【模电实验】【验证性实验——单管共发射极放大电路实验】

实验3-1 验证性实验——单管共发射极放大电路实验

1. 放大电路静态工作点的测量与调试

1. 测量放大电路的静态工作点，应在输入信号 $u_1=0$ 的情况下进行。即将放大器输入信号端对地短接，然后用万用表置于量程合适的直流电流和直流电压档测量放大器的集电极电流以及各极对地的电位(电流可以不测)

$$\begin{gathered} U_{CE}=U_C-U_E \\ {U}_{BE}=U_B-U_E \\ 间接测量法测I_C \\ {I}_C=\frac{U_{CC}-U_C}{R_C}or{I}_C\approx I_E=\frac{U_E}{R_E} \end{gathered}$$

2. 放大电路静态工作点的调试是指针对管子集电极电流$I_C$ (或$U_{CE}$) 的调整与调试

放大器的最大不失真输出幅度（最大不失真动态范围）与电路的静态工作点有关。静态工作点偏高，当输入信号的幅度增大时，最先产生饱和失真；偏低，当输入信号的幅度增大时，最先产生截止失真。

这两种情况都会使放大器的最大不失真动态范围减小，只有静态工作点选在交流负载线的中点时，才能够获得最大不失真输出电压

放大电路的静态工作点是否合适对放大器的性能和输出波形都有很大影响，所以必须进行动态调试，即在放大器输入端加入一定的 $U_i$ ，检查输出电压 $U_o$ 的大小和波形是否满足要求，不满足要调节静态工作点的位置

在这里我们采用调节上偏置电阻 $R_{B1}$ 来实现静态工作点的调整 （减小 $R_{B}1$ ，工作点提高）

3. 测量放大电路静态工作点的步骤

   a. 依据下图连接线路，注意电容极性，最后连接电源线
   
   b. 将电位器 $R_W$ 调至最大，输入信号置零

   c. 仔细检查电路，确认无误接通直流电源

   d. 调电位器 $R_W$ ，使 $R_{B1}$ 为仿真时的最佳值（老师要求 $U_{CE}$ 大致为 6V），测量各静态电压值如下表

   	$U_B/V$	$U_E/V$	$U_C/V$	$U_{BE}/V$	$U_{CE}/V$	$I_C/mA$	$I_B/uA$	$R_{B1}/k\Omega$
   仿真值	3.96	3.25	7.69	0.71	4.44	1.14	17.00	54.0
   估算值	3.09	2.39	8.42	0.70	6.04	1.19	11.90	69.3
   测量值	3.11	2.36	8.41	0.75	6.05	1.20	11.79	68.7

   仿真如下（实验室三极管的 $\beta$ 值为 264）：

由图可知，当 $R_{B1}$ 为 54kΩ时，放大倍数恰好为 -60

静态工作点的仿真值如下：

2. 放大器放大倍数的研究与测量

1. 放大倍数的测量

调节信号发生器为放大电路提供1kHz的正弦信号 $u_1$, 适当调节信号发生器的输入幅值 $U_{im}$, 在保证输出信号电压 $u_o$ 不失真的情况下，用数字示波器的双踪分别测量输入电压 $U_{im}$ 和输出电压 $U_{om}$ 的值，此时放大倍数为
$$A_u=\frac{U_{om}}{U_{im}}$$

通道一是为输出信号

通道二是输入信号

由于示波器的误差，显然输入信号的幅值与信号发生器的幅值有差异，这里我们还是以双踪示波器为准
$$\begin{gathered} U_{im}=38mV \\ {U}_{om}=1.08V \\ {A}_u=28.4 \end{gathered}$$

2. 静态工作点对放大器放大倍数的影响

调偏置电阻 $R_W$ 的大小，使 $I_C\approx 0.5mA(U_E\approx 1V)$ , 微调输入信号使输出电压的波形不失真，测量此时的输入电压和输出电压的幅值，计算放大器的电压放大倍数，并与之前的测量结果比较

调整后 $R_W=140.4k\Omega$ ,

此时输入电压为 26mV

输出电压为 380mV

$$\begin{gathered} 因此： \\ {A}_u=\frac{U_{om}}{U_{im}}=14.6 \end{gathered}$$

3. 负载对放大倍数的影响

在保持输入电压的幅值不变的情况下，改变负载电阻的大小，测量输出电压的幅值，观察负载变化时对电压放大倍数的影响，结果如下表：

$R_L$	$U_{om}/V$	$A_u仿真值$	$A_u估算值$	$A_u测量值$
$\infty$	1.563	-156	-120	-144
10kΩ	1.209	-121	-92	-111
3kΩ	0.790	-79	-60	-76
0.5kΩ	0.227	-23	-17	-17

