实验实训三 低频信号电压放大器.docx
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实验实训三低频信号电压放大器
实验实训三低频信号电压放大器
一、实验实训目的
1、了解晶体管放大器静态工作点变动对其性能的影响；观察工作点偏移过大时输出波形的失真情况；
2、进一步加深对放大器工作原理的理解；
3、掌握静态工作点的调整与测试方法；
4、掌握放大器电压放大倍数AV、输入电阻、输出电阻及最大不失真输出电压的测试方法；
5、了解RC、β、IC、RL的变化对AV的影响；
6、实践简单电路的安装；
7、进一步熟悉示波器、低频信号发生器（或函数发生器）的使用方法。
二、实验实训器材
1、＋12V直流稳压电源；
2、函数信号发生器（低频信号发生器）；
3、双踪示波器；
4、交流毫伏表；
5、直流电压表；
6、直流毫安表；
7、频率计；
8、万用电表；
9、晶体三极管3DG6×1（β＝50～100）或9011×1（管脚排列如图3.3.9所示）。
三、预习要求
1、复习《电子技术基础》相关内容，弄懂放大器静态工作点的调整方法、放大倍数的计算方法，以及失真问题。
2、复习示波器、低频信号发生器使用说明。
3、按图3.3.1所给数值估算其静态工作点（预习时测量所用晶体管的）。
4、掌握放大器的实验原理、步骤、仪器的连接及使用方法。
四、实验实训原理说明
设计放大器欲达到预期的指标，往往要经过计算、测量、调试等多次反复才能完成。
因此，掌握放大器的测量技术是很重要的。
放大器的一个基本任务是将输入信号进行不失真的放大。
这就要求晶体管放大器必须设置合适的静态工作点（否则就要出现截止失真或饱和失真）。
1、常用的偏置电路有分压式偏置和固定基流偏置，如图3.3.1和图3.3.2所示。
图3.3.1分压式稳定偏置放大器
图3.3.2固定基流偏置放大器
图中若忽略偏置电阻的分流影响，二者的源电压放大倍数是：
如果不考虑电源内阻的影响，则放大倍数是：
式中
由上分析可知，RL、RC、IC变化时，AV、AVS也随之变化。
2、图3.3.3为电阻分压式工作点稳定单管放大器实验电路图。
它的偏置电路采用RB1和RB2组成的分压电路，并在发射极中接有电阻RE，以稳定放大器的静态工作点。
当在放大器的输入端加入输入信号ui后，在放大器的输出端便可得到一个与ui相位相反，幅值被放大了的输出信号u0，从而实现了电压放大。
图3.3.3共射极单管放大器实验电路
在图3.3.3电路中，当流过偏置电阻RB1和RB2的电流远大于晶体管T的基极电流IB时（一般5～10倍），则它的静态工作点可用下式估算
UCE＝UCC－IC（RC＋RE）
电压放大倍数
输入电阻
Ri＝RB1//RB2//rbe
输出电阻
RO≈RC
由于电子器件性能的分散性比较大，因此在设计和制作晶体管放大电路时，离不开测量和调试技术。
在设计前应测量所用元器件的参数，为电路设计提供必要的依据，在完成设计和装配以后，还必须测量和调试放大器的静态工作点和各项性能指标。
一个优质放大器，必定是理论设计与实验调整相结合的产物。
因此，除了学习放大器的理论知识和设计方法外，还必须掌握必要的测量和调试技术。
放大器的测量和调试一般包括：
放大器静态工作点的测量与调试，消除干扰与自激振荡及放大器各项动态参数的测量与调试等。
1）放大器静态工作点的测量与调试
①静态工作点的测量
测量放大器的静态工作点，应在输入信号ui＝0的情况下进行，即将放大器输入端与地端短接，然后选用量程合适的直流毫安表和直流电压表，分别测量晶体管的集电极电流IC以及各电极对地的电位UB、UC和UE。
一般实验中，为了避免断开集电极，所以采用测量电压UE或UC，然后算出IC的方法，例如，只要测出UE，即可用
算出IC。
（也可根据
，由UC确定IC），同时也能算出UBE＝UB－UE，UCE＝UC－UE。
为了减小误差，提高测量精度，应选用内阻较高的直流电压表。
②静态工作点的调试
