单级放大器的设计与测试

2016/5/19
模拟电子电路实验室
参数估算
♦ 为使放大器更稳定的工作，上、下偏置电阻取 值应小，但过小会使静态功耗增大且引起信号 源us的电流分流过大，使放大器输入电阻变小， 故工程上一般取 I R = (5 ~ 10)I BQ
b2
♦ RC应根据实际电阻的标称值和放大倍数要求来 确定。若RC、 AV无明确要求，可以选取RC上的 直流电压降VRC和VCEQ大致相等，可保证有较大 的动态范围。
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实验内容
输出电阻Ro的测量
♦ Ro系指放大器输出等效电路中将信号源视为短路， 从输出端向放大器看进去的交流等效电阻。它的 大小能够说明放大器承受负载的能力，其值越小， 带负载能力越强。
Vo Ro ( 1) RL VoL
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实验内容
通频带BW的测量
♦ 通频带BW定义：指放大器的增益下降到中频 增益AV的0.707倍时，所对应的上限频率fH和下 限频率fL之差。即：BW= fH – fL 。
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实验内容
直流工作点的测量 ♦ 用数字万用表测量放大电路的静态工作点， 并进行记录。
直流电压
UCEQ (V )
U BEQ (V )
VEQ (V )
VCQ (V )
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实பைடு நூலகம்内容
动态指标的测量
电压增益的测量
♦ 将函数信号发生器输出的正弦波信号频率f调为 1kHz，其幅度调为10mV-30mV之间，用示波器 观察放大器输出端有放大且不失真的正弦波后， 用数字万用表（或交流毫伏表）测出其输出和 输入电压的有效值，即可得到电压增益。 VOL AV Vi
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实验原理
♦ 为了稳定静态工作点，经常采用具有直流电流 负反馈的分压式偏置单管放大器实验电路。
上偏置电阻 集电极电阻 输出耦合电容
输入耦合电容
负载电阻 信 号 源 射极旁路电容 发射极电阻 下偏置电阻
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实验原理
♦ 外加信号us经过C1耦合到三极管基极，经过放大 器放大后从三极管的集电极输出，再经C2耦合 到负载电阻RL上。 ♦ 上偏置电路：由Rb1和RW组成； ♦ 下偏置电路：由Rb2组成 ♦ Rc是集电极电阻；Re是发射极电阻 ♦ C1和C2是交流耦合电容 ♦ Ce是发射机旁路电容，为交流信号提供通路 ♦ RL是负载电阻；Rs是测试电阻，以便测量输入 电阻
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实验内容
组装连接实验电路
♦ 根据实验电路原理图和所设计选定的参数， 用导线进行连接组装。 ♦ 组装之前须测量和调节电源电压所需要的值， 并注意电源的极性和信号源的接地线都不能 接错，不能带电接线。 ♦ 电容的极性不要接错。
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实验内容
直流工作点的调节
♦ 方法一：根据设计任务，调节RW使得设计值 VEQ= IEQ Re ≈ ICQ Re ，然后测量静态工作点。 ♦ 方法二：用示波器观察输出波形，如果放大了 几十倍到二百多倍，而且输出波形不失真。则 在信号源输入信号Vi=0时，测量静态工作点。 ♦ 注意：一般硅管的VBEQ约为0.7V左右，IEQ≈ ICQ， 否则为电路有误或测量或计算错误。
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元器件的参考取值
C1=10uF ； C2=10uF ； Ce=33uF；
Rs=1k Ω； Rw=470k Ω； Rb1=20k Ω；
Rb2=15k Ω； Rc=3k Ω； Re=1k Ω 。
单级放大器的设计与测试
3学时
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实验目的
学习单级低频放大器电路参数的工程设 计方法。 通过实验掌握放大器静态工作点的调试 方法、了解电路中各元器件参数值对静 态工作点的影响。
掌握放大器的主要性能指标的调测方法。
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实验仪器
♦ 模拟电路实验箱 ♦ 功率函数信号发生器 ♦ 双踪示波器 ♦ 数字万用表 ♦ 交流毫伏表
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实验内容
输入电阻Ri的测量
