单级放大电路实验

1、学习单级放大电路主要性能指标的测试方法，了解静态工作学习单级放大电路主要性能指标的测试方法，了解静态工作点对动态性能的影响，分析放大电路的动态性能。点对动态性能的影响，分析放大电路的动态性能。2掌握晶体管输出特性、放大电路静态工作点和动态参数的仿真掌握晶体管输出特性、放大电路静态工作点和动态参数的仿真测试方法。测试方法。4掌握单级放大器静态工作点的设置与测试方法掌握单级放大器静态工作点的设置与测试方法。3 1掌握晶体管输出特性曲线的测试方法。掌握晶体管输出特性曲线的测试方法。 3 3培养学生电子实验技能及测试技术的能力。培养学生电子实验技能及测试技术的能力。3 5实验目的实验目的+UCCUiU

2、SUL实验实验电路图 RC13K+12VC2C1Ce1ABRb12Rb11RLT1RS470KRW120K1K10K511K2.4K101047图1 共射极单管放大器实验电路共射极单管放大器实验电路Re11Re12I Ib11b11教育本来就是心灵的旅行和人格的涵养教育本来就是心灵的旅行和人格的涵养单级放大电路的分析单级放大电路的分析 晶体管晶体管是放大电路的主要器件晶体管的 输入特性和输出特性都是非线性的，对放大电路定量分析时，主要矛盾是如何处理晶体管的非线性问题。常用方法有两种：图解法；微变等效电路法图解法 在承认晶体管为非线性的前提下，在管子的特性曲线上用作图的方法求解。微变等效电路法实

3、质是在静态工作点附近一个比较小的变化范围内，近似地认为晶体管的特性是线性的，由此导出晶体管的等效电路及一系列的微变等效参数，从而将非线性问题转化成为线性问题，这样就可以利用电路原理中学过的有关线性电路的各种规律来解决晶体管电路。 BECNPN型型三极管三极管BECPNP型型三极管三极管三三极管符号极管符号NPNCBEPNPCBE晶体三极管晶体三极管三极管的作用三极管的作用放大、开关、调节、隔离放大、开关、调节、隔离 晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源iC 。状态状态u uBEBEi iC Cu uCECE

4、截止U UononI ICEOCEOV VCCCC放大 U UononiiB B u uBEBE饱和 U UononiiB B u uBEBE晶体管的三个工作区域晶体管的三个工作区域晶体管特性的图形表示（极限参数极限参数） vCE iC 0 ICM V(BR)CEO 安全区 PCM -最大允许集电极电流最大允许集电极电流 CMICMP-最大允许集电极耗散功率最大允许集电极耗散功率 CEOBRV-集电极反向击穿电压集电极反向击穿电压CMCCMCCEOBRCEPPIiVv且且晶体管安全工作区域晶体管主要参数直流参数直流参数： 、 、ICBO、 ICEOc-e间击穿电压最大集电极电流最大集电极耗散功

5、率PCMiCuCE安全工作区安全工作区交流参数交流参数：、fT（使1的信号频率） 极限参数极限参数：ICM、PCM、U（BR）CEOECII1ECii(1) 集电极基极间反向饱和电流集电极基极间反向饱和电流 ICBO O （发射极）开路（发射极）开路 + b c e - uA Ie=0 VCC ICBO (2) (2) 集电极发射极间的集电极发射极间的反向饱和电流反向饱和电流 ICEOCBOCEO)1(II + b c e - VCC ICEO uA 晶体管主要参数晶体管主要参数极间反向电流极间反向电流晶体三极管微变等效电路晶体三极管微变等效电路输入特性曲线输入特性曲线UBEIB0IBUBEQ

6、输入特性曲线在输入特性曲线在Q点附近的微附近的微小范围内可以认为是线性的。小范围内可以认为是线性的。当当uBE有一微小变化有一微小变化UBE时，时，基极电流变化基极电流变化IB，两者的比两者的比值称为三极管的动态输入电阻，值称为三极管的动态输入电阻，用用rbe表示。即：表示。即：bbeBBEbeiuIUr晶体三极管微变等效电路晶体三极管微变等效电路输出特性曲线输出特性曲线输出特性曲线在放大区域内可输出特性曲线在放大区域内可认为呈水平线，集电极电流的认为呈水平线，集电极电流的微小变化微小变化IC仅与基极电流的仅与基极电流的微小变化微小变化IB有关，而与电压有关，而与电压uCE无关，故集电极和发射

