单极管放大电路实验报告.doc

实验三 晶体管单管共射放大电路实验报告

一、 实验目的：

1．学习电子线路安装、焊接技术。

2．学会放大器静态工作点的测量和调试方法，分析静态工作点对放大器性能的影响。 3．掌握放大器交流参数：电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真输出电压和频率特性的测试方法。

4．进一步熟悉常用电子仪器及模拟电路设备的使用方法和晶体管β值测试方法。

二、实验原理：

（一）实验电路

图3.1中为单管共射基本放大电路。

（二）理论计算公式： ① 直流参数计算：

C

CQ CEQ BQ EQ CQ BEQ B

BEQ

BQ R I VCC V I I I V

7.0V ;

R V VCC I -=β?=≈≈-≈

式中：

② 交流参数计算：

图2－1 共射极单管放大器实验电路

()

C

O be B i V

i

S i

VS L

C L be

'L V

'

bb EQ 'bb be R R r //R R A R R R A R R R ;

r R A 300r (mA)

I (mV)26β1r r ≈=*+=

='*β-=

++≈∥Ω

的默认值可取式中：

（三）放大电路参数测试方法

由于半导体元件的参数具有一定的离散性，即便是同一型号的元件，其参数往往也有较大差异。设计和制作电路前，必须对使用的元器件参数有全面深入的了解。有些参数可以通过查阅元器件手册获得；而有些参数，如晶体管的各项有关参数（最重要的是β值），常常需要通过测试获取，为电路设计提供依据。另一方面，即便是经过精心设计和安装的放大电路，在制作完成后，也必须对静态工作点和一些交流参数进行测试和调节，才能使电路工作在最佳状态。一个优质的电子电路必定是理论设计和实验调试相结合的产物。因此，我们不但要学习电子电路的分析和设计方法，还应认真学习电子调节和测试的方法。

1． 放大器静态工作点的调试和测量：

晶体管的静态工作点对放大电路能否正常工作起着重要的作用。对安装好的晶体管放大电路必须进行静态工作点的测量和调试。

① 静态工作点的测量：

晶体管的静态工作点是指V BEQ 、I BQ 、V CEQ 、I CQ 四个参数的值。这四个参数都是直流量，所以应该使用万用电表的直流电压和直流电流档进行测量。

测量时，应该保持电路工作在“静态”，即输入电压V i ＝0。要使V i =0，对于阻容耦合电路，由于存在输入隔直电容，所以信号源的内阻不会影响放大器的静态工作点，只要将测试用的信号发生器与待测放大器的输入端断开，即可使V i =0；但是输入端开路很可能引入干扰信号，所以最好不要断开信号发生器，而是将信号发生器的“输出幅度”旋钮调节至“0”的位置，使V i =0。对于直接耦合放大电路，由于信号源的内阻直接影响待测放大器的静态工作点，所以在测量静态工作点时必须将信号发生器连接在电路中，而将输出幅度调节至0。

在实验中，为了不破坏电路的真实工作状态，在测量电路的电流时，尽量不采用断开测点串入电流表的方式来测量，而是通过测量有关电压，然后换算出电流。在本实验中，只要测出V BQ 、V CQ 、VCC 电压值，便可计算出V BEQ 、V CEQ 、I CQ 、I BQ 。计算公式如下（计算前，需知道R B 、R C 的值）：

式中：R B = R 1 + RW

B

BQ

BQ C CQ

CQ CQ

CEQ BQ BEQ R V VCC I R V VCC I V V ;V V -=

-===

为减小测量误差，应选用内阻较高的直流电压表。（500型万用表的直流电压档内阻为20K Ω／V ，数字万用表直流电压档的内阻为10M Ω。）

② 静态工作点的调节方法：

静态工作点的设置是否合适，对放大器的性能有很大的影响。静态工作点对放大器的“最大不失真输出幅值”和电压放大倍数有直接影响。当输入信号较大时，如果静态工作点设置过低，就容易产生截止失真（NPN 管的输出波形为顶部失真。见图3.2（a ））；如果静态工作点设置较高，就容易出现饱和失真（NPN 管的输出波形为底部失真。见图3.2（b ））。当静态工作点设置在交流负载线的中点时，如果出现失真，将是一种上下半周同时削峰的失真（见图3.2（c ））。这时放大器有最大的不失真输出幅值。

前置放大器，由于处理的信号幅度较小，不容易出现截幅现象，而应着重考虑放大器的噪声、增益、输入阻抗、稳定性等方面，所以一般设置静态工作点在交流负载线中点以下偏低位置。