♦ Ri为放大器输入端看进去的交流等效电阻，它等 于放大器输入端信号电压Vi与输入电流Ii之比。
本实验采用换算法 测量输入电阻。在 信号源与放大器之 间串入一个已知电 阻Rs ，只要分别测 Vi Vi Vi RS 出Vs 和Vi ，即可得 Ri 知输入电阻为： I i (VS Vi ) / RS VS Vi
♦ 输出电阻
Ro ≈Rc
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设计任务
♦ 已知单级低频放大器所用的晶体三极管型号为 9013，其β=100，电路工作电源VCC=12V，设 ICQ=2.4mA，AV=-100，RL=5.1kΩ。根据以上要 求，设计、计算并选取电路器件参数，使放大 器能够不失真地放大常用的正弦波信号，并达 到|AV| ≥ 100的要求。
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参数估算
♦ 注意：以上四种电阻值根据计算值的范 围再结合实验箱中现有的电阻值取相近 值确定。其中，基极上偏置电阻可通过 调节电位器RW来确定， RC也可另外串 接电位器进行调节确定。
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参数估算
C1、C2和Ce电容的选择
♦ 一般来说 C1、C2和Ce越大，低频特性越好，但 电容过大体积也大，既不经济又加大分布电容， 影响高频特性，再者电容量大的电解电容漏电 电流也大。一般能满足放大器的下限频率即可。 工程估算时C1、C2一般取10～50µ F， Ce取30～ 100µ F。具体电容值可由实验箱中现有的电容予 以确定。
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实验内容
三种失真波形的调节与观察
♦ 既饱和又截止失真波形 增加信号源的输出电压幅度（必要时再略调 电位器RW），使放大器输出端同时出现正负 向失真，将示波器观察到的失真波形画出。
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实验内容
♦ 饱和失真波形
降低RW的值，使VCEQ的值很小，即放大器工作 在饱和区，测画出示波器此时显示出的输出波形 即为放大器的饱和失真波形（一般是指输出为负 半周的波形被削平）。
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实验内容
通频带BW的测量
♦ 通频带的测量方法：将放大器输入中频信号，如f = 1kHz，在其输出端有正常的放大波形时，测出 其电压值为Vo ，然后维持Vi不变，增加信号源的 频率直到输出电压下降到0.707 Vo为止，此频率就 是上限频率fH 。同理保持不变，降低信号源的频 率直到输出电压下降到0.707 Vo为止，此频率就是 下限频率fL 。须多次反复调节信号源的频率和输 出电压幅度才能完成测量。
♦ 截止失真波形
增大RW的值，使放大器工作在截止区，即VCEQ 很大，测画出示波器观察到的截止失真波形（一 般是指输出为正半周的波形被削平）。
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注意事项
为了静态工作点调节的方便，应该选择较大阻值 的电位器Rw。
放大电路输入电压的幅值不能太大，一般为几到 二十几毫伏，否则输出信号会严重失真。
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参数估算
单管放大器主要动态性能指标
♦ 交流电压放大倍数
- β ( R′ - β ( RL // RC // rce ) - β ( RL // RC ) L // ro ) AV = = ≈ rce >> RC rbe rbe rbe
♦ 输入电阻
Ri = Rb 2 //( Rb1 + RW ) // rbe
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实验原理
♦ 单级放大器是构成多级放大器和复杂电路的基 本单元。其功能是在不失真的条件下，对输入 信号进行放大。要使放大器正常工作，必须设 置合适的静态工作点。 ♦ 静态工作点Q的设置需要满足：放大倍数、输入 电阻、输出电阻、非线性失真等各项指标的要 求；当外界环境等条件发生变化时，静态工作 点要保持稳定。
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参数估算
♦ 上、下偏置电阻阻值
Rb 2 = VBQ I Rb 2 = VEQ + VBEQ (5 ~ 10) I CQ / β
VCC - VBQ VCC - VBQ RB = Rb1 + RW ≈ = I Rb 2 (5 ~ 10) I CQ / β
♦ 工程估算中一般取 VEQ = (0.2 ~ 0.3)VCC 故 Re = VCC / I EQ ≈VCC / ICQ