7、极无关，故集电极和发射极之间可等效为一个受之间可等效为一个受ib控制的控制的电流源，即：电流源，即：0UCEICIBICQbcii晶体三极管微变等效电路晶体三极管微变等效电路+ube+uceicibCBErbe+uceicibCBE+ubeib (a) 三极管 (b) 三极管的微变等效电路集电极和发射极之间可等效为一个受集电极和发射极之间可等效为一个受ib控制的电流源控制的电流源晶体管特性的图形表示（极限参数极限参数） vCE iC 0 ICM V(BR)CEO 安全区 PCM -最大允许集电极电流 CMICMP-最大允许集电极耗散功率 CEOBRV-集电极反向击穿电压CMCCMCCEOBRC

8、EPPIiVv且且晶体管安全工作区域单级放大电路具体分析内容单级放大电路具体分析内容1.分析电路的组成、结构和特点分析电路的组成、结构和特点。 2.静态分析静态分析：建立静态工作点，建立静态工作点，求取静态工作电求取静态工作电路的参数。路的参数。 3.动态分析动态分析：加入信号后，分析信号的流向，经加入信号后，分析信号的流向，经过哪些环节或元件，产生了什么作用等。过哪些环节或元件，产生了什么作用等。 4.元器件的功能分析元器件的功能分析：分析元器件的型号、参分析元器件的型号、参数及其在电路中的作用。数及其在电路中的作用。 电路组成（图1）1.晶体管T1：放大元件，用基极电流iB控制集电极电流i

9、C。 .电源UCC和UBB ：使晶体管发射结正偏，集电结反偏，晶体管处在放大状态，同时也是放大电路的能量来源，提供电流iB和iC。UCC一般在几伏到十几伏之间。 3.偏置电阻RB ：用来调节基极偏置电流IB，使晶体管有一个合适的工作点，一般为几十千欧到几百千欧。 4.集电极负载电阻RC ：将集电极电流iC的变化转换为电压的变化，以获得电压放大，一般为几千欧到几十千欧。 5.电容Cl、C2：用来传递交流信号，起到耦合的作用。同时，又使放大电路和信号源及负载间直流相隔离，起隔直作用。为了减小传递信号的电压损失，Cl、C2应选得足够大，一般为几微法至几十微法，通常采用电解电容器。 静态分析静态分析图

10、图1 1，U Ui i=0=0工作工作状态为静态状态为静态Ucc作用下作用下, ,晶体管各极间电压和电流均为晶体管各极间电压和电流均为直流分量，其值为静态值。直流分量，其值为静态值。求出求出I IB、 I IC、U UCE，看放大电路是否工作在看放大电路是否工作在放大区，是否取得合适的静态工作。放大区，是否取得合适的静态工作。静态分析任务静态分析任务由于C1、C2的隔直作用，由此可得直流通路。晶体管发射结正向导通时，其正向压降UBE变化范围不大，一般可认为总等于它的导通电压，即硅管的即硅管的UBEQ取取0.7V、锗管取、锗管取0.3V，I IC =I IB 。输入回路可见：输入回路可见：I I

11、B= =（ UCC - - UBE ）/ /R RB输出回路：输出回路： UCE = =UCC I IC CR RC 指无交流信号输入时，电路中电流、电压都不变的状态，静态时指无交流信号输入时，电路中电流、电压都不变的状态，静态时三极管各极电流和电压值称为静态工作点三极管各极电流和电压值称为静态工作点Q（主要指主要指IBQ、ICQ和和UCEQ）。）。静态分析主要是确定放大电路中的静态值静态分析主要是确定放大电路中的静态值IBQ、ICQ和和UCEQ。RC+UCCVRB+UCEQ+UBEQ ICQIBQBBEQCCBQRUUIBQCQIICCQCCCEQRIUU耦合电容可视为开路静态工作点的影响因

12、素静态工作点的影响因素I ICQI IEQ = =U UE / /R RE= = UB - - UBEQUB B / /R RE = =UCCCCRb12/ /(R RW1 + +R Rb11 + +R Rb12） R RE) )UCE Q= =UCC I ICQCQ(R RC1+ +R Re e11 + +R Re e12 )I IBQBQ= =I ICQCQ/ / 如满足上式，则静态工作点可由右式近似估算得到静态工作点与静态工作点与UCCCC、R RC1、R Re e11、R Re e12 、R RW1 、R Rb11 和和 R Rb12 的取值有关，电路确定后，静态工作点是通过的取值有关

13、，电路确定后，静态工作点是通过R RW1 （定位器）（定位器）来实现的。来实现的。典型的静态工作点稳定的阻容耦合放大器如图1（分压式偏置电路），一般只要满足右式，则静态工作点就有足够的温度稳定性。 BQb1110)(5 IIBEQBQ10)(5 UU可见硅管静态工作点的选择与计算静态工作点的选择与计算1静态工作点Q主要：由Rb1、Rb2、Re、RC及UCC所决定。.2静态工作点Q的调整通常靠改变Rb1来实现。 为了得到最大的动态工作范围，Q点设置在交流负载线的中点。3 Rb1 UCE Q点过点过低低，易易截止失真。截止失真。 Rb1 UCE Q点过点过高高，易易饱和失真。饱和失真。静态工作点的

