实验一  BJT单管共射放大电路

一、          实验目的

1、掌握放大电路静态工作点的测试方法，分析静态工作点对放大器性能的影响。

2、掌握放大电路动态性能（电压增益、输入电阻、输出电阻、最大不失真输出电压及幅频特性等）的测试方法。

3、进一步熟练常用电子仪器的使用。

二、          实验原理

1、  电路图

图一

2、  通电观察：接好电路之后，在确认安装正确无误后，才可以把经过准确测量的电源电压接入电路。电源接入电路之后，也不应急于观察数据，而应先观察有无异常现象。

3、  静态测试:

（1）       测量放大电路的静态工作点，应在输入信号Vi=0的情况下进行。分别测量VB、VC、VE，然后通过Ic≈IE=VE/RE可算出Ic，同时可算出VBE=VB-VE,VCE=Vc-VE。

（2）       静态工作点的调试：指对管子集电极电流Ic或VCE的调整与测试。静态工作点是否合适，对放大电路的性能及输出波形都有很大的影响，偏高或偏低的静态工作点都会使输出波形出现失真。而静态工作点本身也会影响管子的性能。改变电路的Vcc、Rc、RB都会引起静态工作点的变化，但通常采用调节偏置电阻Rb1来改变静态工作点。

4、  动态指标测试

（1）       电压增益Av的测量：测出vi和vo的有效值，则Av=Vo/Vi  .

图二

（2）       输入电阻Ri : 如图2在被测放大电路的输入端与信号源之间串入一测量辅助电阻R,在放大电路正常工作的情况下，用交流毫伏表测出Vs和V­i，则输入电阻可由Ri=ViR/（Vs-V­i）算出。

（3）       输出电阻Ro：在放大电路正常工作的条件下，测出输出端不接负载RL输出电压Vo和接入负载后的输出电压VL，根据Ro= [(Vo/VL)-1]RL求出输出电阻。

（4）       最大不失真输出电压Vo(p-p)的测量（最大动态范围）：在放大电路正常工作的情况下，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Vo, 当输出波形同时出现削底和缩顶现象时，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Vo有效值，则动态范围等于2Vo，或用示波器直接读出Vo(p-p)。

（5）       放大电路幅频特性的测量：放大电路的幅频特性是指放大电路的电压增益Av与输入信号频率f之间的关系曲线。Avm为中频 电压增益，通常规定电压增益随频率变化下降到中频电压增益的1/倍，即0.707Avm所对应的频率分别称为上限频率fH和下限频率fL，通频带fbw=fH-fL。放大电路的幅频特性就是测量不同频率信号时的电压增益Av。为此可采用前述测Av的方法，每改变一个信号频率，测量其相应的电压增益，测量时应注意取点要恰当，在低频段和高频段多测几点，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，且输出波形不能失真。

三、          实验仪器及设备

四、          实验内容

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至零。接通+12V电源，调节Rw，使Ic=2.0mA(即VE=2.0V),测量VB、VE、Vc及RB1值，记入表1-1.

表1-1

2、  测量电压放大倍数

在放大电路输入端加入频率为1kHz的正弦信号vs，调节函数信号发生器的输出旋钮使放大电路的输入电压vi≈5mV,同时用示波器观察放大电路输出电压vo的波形，同时读出vo值，并观察Vi和Vo的相位关系，记入表1-2

表1-2     Ic=2.0mA   Vi=5.3mV

3、    观察静态工作点对电压放大倍数的影响

置Rc=2KΩ，RL=∞，Vi适量，调节Rw，用示波器监事输出电压波形，在vo不失真的条件下，测量数组Ic和Vo值，记入表1-3.

