实验7 单管低频电压放大电路

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坟洪张廖
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1 实验 7 单管低频电压放大电路

2 实验目的. 认识实验所用的电子元器件 ( 双极型晶体管电阻电位器和电容器等 ) 2. 学习看图接线, 能熟练使用常用电子测量仪器 3. 学习单管电压放大电路的基本测试方法 4. 了解双极型晶体管电压放大电路中引入负反馈后对其工作性能的影响

3 实验原理. 单管低频电压放大电路介绍 +U R B RP 00kΩ R 3kΩ 2V R S 0kΩ e S u 0μF RB2 22kΩ 5kΩ T R E.5kΩ 2 0μF E 47μF R L 3kΩ u O 图 3.7a. 单管低频电压放大电路阻容耦合分压偏置共发射极电压放大电路如图 3.7a. 所示该电路中的双极型晶体管 T 是电路中的放大器件, 它能把输入回路 ( 基极发射极 ) 中微小的电流信号在输出回路中 ( 集电极发射极 ) 放大为一定大小的电流信号输出回路中得到的较大输出电流是源自直流电源, 双极型晶体管在电路中实际上起着电流控制作用电源提供放大电路能量, 还为双极型晶体管的集电极提供反向偏置, 使其处于放大工作状态 ; 并通过基极电阻 RB 和 R B2 的分压, 提供合适的基极电压, 调节电位器 R P 的阻值可以改变基极电流, 从而改变集电极电流集电极电阻 R 可以将集电极电流的变化变换为集电极电压的变化, 在输出回路中得到放大的电压信号发射极电阻 R E 对集电极电流的直流分量有负反馈的作用, 稳定了静态工作电流发射极电容 E 对集电极电流的交流分量提供了交流通路, 起了分流交流作用 2 能够分隔直流电位, 通过交流分量电流, 起到隔直流通交流的作用 ; 它们分别把交流信号电流输入基极以及把放大后的交流信号电压送到负载端, 而不影响晶体管的直流工作状态 2. 静态工作点 Q 的估算当外加输入信号为零时, 在直流电源的作用下, 基极和集电极回路的直流电流和电压分别用 I BQ U BEQ I Q U EQ 表示, 并在其输入和输出特性上各自对应一个点, 称为静态工作点此时电路的直流通路如图 3.7a.2 所示假设 I >> I, U = V, 则有 U BQ BQ BE 0.7 RB2 R + R U U BQ BE U, IEQ =, B B2 RE 由于 IQ IEQ, UEQ U IQ R + RE I ( ) U I EQ BQ = + β

3 的输出特性图上能直观地看到选择 Q 点时, 若静态电压居中, 集电极电流 I Q 也适中, 它能最大不失真地放大输入的信号, 放大器工作在晶体管的放大区域如调节 R P,

4 B I R B 39kΩ IBQ R B2 5kΩ R 3kΩ T I Q I EQ R E.5kΩ +U 图 3.7a.2 电压放大电路的直流通路 3. 静态工作点的选择放大器静态工作点 Q 的位置对放大器放大信号有很大影响, 从图 3.7a.3 的输出特性图上能直观地看到选择 Q 点时, 若静态电压居中, 集电极电流 I Q 也适中, 它能最大不失真地放大输入的信号, 放大器工作在晶体管的放大区域如调节 R P, 改变基极偏置电流 I B 从而也改变了集电极电流 I, 使工作点上移到 Q 点, 放大器就工作在晶体管放大电路的饱和区输入较大的信号就会产生饱和失真, 输出波形的下半波被截如果工作点下移到 Q 2 点, 放大器工作在晶体管放大电路的截止区, 输入较大的信号就会产生截止失真, 输出波形的上半波被截图 3.7a.3 放大电路的静态工作点 2

5 4. 放大电路的电压放大倍数如把放大电路看作一个黑盒子, 并等效为一个双端口有源网络, 如图 3.7a.4 所示, 在输出端断开 ( 空载 ) 及接通负载电阻 R L ( 负载 ) 两种情况下测定 U 及 U O, 求出它们的比值 A u 称为放大电路的电压放大倍数空载时 A uo U O = 负载时 U A ul U OL = U, R S R O E S U R EO U O RL 图 3.7a.4 测量放大电路电压放大倍数的等效电路 5. 输入电阻的测量输入电阻 R 即为放大电路输入端看入的内阻在图 3.7a.4 的输入回路中具有以下的分压关系 ; R = 所以, 已知 R 并测出 6. 输出电阻的测量 U 则 RS ES U S ES 及 U 即可求得 U R = R E U R 输出电阻 R O 即为放大电路输出端看入的内阻 () 输出端开路短路法开路时测开路电压 U O = EO, 短路时测短路电流 I S, 则输出电阻 R S S E U = O O O I = S I S (2) 输出端通断负载法若输出端不允许短路或直接测 I S 有困难, 则输出端接通负载电阻 R L, 此时输出电压 RL EO UOL UO UOL UOL = EO, 换算得 RO = RL = R L R + R U U O L OL 7. 放大电路中的负反馈在分压偏置共发射极单管放大电路中, 若在输出端与基极间接入电阻 R 则构成电压并联负反馈 R 对外来输入信号电流形成分流 ( 输出信号电压与输入信号电压反相 ) 使基极 F 实际输入的信号电流下降, 降低了电压放大倍数 OL F 3