放大倍数的仿真如下：

空载

10kΩ

3kΩ

0.5kΩ

实际测量截图

4. 静态工作点对放大器输出波形的影响

   a. 放大器最大动态范围的测量

   调偏置电阻的大小，把静态工作点调整在交流负载线的中点（逐渐增加信号发生器的输出电压幅值，也就是增大放大器的输入电压的幅值，用示波器观察输出波形，直到刚刚同时产生饱和、截止失真为止），使放大电路处于最大不失真电压状态，测量此时的输入电压和输出电压，也即放大器的最大不失真输入电压$U_{imax}$ 和 输出电压$U_{omax}$ , 那么放大器的输入输出动态范围为之两倍

   测量并记录此时放大器的静态工作点电流以及上偏置电阻的值

如图所示，此时刚好出现截止和饱和失真

此时 $R_{B1}=80.5k\Omega$

b. 静态工作点对放大器输出波形的影响

在放大电路处于最大不失真电压状态下，按下表中的要求调偏置电阻的大小，观察偏置电阻变化对静态工作点及输出波形的影响，将结果记入表中

测试条件 $R_L=\infty$	静态工作点				输出波形（保持$U_{imax}不变$）	若出现波形失真，请判断失真的性质
	$I_C/mA$	$U_E/V$	$U_C/V$	$U_{CE}$
$R_{B1}=51k\Omega$	1.48	3	7.55	4.55	正弦波底部失真	饱和失真
$R_{B1}=70k\Omega$	1.10	2.22	8.70	6.48	正弦波顶部失真	截止失真
$R_{B1}=90k\Omega$	0.85	1.72	9.44	7.72	正弦波顶部失真	截止失真

3. 输入电阻的测量

1. 关闭直流电源和信号源，在信号源和放大电路间接入已知电阻$R_X$
2. 接通直流电源和信号源，在输出电压不失真的情况下，用交流毫伏表测试信号源电压和电路输入电压的有效值，将测试结果记入表中
3. 根据 $R_i=\frac{U_i}{I_i}=\frac{U_i}{\frac{U_S-U_i}{R_x}}计算R_i的值$

	$U_o/mV$	$U_s/mV$	$U_i/mV$	$R_X/k\Omega$	$R_i/k\Omega$
估算值	/	/	/	/	2.19
仿真值	251	30	25.4	1	5.52
测量值	/	29.5	24.1	1	4.46

4. 输出电阻的测量

1. 将负载电阻与电路断开，接通直流电源和信号源，在输出信号电压不失真的情况下，测量此时的空载输出电压的有效值
2. 将负载电阻接入电路中，测量不失真输出电压的有效值，将测试结果记入下表
3. 根据 $R_o=\frac{U_o-U_{oL}}{I_L}=\frac{U_o-U_{oL}}{\frac{U_{o}L}{R_L}}=(\frac{U_o}{U_{o}L}-1)R_L计算R_o的值$

	$U_i/mV$	$U_{o}L/mV$	$U_o/mv$	$R_L/k\Omega$	$R_0/k\Omega$
估算值	/	/	/	/	3
仿真值	10	574.3	1135	3	2.92
测量值	10	589	1246	3	3.35

5. 放大器频率特性的测量

1. 在放大电路输入端加入 f = 1kHz 的正弦信号，用示波器观测放大电路处于正常放大状态，改变信号源的频率，观察信号源的频率对输出电压幅度的影响，初步确定放大电路的通频带范围及中频段的输出电压幅值，记入下表

	$U_{im}/mV$	$U_{om}/V$	$f_H$	$f_L$	$B{W}_{0.7}$
仿真值	10	0.75	838kHz	500Hz	837.5kHz
测试值	10	0.79	830kHz	511Hz	829.5kHz

2. 逐渐增大信号发生器的频率，观察输出电压幅值岁频率变化的趋势。随着频率的升高，输出电压会降低，记录使输出电压降低为中频段的0.707时的信号频率，记入上表
3. 逐渐减小信号发生器的频率，输出电压随着频率的降低而降低，记录使输出电压降低为中频段的0.707时的信号频率，记入上表

正常放大状态 750mV

高频

低频

实际测量大致如下

正常波形如下

思考题

1. 如何正确的选择放大器的静态工作点，在调试中应当注意什么

尽量保证有最大动态范围，调试中注意输出不失真

2. 负载变化时对放大器的静态工作点有无影响，对电压放大倍数有无影响

一般情况下负载阻抗对静态工作点的影响是很轻微的，几乎不需要考虑，但是负载阻抗对放大电路的放大倍数有很大影响

3. 放大器的静态与动态测试有何区别

前者是为了寻找最佳静态工作点，后者是为了寻找最佳最大动态范围

4. 哪些元件决定了放大器的静态工作点

放大器中与三极管各个管脚相连接的电阻

5. 当负载无限增大时，是否可以使放大倍数无限增大，为什么

不能，当负载无限增大时，相当于空载，此时负载电阻相当于集电极电阻，并不能使放大倍数无限增大