放大器静态工作点的调试是指对管子集电极电流IC（或UCE）的调整与测试。
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。
如工作点偏高，放大器在加入交流信号以后易产生饱和失真，此时uO的负半周将被削底，如图3.3.4（a）所示；如工作点偏低则易产生截止失真，即uO的正半周被缩顶（一般截止失真不如饱和失真明显），如图3.3.4（b）所示。
这些情况都不符合不失真放大的要求。
所以在选定工作点以后还必须进行动态调试，即在放大器的输入端加入一定的输入电压ui，检查输出电压uO的大小和波形是否满足要求。
如不满足，则应调节静态工作点的位置。
（a）（b）
图3.3.4静态工作点对uO波形失真的影响
改变电路参数UCC、RC、RB（RB1、RB2）都会引起静态工作点的变化，如图3.3.5所示。
但通常多采用调节偏置电阻RB2的方法来改变静态工作点，如减小RB2，则可使静态工作点提高等。
图3.3.5电路参数对静态工作点的影响
最后还要说明的是，上面所说的工作点“偏高”或“偏低”不是绝对的，应该是相对信号的幅度而言，如输入信号幅度很小，即使工作点较高或较低也不一定会出现失真。
所以确切地说，产生波形失真是信号幅度与静态工作点设置配合不当所致。
如需满足较大信号幅度的要求，静态工作点最好尽量靠近交流负载线的中点。
2）放大器动态指标测试
放大器动态指标包括电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真输出电压（动态范围）和通频带等。
①电压放大倍数AV的测量
调整放大器到合适的静态工作点，然后加入输入电压ui，在输出电压uO不失真的情况下，用交流毫伏表测出ui和uo的有效值Ui和UO，则
②输入电阻Ri的测量
为了测量放大器的输入电阻，按图3.3.6电路在被测放大器的输入端与信号源之间串入一只电阻R，在放大器正常工作的情况下，用交流毫伏表测出US和Ui，则根据输入电阻的定义可得
图3.3.6输入、输出电阻测量电路
测量时应注意下列几点:
a.由于电阻R两端没有电路公共接地点，所以测量R两端电压UR时必须分别测出US和Ui，然后按UR＝US－Ui求出UR值。
b.电阻R的值不宜取得过大或过小，以免产生较大的测量误差，通常取R与Ri为同一数量级为好，本实验可取R＝1～2KΩ。
③输出电阻R0的测量
按图3.3.6电路，在放大器正常工作条件下，测出输出端不接负载RL的输出电压UO和接入负载后的输出电压UL，根据
即可求出
在测试中应注意，必须保持RL接入前后输入信号的大小不变。
④最大不失真输出电压UOPP的测量（最大动态范围）
如上所述，为了得到最大动态范围，应将静态工作点调在交流负载线的中点。
为此在放大器正常工作情况下，逐步增大输入信号的幅度，并同时调节RW（改变静态工作点），用示波器观察uO，当输出波形同时出现削底和缩顶现象（如图3.3.7）时，说明静态工作点已调在交流负载线的中点。
然后反复调整输入信号，使波形输出幅度最大，且无明显失真时，用交流毫伏表测出UO（有效值），则动态范围等于
。
或用示波器直接读出UOPP来。
图3.3.7静态工作点正常，输入信号太大引起的失真
⑤放大器幅频特性的测量
放大器的幅频特性是指放大器的电压放大倍数AU与输入信号频率f之间的关系曲线。
单管阻容耦合放大电路的幅频特性曲线如图3.3.8所示，Aum为中频电压放大倍数，通常规定电压放大倍数随频率变化下降到中频放大倍数的
倍，即0.707Aum所对应的频率分别称为下限频率fL和上限频率fH，则通频带fBW＝fH－fL
放大器的幅率特性就是测量不同频率信号时的电压放大倍数AU。
为此，可采用前述测AU的方法，每改变一个信号频率，测量其相应的电压放大倍数，测量时应注意取点要恰当，在低频段与高频段应多测几点，在中频段可以少测几点。
此外，在改变频率时，要保持输入信号的幅度不变，且输出波形不得失真。
⑥干扰和自激振荡的消除
参考实验附录
3DG9011（NPN）
3CG9012（PNP）