14、选择（参考）)(20)(10 )(10)(5 BQb11 BQb11锗管硅管IIII要使Q点稳定，必须U UB BU UBEBE, , 一般取： )(3)V(1 )(5)V(3 BQBQ锗管硅管UU要使Q点稳定，必须I Ib11b11I IB B，一般取：BEQBQ10)(5 UU硅管U UBEQBEQ取0.7V V，锗管取0.3V V 利用利用R RW1 、R Rb11 和和R Rb12的分压作用固定基极的分压作用固定基极 电位电位UB 如果如果I Ib11b11I IB B，当当T T I IC C（I IE E) ) U UE E U UBEBE I IB B I IC C，牵制了牵制了

15、I IC C的的增加，增加，获得了获得了稳定的稳定的静态工作点静态工作点。 温度升高温度升高UBE减小减小ICBO增大增大增大增大IC增大增大放大器的动态范围放大器的动态范围 静态工作点设置在交流负载线的中点，输出电压的变化均不至于发生截止和饱和失真，这个电压的变化范围称为放大器的动态范围。这个最大的不失真输出电压常用输出电压的峰-峰值（U UOP-POP-P）来表示。静态工作点设置对输出波形的影响 工作点工作点Q Q设置设置过低过低，将会出现，将会出现截止失真截止失真。 工作点工作点Q Q设置设置过高过高，将会出现，将会出现饱和失真饱和失真。单级放大电路动态分析输入端输入端 加入加入 输入信

16、号输入信号求出放大电路的放大倍数、求出放大电路的放大倍数、放大电路的输入放大电路的输入电路和输出电阻。电路和输出电阻。动态分析动态分析 任务任务加入输入信号后，电路中的各电压和电流都会在原来静态值加入输入信号后，电路中的各电压和电流都会在原来静态值的基础上叠加一个交流量。的基础上叠加一个交流量。需要知道信号被放大了多少倍；需要知道信号被放大了多少倍； 3 1电路对前面的信号源产生何影响；电路对前面的信号源产生何影响； 3 2对后面的负载有何要求。对后面的负载有何要求。 3 3上述量的分析称为放大电路的动态分析放大电路动态分析（放大电路动态分析（）交流通路RsRBus+uiRL+uoVRCibi

17、c（ui单独作用下的电路）。由于电容单独作用下的电路）。由于电容C1、C2足够大，容抗足够大，容抗近似为零（相当于短路），直流电源近似为零（相当于短路），直流电源UCC去掉（短接）去掉（短接） 。用用估算法估算法进行进行动态分析动态分析前提：前提：输入信号比较小，放输入信号比较小，放大电路一定工作在放大区。大电路一定工作在放大区。画出放大电路的交流通路原原则则 C1 、C2对交流分量视为短路；对交流分量视为短路； 直流电源直流电源UCC的内阻很小，对交流视为短路；的内阻很小，对交流视为短路； 对交流信号而言，从输入端看，晶体管的发射结可对交流信号而言，从输入端看，晶体管的发射结可等效为一个电阻

18、等效为一个电阻rbe(晶体管的输入电阻晶体管的输入电阻)； 放大电路对负载而言是一个信号源，其电源电动势为放大电放大电路对负载而言是一个信号源，其电源电动势为放大电路的开路端电压，其内阻就是放大电路的输出电阻路的开路端电压，其内阻就是放大电路的输出电阻ro,即从放大电即从放大电路的输出端看进去（不包括负载电阻路的输出端看进去（不包括负载电阻RL）的等效电阻。）的等效电阻。1234晶体管的输入电阻晶体管的输入电阻或或晶体管输入电阻晶体管输入电阻rbe的值的值在选定了合适的静态值后，可以用以在选定了合适的静态值后，可以用以下经验公式估算，即下经验公式估算，即)mA(mV)(26)1 (300EQb

19、eIr)mA(mV)(26300BQbeIrrbe与与I IB B 、I IE E 及及有关。有关。 rbe是动态电阻，对变化的信号是动态电阻，对变化的信号表现的电阻（又称交流电阻），不能用它计算直流值。表现的电阻（又称交流电阻），不能用它计算直流值。一般一般rbe在几百欧到几千欧，一般认为是较低的，并不在几百欧到几千欧，一般认为是较低的，并不理想。常用的小功率晶体管，当理想。常用的小功率晶体管，当I IE为为1 12mA2mA时，时， rbe为为1K1K左右。左右。放大电路输入电阻的测量放大电路输入电阻的测量beb2b1bei/rRRrR 放 大 器 信 号 源 Rs Ri Us Ui Rs