表1-3　　　R_C=2KΩ　　　R_L=∞　　　V_I=5.030mV

测量Ic时，要先将信号源输出旋钮旋至零。

4、观察静态工作点对输出波形失真的影响

置Rc=2KΩ，vi=0，调节Rw使Ic=2.0mA，测出VCE值，再逐步加大输入信号，使输出电压v0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v0的波形，并测出失真情况下的Ic和VCE值，记入表1-4中。每次测Ic和VCE值时都要将信号源的输出旋钮旋至零。

表1-4　　　R_C=2KΩ　　　R_L=2KΩ　　　V_i=　　　mV

5、测量最大不失真输出电压

置Rc=2KΩ，RL=2KΩ，按照实验原理4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VOPP和Vo值，记入表1-5。

表1-5　　　R_C=2K　　　R_Ｌ=2K

6、测量输入电阻和输出电阻

置Rc=2KΩ，RL=2KΩ，Ic=2.0mA。输入f=1KHz的正弦信号，在输出电压v0不失真的情况下，用交流毫伏表测出Vs，Vi和VL记入表1-6.

保持Vs不变，断开RL，测量输出电压v0，记入表1-6.

表1-6　　　I_C=2mA　　　R_C=2KΩ　　　R_L=2KΩ

7、测量幅频特性曲线

取Ir=2.0mA，Rc=2KΩ，RL=2KΩ。保持输入信号vi的幅度不变，改变信号源频率f，逐点测出相应的输出电压V0，记入表1-7。

表1-7　　　V_i=　　　mV

第二篇：共射放大电路的设计

第三章  设计型实验

实验一    共射极放大器的设计

   

一．             实验目的

 

    1．学会根据一定的技术指标设计单级阻容耦合共射极放大器。

    2．学会在计算机上进行电路仿真及验证。

    3．练习安装技术，学会检查、调整、测量电路的工作状态。

    4．掌握测量放大器的电压放大倍数、频率响应曲线和动态范围的方法。

5．  定性了解工作点对输出波形的影响。

二．预习要求

    1．复习有关共射极放大器的理论知识，了解共射极放大器静态工作点的选择原则及放大器主要指标的定义及测量方法。

2．根据给出的技术指标计算出放大器电路各元件数值，制定出实验方案，选择实验仪器设备，并在计算机上进行电路仿真，找出元件最佳值。

三．共射极放大器的设计方法

共射极放大器的设计，是指根据技术指标要求，确定电路方案、选择晶体管和直流电源电压，确定静态工作点和电路元件的数值。对于信号幅度较大的放大器，除了应有适当的电压放大倍数外，还应有足够的动态范围（指放大器最大不失真输出信号的峰峰值）。这时对工作点的选择必须考虑外接负载的影响，只有恰当的选择E_C、R_c和静态工作点Q，才能达到所需的动态范围。

设计一个共射极放大器，通常是给出所要达到的放大倍数A_u、负载电阻R_L的值、输出电压幅度U_om（或动态范围U_op-p）和某一温度范围内的工作条件。然后根据这些指标进行电路的设计和参数的计算。

1．动态范围与电路参数的关系

对于图1的放大器，当输出信号的动态范围有一定的要求时，应根据给定的负载电阻R_L的值和动态范围U_op-p 以及发射极电压U_EQ来选择电源电压E_C、确定直流负载R_c和静态工作点Q。

                                                             +E_C

                                            R_c

                               R_{b1                  C2}

                               I_b1                                     

                      C₁         I_BQ

                                          3DG6

                                                                  R_L     u_o

            u_i                  R_b2                   

                                            R_e          C_e

图1    共射极放大器电路图

具体步骤如下：

（1） 选择电源电压E_C

 通常稳定条件为：

           U_B = （5 ~ 10）U_BE                                 （1）

           I_b1 = （5 ~ 10）I_BQ                                  （2）

           E_C ≥1.5（U_op-p +U_CES）+ U_EQ                                         （3）

 U_CES为晶体管的反向饱和压降，一般小于1V，计算时取1V，U_EQ » U_B 。

（2） 确定直流负载R_c

                                         （4）

    其中，E¢_C = E_C - U_EQ   

(3)  确定静态工作点Q

         I_CQ = bI_BQ                                           （5）

         U_CEQ » E_C - I_CQR_c - U_B                                 （6）

另外根据图2所示放大器的电压最大输出范围可得：

          U_CEQ = U_om＋U_CES                                    （7） 

 

                                    （8）

                   

