三极管计算.doc

实验三 晶体管单管共射放大电路一、 实验目的：1 学习电子线路安装、焊接技术。2 学会放大器静态工作点的测量和调试方法，分析静态工作点对放大器性能的影响。3掌握放大器交流参数：电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真输出电压和频率特性的测试方法。4进一步熟悉常用电子仪器及模拟电路设备的使用方法和晶体管值测试方法。二、 实验原理：（一）实验电路图3.1 晶体管单管共射放大电路图3.1中为单管共射基本放大电路。1 元件作用： RB基极偏流电阻，提供静态工作点所需基极电流。RB是由R1和RW串联组成，RW是可变电阻，用来调节三极管的静态工作点，R1（3K）起保护作用，避免RW调至0端使基极电流过大，损坏晶体管。 RS是输入电流取样电阻，输入电流Ii 流过RS ，在RS 上形成压降，测量RS两端的电压便可计算出Ii 。 RC 集电极直流负载电阻。 RL 交流负载电阻。 C1、C2 耦合电容。（二）理论计算公式： 直流参数计算： 交流参数计算：（三）放大电路参数测试方法由于半导体元件的参数具有一定的离散性，即便是同一型号的元件，其参数往往也有较大差异。设计和制作电路前，必须对使用的元器件参数有全面深入的了解。有些参数可以通过查阅元器件手册获得；而有些参数，如晶体管的各项有关参数（最重要的是值），常常需要通过测试获取，为电路设计提供依据。另一方面，即便是经过精心设计和安装的放大电路，在制作完成后，也必须对静态工作点和一些交流参数进行测试和调节，才能使电路工作在最佳状态。一个优质的电子电路必定是理论设计和实验调试相结合的产物。因此，我们不但要学习电子电路的分析和设计方法，还应认真学习电子调节和测试的方法。1 放大器静态工作点的调试和测量：晶体管的静态工作点对放大电路能否正常工作起着重要的作用。对安装好的晶体管放大电路必须进行静态工作点的测量和调试。 静态工作点的测量：晶体管的静态工作点是指VBEQ、IBQ、VCEQ、ICQ四个参数的值。这四个参数都是直流量，所以应该使用万用电表的直流电压和直流电流档进行测量。测量时，应该保持电路工作在“静态”，即输入电压Vi0。要使Vi=0，对于阻容耦合电路，由于存在输入隔直电容，所以信号源的内阻不会影响放大器的静态工作点，只要将测试用的信号发生器与待测放大器的输入端断开，即可使Vi=0；但是输入端开路很可能引入干扰信号，所以最好不要断开信号发生器，而是将信号发生器的“输出幅度”旋钮调节至“0”的位置，使Vi=0。对于直接耦合放大电路，由于信号源的内阻直接影响待测放大器的静态工作点，所以在测量静态工作点时必须将信号发生器连接在电路中，而将输出幅度调节至0。在实验中，为了不破坏电路的真实工作状态，在测量电路的电流时，尽量不采用断开测点串入电流表的方式来测量，而是通过测量有关电压，然后换算出电流。在本实验中，只要测出VBQ、VCQ、VCC电压值，便可计算出VBEQ、VCEQ、ICQ、IBQ。计算公式如下（计算前，需知道RB、RC的值）：式中：RB = R1 + RW为减小测量误差，应选用内阻较高的直流电压表。（500型万用表的直流电压档内阻为20KV，数字万用表直流电压档的内阻为10M。） 静态工作点的调节方法：静态工作点的设置是否合适，对放大器的性能有很大的影响。静态工作点对放大器的“最大不失真输出幅值”和电压放大倍数有直接影响。当输入信号较大时，如果静态工作点设置过低，就容易产生截止失真（NPN管的输出波形为顶部失真。见图3.2（a）；如果静态工作点设置较高，就容易出现饱和失真（NPN管的输出波形为底部失真。见图3.2（b）。当静态工作点设置在交流负载线的中点时，如果出现失真，将是一种上下半周同时削峰的失真（见图3.2（c）。这时放大器有最大的不失真输出幅值。图3.2 静态工作点与输出波形的关系因此，当放大器需要处理大信号时，应将静态工作点设置在交流负载线的中点；对于前置放大器，由于处理的信号幅度较小，不容易出现截幅现象，而应着重考虑放大器的噪声、增益、输入阻抗、稳定性等方面，所以一般设置静态工作点在交流负载线中点以下偏低位置。调节静态工作点一般通过改变RB的阻值来进行。若减小RB的阻值 ，可使ICQ增大，VCEQ减小；增大RB则作用相反。