部分几乎被由于I B 减小而减小的部分相抵消，I C 将基本不变，实现了稳定静态工作点的目的。这种将输出量（I C ）通过一定的方式（利用R E 将I C 的变化转化成电压的变化）引回到输入回路来影响输入量（U BE ）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。R E 为负反馈电阻。从理论上讲，R E 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I C ，由于U CC 的限制，R E 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

B2

B C

C B1B2

R U U R R =

+

B BE

E C E

U U I I R -=

≈ CE CC C C E ()U U I R R =-+

2）电压放大倍数

be

L

C U //r R R A β

-= 3）输入电阻

R i =R B1∥R B2∥r be

4）输出电阻

C O R R =

（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I BQ 、集电极电流I CQ 、b-e 间电压U BEQ

和管压降U CEQ 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

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

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

图3.1.2 饱和、截止失真波形

电压U CC，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R b、R c、U CC对静态工作点的影响。

I. R b对Q点的影响

R b的增减对Q点的影响如图3.1.3（a）所示。

CE

CE

CE

(a)R b变化对Q点的影响(b) R c变化对Q点的影响(c) U CC变化对Q点的影响

图3.1.3电路参数对Q点的影响

R b↑→I BQ↓→工作点沿直流负载线下移

R b↓→I BQ↑→工作点沿直流负载线上移

II．R C对Q点的影响

R C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。

R C↓→N点上升→直流负载线变陡→工作点沿i b=I BQ这一条特性曲线右移。

R C↑→N点下降→直流负载线变平坦→工作点沿i b=I BQ这一条特性曲线左移。

I I I．U CC对Q点的影响

U CC的变化不仅影响I BQ，还影响直流负载线，因此，U CC对Q点的影响较复杂。如图3.1.3（c）所示。

U CC↑→I BQ↑→M↑→N↑→直流负载线平行上移→工作点向右上方移动。

U CC↓→I BQ↓→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R b来改变静态工作点，而很少通过改变U CC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u BE、u CE、i B和i C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A u、最大输出动态范围U o,max、输入电阻R i、输出电阻R o及通频带BW等。

①电压放大倍数A u

放大电路电压放大倍数A u 是指在输出电压波形不失真时，输出电压与输入电压之比，A u =u o /u i 。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U o,max

最大输出动态范围U o,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U oP-P ，即放大电路输出的最大线性动态范围U o,max 。

③输入电阻R i

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R i 是指从放大电路输入端看进去的等效电阻。R i 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u i 越接近信号源电压u s ，换句话说放大电路能从信号源获取较大电压；反之若R i <

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R i 在同一个数量级。测试输入电阻R i 的接线如图3.1.4所示。

u S

u O

+ -

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u s 和u i 。则

R u u u R i

s i

i -=

为了减小测量误差，一般取R 接近R i 或将R 换成一个可变电阻R W ，调R W 使s i 2

1

u u =

，

这时，R i = R W 。

④输出电阻R o

任何放大电路的输出都可以等效成一个有内阻的电压源，从放大电路输出端看进去的等效内阻称为输出电阻R o 。输出电阻的大小反映了放大器带负载的能力。由于负载与输出电阻具有串接的关系，R o 越小，带负载的能力越强。当R o <

在测量时要注意测量u o 和u L 时，输入电压u i 应保持一致，且大小适当，保证在R L 接入和断开时输出波形均不失真。且R L 应与R o 处于同一数量级。

⑤通频带BW

通频带用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。由于放大电路中电容和晶体管内部PN 结的结电容存在，在输入信号频率较低或较高时，放大倍数的数值会下降；而在中间频带范围内，输出幅度基本不变。图3.1.6所示为放大电路的增益与输入信号频率之间的关系曲线。称为放大电路的幅频特性曲线。图中A um 为中频放大倍数。

在信号频率下降到一定程度时，放大倍数的数值明显下降，使放大倍数的数值等于0.707倍A um 的频率称为下限截止频率f L 。信号频率上升到一定程度，放大倍数数值也将减小，使放大倍数的数值等于0.707倍A um 的频率称为上限截止频率f H 。f 小于f L 的部分称为放大电路的低频段，f 大于f H 的部分称为放大电路的高频段，而f H 与f L 之间形成的频带称为中频段，也称为放大电路的通频带BW 。

BW =f H – f L

通频带越宽，表明放大电路对不同频率信号的适应能力越强。对于扩音机，其通频带应该宽于音频（20Hz~20kHz ）范围，才能完全不失真地放大声音信号。在实用电路中，有时也希望频带尽可能窄，如选频放大电路，希望它只对单一频率的信号放大，以避免干扰和噪声的影响。

图3.1.6 放大电路的幅频特性

f /Hz

o o L

L 1u R R u ??

=- ???

幅频特性及通频带通常有如下两种测试方法。

I．逐点法

（1）幅频特性的测量

在保持输入信号大小不变的情况下，改变输入信号频率f，用示波器逐点测出输出电压u o。由A u=u o/u i计算对应于不同频率下放大器的电压增益，按顺序列表记录，在坐标纸上将得到的数据逐点描绘出频率特性曲线，即该放大器增益的幅频特性曲线。在图中可以找出f H 与f L，并计算通频带BW。

（2）通频带BW的测量

具体步骤如下。

1）将信号发生器接入被测放大电部的输入端，示波器接到被测放大电路的输出端。

2）调整输入信号幅度，改变输入信号频率（约1kHz左右），用示波器测量放大电路最大不失真输出波形。

3）保持输入信号幅度不变，用示波器测量放大电路的最大不失真输出波形幅度。

4）增大输入信号频率，使放大电路的输出电压为最大值的0.707倍，测出此时的频率f H。

5）减小输入信号频率，使放大电路的输出电压为最大值的0.707倍，测出此时的频率f L。

6）计算BW=f H –f L。

在保持输入信号大小不变的情况下，改变输入信号频率，用示波器逐点测出输出电压。按顺序列表记录，在坐标纸上将所测数据逐点描绘出频率特性曲线，找出f H与f L，计算通频带BW。