调节静态工作点一般通过改变R B 的阻值来进行。若减小R B 的阻值 ，可使I CQ 增大，V CEQ 减小；增大R B 则作用相反。调节工作点前，应先用图解法根据交流负载线确定最佳工作点的值（I CQ 、V CEQ ），然后给待测放大器加电后，用万用表测量V CEQ

，调节R B ，使V CEQ 达到设计值。必要时，需要在放大器输入端输入一定幅度的正弦信号，用示波器观察输出波形，并调节R B ，使输出信号的失真最小。实验中，为调节静态工作点方便，R B 采用了可变电阻RW （当然，如果改变VCC 和其它元件的数值也会影响静态工作点，但都不如调节R B 方便）。实际应用电路中在Q 点调节好后，将RW 换为阻值相同的固定电阻。

2． 放大器动态指标测试：

本次实验中要测试的动态指标如下：电压放大倍数A V 、输入电阻R i 、输出电阻R o 、最大不失真输出幅值和通频带f bw 。实用放大电路常常还要测试谐波失真系数、噪声系数、灵敏度、最大不失真输出功率、电源效率等参数。这些参数也很重要，但限于实验课时限制，本次实验不进行测试。

① 电压放大倍数A V 的测量： 首先调节放大器静态工作点至规定值。

用低频信号发生器（XD22型）输出1KHz 正弦波信号V S ，用屏蔽线将正弦波信号接至放大器的输入端（线路图中的A 点和地之间，注意将屏蔽线的外层屏蔽网接地）。调节信

号发生器输出幅度为规定值，用示波器（XJ4241型）观察输出电压V O 的波形，注意输出不应产生失真。如果存在失真，应再次检查静态工作点和电路元件的数值，这些方面都正确的话，应减小输入信号的幅值。

s i o S

O

VS

i

O

V V V A V V A ==

图中V i 、V s 、V o 以电子管毫伏表测得，用示波器观察输出波形在不失真情况下测量。 ② 输入电阻R i 的测量： 根据输入电阻的公式可知：

i

i

i I V R =

由于输入电流I i 的直接测量比较困难（直接在输入端串入电流表测量I i 将对放大器引入较大的干扰信号），所以在测量 I i 时，采用了间接测量的方法。在电路输入端串入采样电阻R S ，用电子管毫伏计测量R S 两端的电压V s 和V i ，由R S 上的电压降便可换算出输入电流I i 。公式如下：

s

i

S i R V V I -=

根据V i 和I i 便可计算出R i 。 ③ 输出电阻R O 的测量： 根据输出电阻的公式可知：

L O 'O O R 1V V R ????

?

??-=

式中： V O ’—负载电阻R L 开路时的输出电压（将图3.1中的C 、D 开路）

V O —带负载输出电压，连接R L 后测得。

然后按公式计算R O 。

在上述测量过程中注意保持输入电压V i 的频率和幅值不变。

④最大不失真输出幅值的测量：（最大动态范围）

放大器的静态工作点确定之后，其“最大不失真输出幅值”就确定了，但由于Q点不一定是在交流负载线的中点，所以不一定是该电路能够达到的最大值。测试“最大不失真输出幅度”的电路接线同A V的测试电路相同。在测量过程中，将输入信号V S的幅值由小逐渐增大，并注意观测V O的波形，当波形刚开始出现失真时，这时的输出电压V O的幅度就是该电路对应当前工作点的“最大不失真输出幅度”。记录该波形和幅值，并注意首先出现的是“截止失真”还是“饱和失真”，可分析出静态工作点是偏低（首先出现截止失真）还是偏高（首先出现饱和失真）。参看图3.2的失真波形。为使电路能达到最大的不失真输出幅度，应该将静态工作点调节到交流负载线的中点。为此，应根据当前工作点情况，将Q 点适当调高（Q点偏低时）或调低（Q点偏高时）。同时，逐步增大输入信号的幅度，用示波器监视输出波形，每当波形出现失真时，就根据失真情况微调RW，改变静态工作点，使失真消除。当波形上下半周同时出现削峰现象时，说明静态工作点已调节在交流负载线的中点上，用示波器测量最大不失真输出电压的幅值V OP-P，或用电子管毫伏表测量最大不失真输出电压的有效值V OM有效。两者之间的关系为：

V OP-P＝22V OM有效。

⑤放大器频率特性的测量

.