调节工作点前，应先用图解法根据交流负载线确定最佳工作点的值（ICQ、VCEQ），然后给待测放大器加电后，用万用表测量VCEQ ，调节RB ，使VCEQ达到设计值。必要时，需要在放大器输入端输入一定幅度的正弦信号，用示波器观察输出波形，并调节RB，使输出信号的失真最小。实验中，为调节静态工作点方便，RB采用了可变电阻RW（当然，如果改变VCC和其它元件的数值也会影响静态工作点，但都不如调节RB方便）。实际应用电路中在Q点调节好后，将RW换为阻值相同的固定电阻。2 放大器动态指标测试：本次实验中要测试的动态指标如下：电压放大倍数AV、输入电阻Ri、输出电阻Ro、最大不失真输出幅值和通频带fbw 。实用放大电路常常还要测试谐波失真系数、噪声系数、灵敏度、最大不失真输出功率、电源效率等参数。这些参数也很重要，但限于实验课时限制，本次实验不进行测试。 电压放大倍数AV的测量：首先调节放大器静态工作点至规定值。用低频信号发生器（XD22型）输出1KHz正弦波信号VS ，用屏蔽线将正弦波信号接至放大器的输入端（线路图中的A点和地之间，注意将屏蔽线的外层屏蔽网接地）。调节信号发生器输出幅度为规定值，用示波器（XJ4241型）观察输出电压VO的波形，注意输出不应产生失真。如果存在失真，应再次检查静态工作点和电路元件的数值，这些方面都正确的话，应减小输入信号的幅值。图 3.3 晶体管单管共射放大电路交流参数测试用电子管毫伏表（GB-9型）测量Vs、Vi、Vo，由下式计算：图中Vi、Vs、Vo以电子管毫伏表测得，用示波器观察输出波形在不失真情况下测量。 输入电阻Ri的测量：根据输入电阻的公式可知：由于输入电流Ii 的直接测量比较困难（直接在输入端串入电流表测量Ii 将对放大器引入较大的干扰信号），所以在测量 Ii 时，采用了间接测量的方法。在电路输入端串入采样电阻RS，用电子管毫伏计测量RS两端的电压Vs和Vi ，由RS上的电压降便可换算出输入电流Ii 。公式如下：根据Vi和Ii便可计算出Ri 。 输出电阻RO的测量：根据输出电阻的公式可知：式中：VO负载电阻RL开路时的输出电压（将图3.1中的C、D开路）VO 带负载输出电压，连接RL后测得。然后按公式计算RO。在上述测量过程中注意保持输入电压Vi的频率和幅值不变。 最大不失真输出幅值的测量：（最大动态范围）放大器的静态工作点确定之后，其“最大不失真输出幅值”就确定了，但由于Q点不一定是在交流负载线的中点，所以不一定是该电路能够达到的最大值。测试“最大不失真输出幅度”的电路接线同AV的测试电路相同。在测量过程中，将输入信号VS的幅值由小逐渐增大，并注意观测VO的波形，当波形刚开始出现失真时，这时的输出电压VO的幅度就是该电路对应当前工作点的“最大不失真输出幅度”。记录该波形和幅值，并注意首先出现的是“截止失真”还是“饱和失真”，可分析出静态工作点是偏低（首先出现截止失真）还是偏高（首先出现饱和失真）。参看图3.2的失真波形。为使电路能达到最大的不失真输出幅度，应该将静态工作点调节到交流负载线的中点。为此，应根据当前工作点情况，将Q点适当调高（Q点偏低时）或调低（Q点偏高时）。同时，逐步增大输入信号的幅度，用示波器监视输出波形，每当波形出现失真时，就根据失真情况微调RW，改变静态工作点，使失真消除。当波形上下半周同时出现削峰现象时，说明静态工作点已调节在交流负载线的中点上，用示波器测量最大不失真输出电压的幅值VOP-P，或用电子管毫伏表测量最大不失真输出电压的有效值VOM有效。两者之间的关系为：VOP-P2VOM有效。图3.4 单管放大器的频率特性曲线 放大器频率特性的测量放大器频率特性反映了放大器对不同频率输入信号的放大能力。放大器的频率特性用频率特性曲线来表示。频率特性曲线直观的反映出电压放大倍数AV 、附加相移与输入信号的频率f之间的关系。单管阻容耦合放大器的频率特性曲线如图3.4所示。Avm为中频（信号频率f0=1KHz）电压放大倍数。当输入信号频率的变化时，电压放大倍数下降3dB（为中频放大倍数的0.707倍）时对应的频率分别称为下限截止频率和（fL）和上限截止频率（fH），并定义通频带fbw为：fbw =f H - fL由于放大器的AV不能直接测得，而是测出Vi和Vo之后根据公式：计算而得，所以一般采用如下方法测量放大器的上、下限截止频率：固定信号发生器的输出Vi的幅值不变，改变其输出频率，这时VO的变化即代表了AV的变化。