参考资料_单管放大电路

晶体管单管共射放大电路
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。

1．
① R B 基极偏流电阻，提供静态工作点所需基极电流。

R B 是由R 1和RW 串联组成，RW 是可变电阻，用来调节三极管的静态工作点，R 1（3K ）起保护作用，避免RW 调至0端使基极电流过大，损坏晶体管。

② R S 是输入电流取样电阻，输入电流I i 流过R S ，在R S 上形成压降，测量R S 两端的电压便可计算出I i 。

③ R C —集电极直流负载电阻。

④ R L —交流负载电阻。

⑤ C1、C2 —耦合电容。

（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：
()
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）：
B
BQ
BQ C CQ
CQ CQ
CEQ BQ BEQ R V VCC I R V VCC I V V ;V V -=
-===
式中：R B = R 1 + RW
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。

（一）焊接电路
1． 用数字万用表的H FE 档或晶体管图示仪JT-1测量实验中使用的晶体管T 的电流放大系数β，作为分析计算的依据。

2．根据原理图在纸上画出电路装配图。

在画装配图时，要注意以下几点： ① 注意晶体管的管脚位置，E 、B 、C 的方向。

② 画装配图时要考虑元件的实际大小尺寸。

③ 装配图上安排元件位置时最好遵照原理图的信号流向，要注意输入回路应尽量远离输出回路，避免输出信号反馈到输入端，引起放大器不能正常工作。

④ 要有一根公用地线，作为输入、输出的公共端和元件的接地端的接地线。

在实际应用电路中，公共地线通常使用较粗的裸铜线。

⑤ 对于初学者，可根据原理图的元件位置来布置电路板元件位置，便于理解工作原理和调试检查。

实际应用电路中，要根据具体条件充分考虑散热、避免电磁干扰、避免有害反馈等因素，元件安排要整齐美观，并尽量缩小电路板面积。

3．根据电路装配图，在实验电路板上焊接电路。

焊接电路时，要注意以下几点：
① 使用的电烙铁功率要合适，功率太大容易烫坏元件；功率太小焊接困难，焊点呈渣状，不光滑，很容易形成虚焊。

一般焊接晶体管元件使用功率为25～35W 的电烙铁比较合
适，焊接较大的元件可使用大于45W的电烙铁。

电烙铁的焊头要清洁，表面预先镀有一层焊锡。

如果焊头表面氧化发黑，则很难焊接。

因此，如果焊头已经氧化发黑，先不要接电，用砂纸将焊头的氧化层去除，注意把尖端部特别要处理干净，然后加电，当焊头温度升高至能够融化松香时，立即涂上松香，避免焊头氧化，当焊头温度升高至能熔化焊锡时，镀上一层焊锡，这样便能方便地焊接了。

本实验室使用的电烙铁是长寿型，烙铁头是用特殊合金制造，因此禁止使用锉刀锉焊头，只能使用砂纸磨光。

②将待焊接的元件接脚处理干净，去掉接脚的污物和氧化物，才能可靠焊牢。

对于氧化严重的接脚，可用细砂纸打磨出金属光泽并预先镀锡。

但对于镀金的元件接脚严禁用砂纸打磨，以免造成更严重的氧化。

③在焊接过程中，多使用助焊剂—松香，尽量减少焊锡的用量。

焊锡只要能将元件接脚和线路板铆钉圆满包住即可，避免过多流溢，与其它接脚形成短路。

松香的作用是避免接脚在电烙铁高温下进一步氧化，并能去除接脚表面不太严重的氧化层，还能增加焊锡的流动性，使焊点光滑。

④必须严防虚焊。

焊接好后，稍用力拉动元件，应没有接脚松动的感觉。

⑤控制电烙铁接触元件的时间，过短容易虚焊，过长又会烫坏元件。

一般应在2秒到6秒之间，根据所焊接的元件大小和散热情况决定。

⑥焊接完成检查无误后方可通电实验。

（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，按照前面“放大器动态参数测试”中介绍的“最大不失真输出幅值的测量”中粗体字所述的方法，同时调节输入信号的幅度和可变电阻RW，寻找能输出最大不失真幅值的Q点。

用示波器和交流毫伏表测量V Om，记入表3.5。

表3.5 R=3KΩR=3KΩ
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=3KΩ，R L=3KΩ，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 ，逐点测出相应的输出电压记入表3-7 。

表3-7 V
= 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）2MΩ；
10．电阻、电解电容器。

五、实验报告
1．列表整理测量结果，并把所测得的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的值与理论计算值相比较（每项结果取一组进行比较），分析产生误差的原因。

2．总结R C、R L及静态工作点对放大器电压放大倍数及输入、输出电阻的影响。

3．讨论静态工作点变化对放大器输出波形的影响，比较最大不失真输出电压范围的理论计算值与实测值，分析产生误差的原因。

4．分析、讨论在调试过程中出现的问题。

六、预习要求：
1．阅读教材中有关单管放大电路的内容，根据理论课内容估算实验电路的性能指标。

假设：三极管采用NPN型硅管，β＝100，V BEQ≈0.6V，r bb’=100Ω
R1=3KΩ，RW=800KΩ，R C=3KΩ，R L=3KΩ。

估算放大器的静态工作点，电压放大倍数，输入电阻和输出电阻。

2．当要求I CQ=2mA时，计算R b应为多少Ω？
3．怎样测量R B的阻值？
4．当调节R B，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V CE怎样变化？
5．改变静态工作点对放大器的输入电阻R i有无影响？改变外接电阻R L对输出电阻有无影响？
6．在测量A V、R i和R o时，怎样选择输入信号的大小和频率？为什么测试信号一般
选1KHZ ，而不选用500KHZ ？
7． 测试中如果将低频信号发生器、交流毫伏表、示波器中任一仪器的输入端接线对调（即不把所有仪器的接地端连接在一起），将会出现什么现象？ 注：实验内容中，加“*”的项根据课时选作。

附录：实验中用到的公式和图
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
'
'
28 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
26151100mA 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：
R O ≈R C =3K。