II．扫频法

利用扫频仪直接在屏幕上显示出放大器的A u–f曲线，在屏幕显示的曲线上测出通频带BW。

6．实验内容

（1）单级低频放大电路的实验参考电路如图3.1.1所示。C1、C2和C E的极性不要接反。

（2）测量并调试放大器的静态工作点，研究电路参数R W、R c、U CC的变化对静态工作点的影响。

实验中对静态工作点的测量可用示波器分别测量晶体管三个管脚的电位U B、U C、U E，然后再计算U BEQ、U CEQ。实际测量中，进行电流测量时通常采用间接测量法，因此，测量集电极电流I CQ可以通过测量电压来换算电流。例如，只要测出U C，可由I CQ =（U CC - U C）/R C，算出I CQ。用这种方法测量电流，不仅可以不用变动被测电路，而且还消除了由于反复拆装线路导致发生故障的可能。

1）R W对静态工作点的影响：

①调节R W和输入信号，使放大器的静态工作点为最佳状态（即当输入信号幅度增大时，

输出波形同时出现饱和与截止失真）。撤去信号发生器，用示波器测量U BQ 、U CQ 、U EQ ，并计算出I CQ 。

②将信号发生器重新连入放大器输入端，且保持输入信号不变。将R W 增大，观察并记录波形。撤去信号发生器，示波器测量U BQ 、U CQ 、U EQ ，计算出I CQ ，并根据波形和数据判断出失真类型。

③将信号发生器再次连入放大器输入端，且保持输入信号不变。将R W 减小，观察并记录波形。撤去信号发生器，用示波器测量U BQ 、U CQ 、U EQ ，计算出I CQ ，并根据波形和数据判断出失真类型。

2）集电极电阻R c 对静态工作点的影响：

将输入信号接入放大器，在集电极电阻R c 上并联R c '，R c '=R c =15k ，观察并记录输出波形。撤去信号发生器，用示波器测量U BQ 、U CQ 、U EQ ，并计算出I CQ 。将此情况与无R c '时比较。测试后仍将R c '断开，恢复电路原状。

3）电源电压U CC 对静态工作点的影响

将输入信号接入放大器，再将U CC 由+12V 减至+7V ，或增加至+15V ，观察并记录输出波形。撤去信号发生器，用示波器分别测量U BQ 、U CQ 、U EQ ，并计算I CQ 。将此情况与U CC =+12V 时比较，测试后将U CC 恢复为+12V 。

（3）测量放大器的性能指标 1）放大器增益的测量

将1kHz 的正弦输入信号接入放大器，用示波器观察输出电压波形，在波形没有出现失真的情况下，改变负载，分别令R L =1kΩ、R L =15kΩ和输出开路三种情况下，测量放大器输入和输出电压，计算放大器增益A u 。

2）最大输出动态范围

在测量电压放大倍数的基础上，逐渐增加输入信号幅值，同时观察输出波形，当输出波形刚出现失真时的U o 即为U o,max 。

3）放大器输入电阻的测量

用输入换算法测量输入电阻。输入信号不变，在放大器输入回路串入与输入电阻为同一数量级的电阻R ，用示波器分别测量R 两端对地的电压u s 和u i 。则

i

i

s i

u R R

u u =- 4）放大器输出电阻的测量

用输出换算法测量输出电阻。负载电阻R L =15k?，输入端加入正弦信号，用示波器分别测量空载时和加负载电阻R L 时的输出电压u o 和u L 。则

o o L L 1u R R u ??

=- ???

5）放大器幅频特性的测量

采用逐点描迹法测量放大器的幅频特性，并绘出幅频特性曲线。

6）要想进一步扩展通频带，给出一个切实可行的方法。

7．注意事项

（1）在分别组装好电路和调整好稳压直流电源，经检查无误后，再接入电路打开电源开关。

（2）测试静态工作点时，应将输入端加入的动态信号撤掉。

（3）进行电路指标的测试过程中，一定要保证在输出电压波形始终不失真。

（4）信号源的输出端切勿与直流电源输出端相连接，以免损坏仪器。

8．实验报告要求

（1）认真整理和处理测试数据，并用坐标纸画出相关曲线。

（2）通过实验结果分析各参数对放大器静态工作点的影响，与理论分析结果进行比较，作出简明扼要的结论。

（3）分析、总结射极负反馈电阻的作用。

（4）总结、分析负载电阻R L的变化对放大电路的影响。

（5）总结主要性能指标的测试方法。

（6）记录产生故障情况，说明排除故障的过程和方法。

（7）回答思考题。

[思考题]

1．在图3.1.1所示的电路中，一般都是通过改变上偏置电阻R B1来调节静态工作点，为什么？改变下偏置电阻R B2来调节静态工作点可以吗？调节R C呢？为什么？

2．在示波器上显示的PNP和NPN型晶体管放大器输出电压的截止失真波形和饱和失真波形相同吗，为什么？

3．单管放大电路中，决定电路的静态工作点的元件有哪些？

4．负载电阻R L变化时，对放大电路静态工作点有无影响？对电压放大倍数有无影响？

5．如果在实验电路中，将NPN型晶体管换成PNP型晶体管，试问U CC及电解电容极性应如何改动？

6．能否用数字万用表来进行放大器幅频特性曲线的测试，为什么？