频率特性曲线来表示。频率特性曲线直观的反映出电压放大倍数A V 、附加相移ΔΦ与输入信号的频率f之间的关系。

单管阻容耦合放大器的频率特性曲线如图3.4所示。A vm为中频（信号频率f0=1KHz）

1

电压放大倍数。当输入信号频率的变化时，电压放大倍数下降3dB（为中频放大倍数的

2≈0.707倍）时对应的频率分别称为下限截止频率和（f L）和上限截止频率（f H），并定义通频带f bw为：

f bw =f H - f L

由于放大器的A V 不能直接测得，而是测出V i 和V o 之后根据公式：i

O

V V V A 计算而得，所以一般采用如下方法测量放大器的上、下限截止频率：

固定信号发生器的输出V i 的幅值不变，改变其输出频率，这时V O 的变化即代表了A V 的变化。先将信号发生器的频率设为1KHz ，用示波器观察放大电路的输出波形不失真，测量这时示波器显示的输出幅值V Omp 或用毫伏表测量放大电路的输出有效值V Om ，在保证输出信号不失真的前提下，可微调信号发生器的输出幅度，使放大器的输出电压易于读数（指针指示某一整数值）。然后保持信号发生器的输出幅值不变，逐渐改变信号发生器的输出频率，记录对应该频率点的放大器输出电压V O ，当信号频率较低或较高时，V O 将下降。这时应减小每次的频率变化增量，仔细寻找使V O =0.707V Om 时的频率值f ，该频率值就是f L 或f H 。为减少测量所用的时间，在中频段，因放大电路的输出电压有较宽的一段基本不变，所以调节频率可适当粗一些，而在放大器输出电压发生变化时，应多测几点，以保证测量的准确性。测试时，必须保证输入信号的幅值不变，只改变频率。所以应使用双踪示波器同时监视U i 和U o ，当改变输入信号频率时，如果幅值有所改变，应调整信号发生器的输出幅值旋钮使U i 幅值与初始值相同。

⑥ 干扰和自激振荡的消除：参看附录。 三、实验内容：

实验电路如图3.1所示。先画出装配图，然后焊接电路。电路焊接好后，经检查无误，将实验电路与各电子仪器正确连接，再次检查无误后（特别要注意稳压电源的输出电压和极性、万用电表的量程），向下进行通电调试。为防止干扰，信号发生器、示波器、毫伏表的屏蔽线外层屏蔽网和稳压电源的负极应接在公共地线上。

（二）参数测试

1．测量静态工作点：

先将RW 调至阻值最大位置，稳压电源输出调至12V ，信号发生器的输出幅度调节为0 ，再接通电源。用万用表监视I CQ （参看前面介绍测量I CQ 的方法），调节RW ，使I CQ =2mA （即V CQ =6V ），用数字万用表的直流电压档测量V BQ 、V EQ 、V CQ ，断开电源后，用电阻档测量R B2,记入表3.1中。

表3.1 I =2mA

2．测量电压放大倍数：保持I CQ = 2mA 不变

在放大器输入端加入频率为1000HZ 的正弦信号V S ，调节低频信号发生器的输出幅度，使V i =5mV ，同时用示波器观察放大器输出电压V O 的波形，在保持波形不失真的条件下，用交流毫伏表测量下述两种情况下的V O 值，并用双踪示波器同时观察V O 和V i 的相位关系，并计算出A V ，把结果记入表3.2。

表3.2 I=2mA V= 5 mV

记录i o

3．观察静态工作点对电压放大倍数的影响

置R C=3KΩ，R L=∞，V i适当（≈10mV），调节RW，用示波器监视输出电压波形，在V O不失真的条件下，通过调节R b改变I CQ的值，测量I CQ为1mA和3mA时V O的值，记入表3.3 ，并计算出A V，与2mA的A V值比较。

表3.3 R=3KΩR=∞

测量I CQ0 。

4．观察静态工作点对输出波形失真的影响

置R C=3KΩ，R L=3KΩ，V i=0，调节RW使I CQ=3mA，测出V CEQ值，记入表3.4中。再逐步加大输入信号V i ，使输出幅值最大但不失真，然后保持输入信号幅值不变，分别增大和减小RW，使波形出现失真，画出V O的波形，并测出失真情况下的I CQ和V CEQ值，把结果记入表3.4中。每次测I CQ和V CEQ时，注意应使输入信号为0。

表3.4 R=3KΩR=∞V= mV

置R C=3KΩ，R L=3KΩ，I CQ=2mA。输入1KHZ正弦信号，在输出电压V O不失真的情况下，用交流毫伏表测出V s，V i，和V O，记入表3-6；然后，保持V i不变，断开R L，测得V O，记入表3-6中，并计算得到R i 、R o的计算值。表中的理论值是指根据电路图计算得到的值。计算时，r bb’可取100Ω。