                          i_C   （mA）

                          A          饱和线

                          N

                                       Q

                     I_CQ=I_cm

                                              B          M

                          0       U_om                            u_CE 

                        U_CES

                                     U_op-p

                                    

图2    放大器的电压最大输出范围

(4)     偏置电路元件计算公式

                                             （9）

                                        （10）

                                       （11）

    单级放大器的设计方法举例：  

设计一个放大器，它的主要技术指标为：

① 电压放大倍数A_u ≥80

② 输出电压峰峰值U_op-p = 6V

③ 负载电阻R_L = 3.6 KW

④ 信号源内阻 R_s = 600W

⑤ 带宽Df = 100Hz ~ 100kHz

⑥ 有较好的温度稳定性

设计步骤：

1．确定电路方案，选择晶体管

要求有较好的温度稳定性，放大器的静态工作点必须比较稳定，为此采用具有电流负反馈的共射极放大器，如图1所示。因放大器的上限频率要求较高，故选用高频小功率管3DG6，其特性参数为：

I_CM = 20mA ，BU_CEO ³ 20V，f_T ³ 150MHz，b = 60。

由于 bU_CEO >E_C，I_CM > I_C一倍以上，因此可以满足要求。

2．选择电源电压E_C

根据（3）式，U_EQ » U_B =（5～10）U_BEQ = 3.5～7 V，

对于硅管，U_EQ = 3～5V，现取U_EQ = 4V，饱和压降U_CES一般取1V，于是E_C为：

                E_C ³ 1.5（U_op-p＋U_CES）＋ U_E

                   = 1.5 ( 6＋1 ) ＋ 4 = 14.5 V

    取 E_C = 15V

    3．计算R_c       

直流负载电阻R_c与放大倍数、动态范围等都有关系。在本例中，要求有较大的动态范围，故应用下式计算R_c的值：

                   

其中E¢_C=E_C－U_EQ=15-4=11

                   

                      = 4.8 ´ 10³W

                      = 4.8kW

    4．确定静态工作点

       静态工作点的电流I_CQ和电压U_CEQ 分别为：

                  

                      

                  U_CEQ = U_om+U_CES = 3+1 = 4V

    5．校核放大器倍数：  

                   

其中R¢_L = R_L∥R_c

                

                   

                

                

    所以A_u值达到指标要求。

6．计算偏置电路元件R_b1、R_b2与R_e等。

从（2）、（5）式可得：     I_BQ = I_CQ / b，I_b1 = 8 I_BQ

因要求Q点较稳定，故I_b1取大点，于是：   

               

                  

                

              

                      

                  

                  

其中：U_BQ = U_EQ + U_BEQ = 4+0.7 = 4.7V； 实验时，R_b1可用4.7kW 电阻与100 kW电位器串联来代替，R_b2取24 kW，R_e取2.7 kW，R_c取4.7 kW，R_L为3.6 kW。

6．  选择电容C₁、C₂和C_e

单级放大器的低频响应是由C₁、C₂和C_e决定的，如果放大器的下限频率f_L已知，可按下列公式估算C₁、C₂和C_e：

                  

                  

                  

                

                  

取C₁ = C₂ = 10 uF，C_e = 100uF的电解电容，就可满足要求。

            

四．实验内容与方法

    设计一个单级放大器。其技术指标如下：

① 电压放大倍数A_u > 60

② 输出电压峰峰值U_op-p = 4V

③ 负载电阻R_L = 3KW

④ 信号源内阻R_s = 600W

⑤ 带宽Df = 20Hz ~ 200kHz

⑥ 有较好的温度稳定性。

步骤如下：

（1）根据技术要求选好放大器电路后，计算放大器各元件的参数值。

（2）将设计好的电路先在计算机上仿真，适当改变元件的参数，确定最佳值。

（3）按设计好的电路进行安装、调试与参数测量（参看基础型实验三）。

五．实验报告要求

按以下内容撰写实验报告：

1．  根据给定的指标要求，计算元件参数，列出计算机仿真的结果。

2．  绘出设计的电路图，并标明元件的数值。

3．  实验数据处理，作出A_uo ~ f曲线图。

4．  实验结果分析。