6 +U R B RP 00kΩ 22kΩ R 3kΩ 2 0μF 2V R S 0kΩ e S u 0μF RB2 5kΩ R E.5kΩ E 47μF R L 3kΩ u O R F 00kΩ 图 3.7a.5 电压并联负反馈电路若在图 3.7a. 所示的电路中, 在三极管的发射极和 R E E 之间串联接入一个低阻值电阻 R, 则构成电流串联负反馈, 这样发射极电流中的交流分量通过发射极电阻 R E 形成交流 E 电压降 ( 与输入信号电压同相 ), 在输入回路中抵消了一部分输入信号电压, 使实际输入的信号电压及信号电流减少, 电流串联负反馈降低了电压放大倍数放大器中引入负反馈后虽然减少了电压放大倍数, 但它的电压放大倍数稳定性非线性失真输入阻抗输出阻抗和频带宽度都会得到改善 8. 射极输出器射极输出器 ( 图 3.7a.6) 电路中的三极管集电极直接接电源, 其输出电压从发射极引出, 与输入信号电压同相同时输出电压又全部反馈到输入回路, 抵消了大部分输入信号电压, 构成了电压串联负反馈放大器, 电压放大倍数小于近似于由于大部分输入信号电压被抵消, 大大地减少了在 BE 间实际输入的信号电压及信号电流, 就相当于把输入阻抗提高了数十倍, 同时电压负反馈能够稳定输出信号电压, 就相当于大大地减少了放大器的输出阻抗利用射极输出器输入阻抗很高, 输出阻抗很小的特征, 可以用作多级放大的输入级或输出级, 同时利用其能够放大电流的特点可以起功率输出作用 R B 20kΩ R 3kΩ +U 2V R S 0kΩ u 0μF 2 47μF e S R E.5kΩ R L 3kΩ u O 图 3.7a.6 射极输出器 4

7 实验仪器. 直流稳压电源 0~30V 0~ A 台 2. 函数发生器 2Hz~2MHz 5V P-P 台 3. 示波器 0~20MHz 双踪台 4. 交流毫伏表 00μV~300V 5Hz~2MHz 台 5. 万用表台 6. 直流毫安表 0~50mA 只 7. 实验电路板块

8 实验步骤. 对照电路图 ( 图 3.7a.) 认识在实验电路板上的电子元器件 ( 双极型晶体管电阻电位器和电容器 ) 及各个接线端 2. 测量静态工作点首先按图 3.7a. 在实验板上接线, 电路输入端不接信号源接入直流电源 (+2V) 和直流毫安表通电后, 通过调节基极偏置电路中的 00kΩ 电位器 R P 把 I 调到.6mA, 按表 3.7a. 用万用表电压档测量静态工作电压, 记录测得的数据表 3.7a. 测试静态工作点 U / V U / V U / V B BE E U / V I / ma E 估算值实测值.6 3. 观察不同工作点的输入和输出波形在放大器的输入端加入一个频率为 khz 的正弦波, 用示波器观察输入和输出波形在 I =.6mA 时, 逐渐加大输入信号电压, 用示波器观察输出波形, 使它达到幅度最大且不失真, 然后调整 I 为 2.4 ma 和 0.5 ma, 不要改变输入信号, 再用示波器观察输出波形并画在表 3.7a.2 中表 3.7a.2 三种工作点的输入和输出波形 Ic.6mA 2.4mA 0.5mA 输出波形取以上三种工作点时, 放大器工作在什么区域? 4. 测量输入电压和输出电压, 计算电压放大倍数输入电阻和输出电阻在 e 端接入 khz 正弦波信号电压, 要求 U 为 0m V, I =.6mA, 测量信号源输出 S 电压 ES 接入负载电阻 R L 时的输出电压 U U / mv E / mv U / V U / V S OL O 0 OL 不接 R 时的空载输出电压表 3.7a.3 电压放大倍数输入电阻和输出电阻 A ul L U O A R / kω R / kω uo O 根据实验原理中计算式计算电压放大倍数 A A 输入电阻 R 和输出电阻 R 5. 测量电压并联负反馈放大器的源电压放大倍数及放大倍数稳定性通过 R 把输出电压引入输入端 S 与输入信号并联, 形成电压并联负反馈电路如图 F U O 3.7a.5 ( 图中若不需要负反馈可把 R 断开, 就是无反馈电路 ) F ul uo O