9013（NPN）
图3.3.8幅频特性曲线图3.3.9晶体三极管管脚排列
五、实验实训内容与步骤
1、按图3.3.1所给元件数值连接好电路，用万用表电阻挡来测量电路电源的进线端，看是否短路。
若有短路现象或电阻太小，则应查出故障，待排出故障后才能接通电源。
1）测量静态工作点
令RC=3KΩ，在无输入信号的情况下，调节上偏置可变电阻RP，使ICQ≈1mA然后用万用表分别测量VCEQ、VCQ、VBQ、EC和VEQ值。
记下Rb2、Rb1、Re阻值，并测出此时RP的阻值,记录在表3.3.1中。
表3.3.1
测量参数
EC（V）
ICQ（V）
VCEQ（V）
VCQ（V）
VBQ（V）
VEQ（V）
Rb1
（Ω）
Rb2
（Ω）
Rp
（Ω）
（Rp+Rb1）
（Ω）
Re
（Ω）
测量仪表
万用表
2）观察静态工作点变动对放大器输出波形的影响
①按图3.3.10电路连好测量仪器。
保持ICQ≈1mA、RC=3KΩ、RL=1.5KΩ，在放大器的输入端加入一个频率为lkHz的信号电压，同时用示波器观察放大器输出波形。
逐步增大输入信号幅度直到输出波形出现失真为止。
若出现上下波形失真、不对称，可调节RP使输出波形不失真。
继续加大输入信号幅度，直到再次出现不对称、失真为止。
于是再次调节RP，使失真消除，如此反复，达到最大不失真输出。
此时静态工作点已选择在动态特性曲线的中心点。
用毫伏表测量Vo，再用万用表测ICQ、VCEQ,从而用图解法在输出特性曲线上求出最大不失真输出的电压范围，与测量值比较。
图3.3.10观察波形和测量放大倍数的连接电路图
②调节RP，使ICQ≈2mA或IC≈0mA。
改变输入信号幅度，用示波器观测并绘下放大器输出波形的变化，分析失真的原因。
3）放大倍数的测量
①测量仪器与电路的连接仍如图3.3.10所示。
令图3.3.1电路中的RC=3kΩ、RL=1.5kΩ，调节RP，使IC＝lmA，输入信号频率为1kHz、有效值为Vi＝（10～20）mV。
在输出波形基本不失真情况下（以示波器监视），用毫伏表或示波器分别测出放大器输入电压Vi和输出电压Vo，求出AV。
②保持输入信号幅度不变，分别改变输入信号频率和电路参数，测量不同情况下的放大倍数。
具体参数变化量按表3.3.2要求进行。
表3.3.2
序号
测量条件
实验值
计算值
误差
输入信号频率（Hz）
RC
（Ω）
RL
（Ω）
ICQ
（Ω）
Vi（V）
Vo（V）
AV=Vo/Vi
AV=
-
R'L/rbe
RL
Rbe
1
1k
3k
1.5k
1
<70
2
1000k
3k
1.5k
1
<70
3
100k
3k
.5k
1
<70
4
1k
.5k
1.5k
1
<70
5
1k
3k
6.2k
1
<70
6
1k
3k
1.5k
2
<70
③测量信号源内阻RS对放大倍数的影响。
图3.3.11测量AVS连接电路
令图3.3.1中RC=3kΩ、RL=1.5kΩ、IC＝lmA，保持原输入信号幅度，在低频信号发生器与放大器输入端A之间串联一个电阻RS（600Ω），测出此时的Vo，求AVS。
，将AVS与表3.3.2中1的测量结果AV比较，测量电路连接如图3.3.11所示。
2、实验电路如图3.3.3所示。
为防止干扰，各仪器的公共端必须连在一起，同时信号源、交流毫伏表和示波器的引线应采用专用电缆线或屏蔽线，如使用屏蔽线，则屏蔽线的外包金属网应接在公共接地端上。
1）调试静态工作点
接通直流电源前，先将RW调至最大，函数信号发生器输出旋钮旋至零。
接通＋12V电源、调节RW，使IC＝2.0mA（即UE＝2.0V），用直流电压表测量UB、UE、UC及用万用电表测量RB2值。
记入表3.3.3。
表3.3.3IC＝2mA
测量值
计算值
UB（V）
UE（V）
UC（V）
RB2（KΩ）
UBE（V）
UCE（V）
IC（mA）
2）测量电压放大倍数
在放大器输入端加入频率为1KHz的正弦信号uS，调节函数信号发生器的输出旋钮使放大器输入电压Ui