先将信号发生器的频率设为1KHz，用示波器观察放大电路的输出波形不失真，测量这时示波器显示的输出幅值VOmp或用毫伏表测量放大电路的输出有效值VOm，在保证输出信号不失真的前提下，可微调信号发生器的输出幅度，使放大器的输出电压易于读数（指针指示某一整数值）。然后保持信号发生器的输出幅值不变，逐渐改变信号发生器的输出频率，记录对应该频率点的放大器输出电压VO，当信号频率较低或较高时，VO将下降。这时应减小每次的频率变化增量，仔细寻找使VO=0.707VOm时的频率值f ，该频率值就是fL或fH。为减少测量所用的时间，在中频段，因放大电路的输出电压有较宽的一段基本不变，所以调节频率可适当粗一些，而在放大器输出电压发生变化时，应多测几点，以保证测量的准确性。测试时，必须保证输入信号的幅值不变，只改变频率。所以应使用双踪示波器同时监视Ui和Uo ，当改变输入信号频率时，如果幅值有所改变，应调整信号发生器的输出幅值旋钮使Ui幅值与初始值相同。 干扰和自激振荡的消除：参看附录。三、 实验内容：实验电路如图3.1所示。先画出装配图，然后焊接电路。电路焊接好后，经检查无误，将实验电路与各电子仪器正确连接，再次检查无误后（特别要注意稳压电源的输出电压和极性、万用电表的量程），向下进行通电调试。为防止干扰，信号发生器、示波器、毫伏表的屏蔽线外层屏蔽网和稳压电源的负极应接在公共地线上。（一）焊接电路1 用数字万用表的HFE档或晶体管图示仪JT-1测量实验中使用的晶体管T的电流放大系数，作为分析计算的依据。2 根据原理图在纸上画出电路装配图。在画装配图时，要注意以下几点： 注意晶体管的管脚位置，E、B、C的方向。 画装配图时要考虑元件的实际大小尺寸。 装配图上安排元件位置时最好遵照原理图的信号流向，要注意输入回路应尽量远离输出回路，避免输出信号反馈到输入端，引起放大器不能正常工作。 要有一根公用地线，作为输入、输出的公共端和元件的接地端的接地线。在实际应用电路中，公共地线通常使用较粗的裸铜线。 对于初学者，可根据原理图的元件位置来布置电路板元件位置，便于理解工作原理和调试检查。实际应用电路中，要根据具体条件充分考虑散热、避免电磁干扰、避免有害反馈等因素，元件安排要整齐美观，并尽量缩小电路板面积。3 根据电路装配图，在实验电路板上焊接电路。焊接电路时，要注意以下几点： 使用的电烙铁功率要合适，功率太大容易烫坏元件；功率太小焊接困难，焊点呈渣状，不光滑，很容易形成虚焊。一般焊接晶体管元件使用功率为2535W的电烙铁比较合适，焊接较大的元件可使用大于45W的电烙铁。电烙铁的焊头要清洁，表面预先镀有一层焊锡。如果焊头表面氧化发黑，则很难焊接。因此，如果焊头已经氧化发黑，先不要接电，用砂纸将焊头的氧化层去除，注意把尖端部特别要处理干净，然后加电，当焊头温度升高至能够融化松香时，立即涂上松香，避免焊头氧化，当焊头温度升高至能熔化焊锡时，镀上一层焊锡，这样便能方便地焊接了。本实验室使用的电烙铁是长寿型，烙铁头是用特殊合金制造，因此禁止使用锉刀锉焊头，只能使用砂纸磨光。 将待焊接的元件接脚处理干净，去掉接脚的污物和氧化物，才能可靠焊牢。对于氧化严重的接脚，可用细砂纸打磨出金属光泽并预先镀锡。但对于镀金的元件接脚严禁用砂纸打磨，以免造成更严重的氧化。 在焊接过程中，多使用助焊剂松香，尽量减少焊锡的用量。焊锡只要能将元件接脚和线路板铆钉圆满包住即可，避免过多流溢，与其它接脚形成短路。松香的作用是避免接脚在电烙铁高温下进一步氧化，并能去除接脚表面不太严重的氧化层，还能增加焊锡的流动性，使焊点光滑。 必须严防虚焊。焊接好后，稍用力拉动元件，应没有接脚松动的感觉。 控制电烙铁接触元件的时间，过短容易虚焊，过长又会烫坏元件。一般应在2秒到6秒之间，根据所焊接的元件大小和散热情况决定。 焊接完成检查无误后方可通电实验。（二）参数测试1 测量静态工作点：先将RW调至阻值最大位置，稳压电源输出调至12V，信号发生器的输出幅度调节为0 ，再接通电源。用万用表监视ICQ（参看前面介绍测量ICQ的方法），调节RW，使ICQ=2mA（即VCQ=6V），用数字万用表的直流电压档测量VBQ、VEQ、VCQ，断开电源后，用电阻档测量RB2,记入表3.1中。