表3-6 R=3KΩR=3KΩI=2mA

置R C =3K Ω，R L =3K Ω，I CQ =2mA ，保持输入信号的幅值不变（V s 或V i 约10mV ），改变信号频率f ，逐点测出相应

20 0.45

500 0.5

20000 0.55 30000 0.6 70000 0.65 100000 0.7 600000 0.71 1000000 0.72 2000000 0.72 4000000 0.72 6000000 0.7 7000000 0.69 8000000 0.68 8500000 0.65

的输出电压记入表3-7 。

表3-7 V i = 2 mV

四、 实验设备与器件：

1．晶体管直流稳压电源（型号DH1718）：调节输出电压为＋12V ； 2．低频信号发生器（型号XD22）； 3．双踪示波器（型号XJ4241）； 4．交流毫伏表（型号 GB-9）； 5．万用电表（型号500）；

6．数字万用表（型号D803或D809）； 7．电烙铁、焊锡、松香

8．晶体三极管（型号9011、9013或3DG6）； 9．电位器（可变电阻）2M Ω； 10． 电阻、电解电容器。

1．直流负载线方程： C C Q C C C EQ R I V V -= 2．交流负载线方程： 'L C CE R I V ??-=? 3．负载线图：

① 当I CQ = 2mA 时，图见F3.1。

??

???=?+=+==?-=-=V 9)K 3K 3(26R I V 'V V

6K 3212R I VCC V '

L CQ CEQ C CQ CEQ ∥ 式中V ’是交流负载线在V CE 轴上的辅助点

由图中可知Q 点位于交流负载线较低位置，最大输出幅度为：V Om =I CQ R L ’≈3V 。

② 求最大不失真幅值 公式：

当Q 点位于交流负载线中点时，由交流负载线图可知，应有：

'L C Q C EQ R I V =

因此可由下式联立求得V CEQ 和I CQ ：

?????==-=?????-==?????-==mA 67.2I V 4V I 312I 5.1K

3I 12V )K 3K 3(I V R I VCC V R I V CQ CEQ CQ CQ CQ CEQ CQ CEQ C CQ CEQ 'L

CQ CEQ 解得：

即：

∥

V ’=8V

当取此工作点时，Q 点位于交流负载线中点，放大器有最大的“最大不失真输出幅度”。见图F3.2 。

这时，最大输出幅度为： V Om =V CEQ =I CQ R L ’=4V 4．R b 的计算：

根据：BQ

BE

b I V VCC R -=

设三极管β=150

① 当I CQ =2mA 时，R b =848K Ω

② 当最大输出幅度时，I CQ =2.67mA ，R b =635K Ω

'

'

5．A V 的估算值：

① 当I CQ =2mA 时，r be 为：

K 1.220632

26

151100mA I mV 26)

1(r r EQ 'bb be ≈Ω=+=β++=

② R L ’=R C ∥R L =3K ∥3K=1.5K ③ 根据公式：

倍）

(107K

1.2K

5.1150r R A be 'L V =?-=?β-=（带负载时） 空载时比上值大一倍，即214倍。 ④ 输出电压

当V i =10mV 时，V O ≈10×107≈1V （带负载）或2V （空载） 6．输入电阻： R i ≈r be =2.1K

当R S 取3K 、V i 取10mV 时，

A 76.4K

1.2mV 10R V I i i S μ===

R S 上的压降为3K ×4.76μA=14.3 mV

所以，当V i 为10mV 时，V S 应为10+14.3=24.3mV 。

这个值与实测值可能会有误差，因为r be 的计算值是根据r bb ’等于100Ω得出的。实际r bb ’

可能不是100Ω。

7．输出电阻： 思考题

1, R O ≈R C =3K 如果在实验电路中，将NPN 型晶体管换成PNP 型晶体管，试问V CC 及电解

电容极性应如何改动？ 答案：仪器的技术指标应当满足参数测量范围要求，这是选择仪器的基本要求

2、在示波器上显示的NPN 和PNP 型晶体管放大器输出电压的饱和失真波形和截止失真波形是否相同？叙述其理由。 答案：不相同，与原电路极性相反

3、从示波器观察到一顶部失真的波形，能直接判定这是哪种失真吗？为什么？ 答案：波形的波形相同，但是极性相反，因为是两管子电源极性相反；

4、放大器的外接负载R L 对放大器的动态范围有何影响？在什么情况下，可近似认为R L 对动态范围没有影响？ 答案：影响动态输出电压范围，当负载很大时，可以认为没有影响