10mV，同时用示波器观察放大器输出电压uO波形，在波形不失真的条件下用交流毫伏表测量下述三种情况下的UO值，并用双踪示波器观察uO和ui的相位关系，记入表3.3.4中。
表3.3.4Ic＝2.0mAUi＝10mV
RC（KΩ）
RL（KΩ）
Uo（V）
AV
观察记录一组uO和u1波形
2.4
∞
1.2
∞
2.4
2.4
3）观察静态工作点对电压放大倍数的影响
置RC＝2.4KΩ，RL＝∞，Ui适量，调节RW，用示波器监视输出电压波形，在uO不失真的条件下，测量数组IC和UO值，记入表3.3.5。
表3.3.5 RC＝2.4KΩRL＝∞Ui＝ mV
IC（mA）
2.0
UO（V）
AV
测量IC时，要先将信号源输出旋钮旋至零（即使Ui＝0）。
4）观察静态工作点对输出波形失真的影响
置RC＝2.4KΩ，RL＝2.4KΩ，ui＝0，调节RW使IC＝2.0mA，测出UCE值，再逐步加大输入信号，使输出电压u0足够大但不失真。
然后保持输入信号不变，分别增大和减小RW，使波形出现失真，绘出u0的波形，并测出失真情况下的IC和UCE值，记入表3.3.6中。
每次测IC和UCE值时都要将信号源的输出旋钮旋至零。
表3.3.6RC＝2.4KΩRL＝∞Ui＝ mV
IC（mA）
UCE（V）
u0波形
失真情况
管子工作状态
2.0
5）测量最大不失真输出电压
置RC＝2.4KΩ，RL＝2.4KΩ，按照实验原理2）、4）中所述方法，同时调节输入信号的幅度和电位器RW，用示波器和交流毫伏表测量UOPP及UO值，记入表3.7中。
表3.3.7RC＝2.4KRL＝2.4K
IC（mA）
Uim（mV）
Uom（V）
UOPP（V）
6）测量输入电阻和输出电阻
置RC＝2.4KΩ，RL＝2.4KΩ，IC＝2.0mA。
输入f＝1KHz的正弦信号，在输出电压uo不失真的情况下，用交流毫伏表测出US，Ui和UL记入表3.3.8。
保持US不变，断开RL，测量输出电压Uo，记入表3.3.8。
表3.3.8 Ic＝2mARc＝2.4KΩRL＝2.4KΩ
US
（mv）
Ui
（mv）
Ri（KΩ）
UL（V）
UO（V）
R0（KΩ）
测量值
计算值
测量值
计算值
7）测量幅频特性曲线
取IC＝2.0mA，RC＝2.4KΩ，RL＝2.4KΩ。
保持输入信号ui的幅度不变，改变信号源频率f，逐点测出相应的输出电压UO，记入表3.3.9。
表3.3.9Ui＝mV
flfofn
f（KHz）
UO（V）
AV＝UO/Ui
为了信号源频率f取值合适，可先粗测一下，找出中频范围，然后再仔细读数。
六、实验实训报告要求
1、列表整理测量结果，并把实测的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻、输出电阻之值与理论计算值比较（取一组数据进行比较），分析产生误差原因。
2、总结RC，RL及静态工作点对放大器电压放大倍数、输入电阻、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。
4、分析讨论在调试过程中出现的问题。
七、问题与讨论
1、能否用直流电压表直接测量晶体管的UBE？
为什么实验中要采用测UB、UE，再间接算出UBE的方法？
2、怎样测量RB2阻值？
3、当调节偏置电阻RB2，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UCE怎样变化？
4、改变静态工作点对放大器的输入电阻Ri有否影响？
改变外接电阻RL对输出电阻RO有否影响？
5、在测试AV，Ri和RO时怎样选择输入信号的大小和频率？
为什么信号频率一般选1KHz，而不选100KHz或更高？
6、测试中，如果将函数信号发生器、交流毫伏表、示波器中任一仪器的二个测试端子接线换位（即各仪器的接地端不再连在一起），将会出现什么问题？
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