9 无反馈电路 00 电压并联负反馈 a.4 测量放大器的源电压放大倍数及放大倍数稳定性 E / mv U / V S O U / V OL A uso usl A Δ A A A uso U = E O S A usl U = E OL S Δ A A A U U = = A A U uso usl O OL uso O 在输入端加入 00mV, 频率为 khz 的交流信号, 测量电路在无反馈和电压并联负反馈时空载和接入 R (3kΩ) 时的输出电压计算放大器的源电压放大倍数及放大倍数的稳定性 L 6. 观察负反馈减小放大器非线性失真 () 无反馈电路 ( 图 3.7a.) 在输入端输入频率为 khz 电压为 40mV 左右的正弦信号, 在输出端用示波器观察输出电压波形, 逐渐增大输入信号, 使输出电压波形稍有一些失真 ( 上下半波不对称 ) (2) 电压并联负反馈电路 ( 图 3.7a.5) 把电路改接成电压并联负反馈电路, 增大输入信号电压, 使输出信号幅度与无反馈电路相同, 在输出端用示波器观察输出电压波形, 上下半波不对称情况是否改善 7. 测量无反馈和有反馈时的带宽在无反馈和有反馈两种情况下, 接通负载电阻 R, 用 khz 信号送入放大器, 调节输入信号大小, 在输出端测得 V 电压, 并记下此时的源电压 E S E S L 然后增大及减小信号频率, 保持信号幅度不变, 测出输出电压为 0.6,0.707,0.8,0.9V 时的频率, 记录在表 3.7a.5 及表 3.7a.6 中表 3.7a.5 测量无反馈放大电路的带宽 f / Hz k U / V O E / mv S 表 3.7a.6 测量电压并联负反馈放大电路的带宽 f /Hz k U / V O E /mv S 在单对数坐标纸上画出用逐点法测出的无反馈和有反馈时的幅频特性图, 分析两种电路 2

10 的通频带宽度, 说明负反馈放大的优点 8. 电流串联负反馈放大电路在图 3.7a. 的基础上, 断开晶体管发射极电路, 在发射极与发射极电阻和电容并联电路之间串联接入 200Ω 电阻构成一个电流串联负反馈放大电路对该电路参照电压并联负反馈电路测试方法进行测试, 将数据记录在自拟表格中, 并计算电压放大倍数输入电阻和输出电阻, 与无反馈时的相应数值作比较 9. 射极输出器的电压放大倍数输入及输出电阻测试 () 按图 3.7a.6 连接电路 (2) 测量输入输出电压, 计算电压放大倍数输入电阻和输出电阻 ( 计算方法同步骤 4) 表 3.7a.7 测射极输出器的输入电阻 E /mv U /mv R / Ω S 00 表 3.7a.8 测射极输出器的输出电阻 U /mv U /mv el U /mv O e A ul A uo R / Ω O 00 3

11 实验报告要求. 记录双极型晶体管放大器静态工作点及无反馈有反馈时的各项测试数据 2. 记录射极输出器的各项测试数据 3. 根据实验数据及所观察到的波形进行分析, 并得出相关的结论并说明放大器中引入负反馈对放大器性能的影响 4. 说明测量电压并联负反馈放大器的放大倍数稳定性时, 为什么要用源电压放大倍数来作比较

12 实验现象. 静态工作点的估算值和实测值较吻合如果差别较大, 可能是提供的晶体管 β 值与估算用的 β 值不一样 2. 观察三种工作点的输出波形时, 当 I 调得最大时大约为 2.5mA 由于电位器的缘故( 接触不良 ), 示波器上有时会没有波形显示, 可往回调一些当 I 调得最小时, 如果看不清, 同样处理

13 实验结果分析. 静态工作点的估算值和实测值较吻合如果差别较大, 可能是提供的晶体管 β 值与估算用的 β 值不一样 2. 当 I 为.6 ma 时, 放大器工作在放大区, 能够输出最大不失真电压波形当 I 为 2.5 ma 时, 放大器工作在饱和区, 输出电压负半波被截去部分波形当 I 为 0.5 ma 时, 放大器工作在截止区, 正半波被截去部分波形 3. 有反馈和无反馈时输出波形的失真情况无反馈时当输入较大信号时, 输出波形正半波峰值电压明显小于负半波有反馈时明显改善 4. 电压并联负反馈改善输出电压波形的失真降低了输出电阻增加了带宽和提高了电压放大倍数稳定性这些性能的改善是以牺牲电压放大倍数为代价的

14 实验相关知识

15 预习要求. 了解晶体三极管电压放大电路的工作原理及静态工作点电压放大倍数输入电阻输出电阻非线性失真和频带宽度的含义 2. 了解双极型晶体管电压放大电路中引入负反馈的方法及负反馈对放大器工作性能的影响, 了解射极输出器的功能 3. 了解常用电子测量仪器的使用方法

16 相关知识点放大电路的组成放大电路静态分析静态工作点的作用静态工作点的稳定放大电路动态分析放大器基本性能指标微变等效电路射 ( 源 ) 极输出器放大电路中的负反馈反馈的概念反馈的极性与类型负反馈对放大器性能的影响 E E E E E E E E E E E E

17 注意事项. 双极型晶体管管脚 e b 和 c 要分清, 正确插入管座 2. 在测电压放大倍数时, 必须把 I 调至.6mA, 使放大器工作在放大区 3. 实验中测量直流电压交流电压和峰值电压时, 应根据不同要求选用万用表交流毫伏表和示波器

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