表3.1 ICQ=2mA测量值理论计算值VBQ(V)VEQ(V)VCQ(V)RB(K)VBEQ(V)VCEQ(V)ICQ（mA）RB（K）00.722 测量电压放大倍数：保持ICQ = 2mA 不变在放大器输入端加入频率为1000HZ的正弦信号VS，调节低频信号发生器的输出幅度，使Vi=5mV，同时用示波器观察放大器输出电压VO的波形，在保持波形不失真的条件下，用交流毫伏表测量下述两种情况下的VO值，并用双踪示波器同时观察VO和Vi的相位关系，并计算出AV ，把结果记入表3.2。表3.2 ICQ=2mA Vi= 5 mVRC(K)RL(K)VO(V)AV333记录Vi和Vo的波形。3 观察静态工作点对电压放大倍数的影响置RC=3K，RL=，Vi适当（10mV），调节RW，用示波器监视输出电压波形，在VO不失真的条件下，通过调节Rb改变ICQ的值，测量ICQ为1mA和3mA时VO的值，记入表3.3 ，并计算出AV ，与2mA的AV值比较。表3.3 RC=3K RL=ICQ（mA）123Vi（mV）Vo(V)AV测量ICQ时，注意将低频信号发生器的输出幅度调到0 。4 观察静态工作点对输出波形失真的影响置RC=3K，RL=3K，Vi=0，调节RW使ICQ=3mA，测出VCEQ值，记入表3.4中。再逐步加大输入信号Vi ，使输出幅值最大但不失真，然后保持输入信号幅值不变，分别增大和减小RW，使波形出现失真，画出VO的波形，并测出失真情况下的ICQ和VCEQ值，把结果记入表3.4中。每次测ICQ和VCEQ时，注意应使输入信号为0。表3.4 RC=3K RL= Vi= mVICQ(mA)VCEQ(V)VO波形失真类型Q点位置截止失真3不失真饱和失真*5测量最大不失真输出电压置RC=3K，RL=3K，按照前面“放大器动态参数测试”中介绍的“最大不失真输出幅值的测量”中粗体字所述的方法，同时调节输入信号的幅度和可变电阻RW，寻找能输出最大不失真幅值的Q点。用示波器和交流毫伏表测量VOm，记入表3.5。表3.5 RC=3K RL=3KICQ(mA)Vim(mV)Vom(V)Vop-p6测量输入电阻和输出电阻置RC=3K，RL=3K，ICQ=2mA。输入1KHZ正弦信号，在输出电压VO不失真的情况下，用交流毫伏表测出Vs，Vi，和VO，记入表3-6；然后，保持Vi不变，断开RL，测得VO，记入表3-6中，并计算得到Ri 、Ro的计算值。表中的理论值是指根据电路图计算得到的值。计算时，rbb可取100。表3-6 RC=3K RL=3K ICQ=2mAVS(mV)Vi(mA)Ri (K)Vo(V)Vo(V)Ro(K)测量计算值理论值测量计算值理论值*7测量幅频特性曲线置RC=3K，RL=3K，ICQ=2mA，保持输入信号的幅值不变（Vs或Vi约10mV），改变信号频率f ，逐点测出相应的输出电压记入表3-7 。表3-7 Vi= mVfL= fm= fH=f(KHZ)Vo(V)具体操作可参看前面所述的有关内容。四、 实验设备与器件：1 晶体管直流稳压电源（型号DH1718）：调节输出电压为12V；图3-5 晶体管管脚图2 低频信号发生器（型号XD22）；3 双踪示波器（型号XJ4241）；4 交流毫伏表（型号 GB-9）；5 万用电表（型号500）；6 数字万用表（型号D803或D809）；7 电烙铁、焊锡、松香8 晶体三极管（型号9011、9013或3DG6）；9 电位器（可变电阻）2M；10 电阻、电解电容器。五、 实验报告1 列表整理测量结果，并把所测得的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的值与理论计算值相比较（每项结果取一组进行比较），分析产生误差的原因。2 总结RC、RL及静态工作点对放大器电压放大倍数及输入、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，比较最大不失真输出电压范围的理论计算值与实测值，分析产生误差的原因。4 分析、讨论在调试过程中出现的问题。六、 预习要求：1 阅读教材中有关单管放大电路的内容，根据理论课内容估算实验电路的性能指标。假设：三极管采用NPN型硅管，100，VBEQ0.6V，rbb=100R1=3K，RW=800K，RC=3K，RL=3K。估算放大器的静态工作点，电压放大倍数，输入电阻和输出电阻。2 当要求ICQ=2mA时，计算Rb应为多少？ 3 怎样测量RB的阻值？4 当调节RB，使放大