20、UUUIURiisiii用“串联电阻法”测量输入电阻R Ri i由于由于Rb比比rbe大得多大得多，Ri近似等于近似等于rbe。输入电阻影响放大电路的接受信号的能力。若输入电阻较大，一方面将从信号源索取较小的电流，减轻信号源负担；另一方面，可降低信号源内阻Rs的影响，使放大电路获得较高的输入电压。通常希望有较大的输入电阻CCoo/RRrR 信 号 源 放 大 器 Ro S RL Uo UoL LoLoo) 1(RVVRRo的大小反映放大器带负载的能力，的大小反映放大器带负载的能力，Ro愈小，带负载时的愈小，带负载时的电压降越小，输出的电压高，电压降越小，输出的电压高，带负载的能力愈强带负载的能

21、力愈强。放大电路的输出电阻放大电路的输出电阻通常希望有较小的输出电阻，以得到稳定的输出电压。通常Ro在几千欧到几十千欧，一般认为是较大的，也不理想。CoRIURbeLbbebLbbecLorRIrIRIrIRUUAiu式中式中RL=RC/RL。当当RL=（开路）时开路）时beCrRAurb e+oUcIbICBE+iUbIRCRLRBRs +sU 放大电路的放大倍数放大电路的放大倍数微变等效电路电压放大倍数图解步骤求静态工作点Q，并确定UCEQ、ICQ的值。ICQ和UCEQ既要满足IB=40A的输出特性曲线，又要满足直流负载线，因而晶体管必然工作在它们的交点Q，该点就是静态工作点。由静态工作点

22、Q便可在坐标上查得静态值ICQ和UCEQ。4.作直流负载线。根据集电极电流IC与集、射间电压UCE的关系式UCE=UCCICRC可画出一条直线，该直线在纵轴上的截距为UCC/RC，在横轴上的截距为UCC，其斜率为-1/ RC ，只与集电极负载电阻RC有关，称为直流负载线。3.根据IBQ在输出特性曲线中找到对应的曲线。2.用估算法求出基极电流IBQ（如40A）。1.IB=00UCE/V20A40A60A80AIC/mAQICQUCEQUCCRCUCCIB=40A的输出的输出特性曲线特性曲线由由UCE=UCCICRC所决定的直流负载线所决定的直流负载线两者的交点两者的交点Q就是静态工作点就是静态工

23、作点过过Q点作水平线，在纵轴上点作水平线，在纵轴上的截距即为的截距即为ICQ过过Q点作垂线，在横轴上点作垂线，在横轴上的截距即为的截距即为UCEQ静态分析图解法 图示图解步骤作交流负载线。作交流负载线。3.根据根据ui在输入特性上求在输入特性上求uBE和和iB。2.根据静态分析方法，求出静态工作点根据静态分析方法，求出静态工作点Q。1.由输出特性曲线和交流负载线求由输出特性曲线和交流负载线求iC和和uCE。4. 0 (a) 输入回路 (b) 输出回路 uCE iC Q ICQ UCC uBE iB 0 uBE t iB t 0 iC t 0 t Q Q Q Q Q IBQ UBEQ uCE U

24、CEQ 直流负载线直流负载线 交流负载线交流负载线 0 0 负载电阻负载电阻RL越小，交流负载电阻越小，交流负载电阻RL也越小，交流负载线就也越小，交流负载线就越陡，使越陡，使Uom减小，电压放大倍数下降。减小，电压放大倍数下降。由于由于C2隔直作用，隔直作用，uCE中直流分量中直流分量UCEQ被隔开，放大器输被隔开，放大器输出电压出电压uo等于等于uCE中的交流分量中的交流分量uce，且与输入电压且与输入电压ui反相。反相。放大电路的非线性失真（放大电路的非线性失真（饱和失真饱和失真） (a) 饱和失真 0 uCE iC Q ICQ iC t 0 t Q Q uCE UCEQ 0 若若Q点偏

25、高，当点偏高，当i ib b按正弦规律变化时，按正弦规律变化时，Q进入饱和区，造进入饱和区，造成成ic和和uce的波形与的波形与ib（或或ui）的波形不一致，输出电压的波形不一致，输出电压uo（即即uce）的负半周出现平顶畸变，称为饱和失真的负半周出现平顶畸变，称为饱和失真放大电路的非线性失真（放大电路的非线性失真（截止失真截止失真） (b) 截止失真截止失真 0 uCE iC Q ICQ iC t 0 t Q Q UCEQ 0 uCE 若若Q点偏低，则点偏低，则Q进入截止区，输出电压进入截止区，输出电压uo的正半周出现的正半周出现平顶畸变，称为截止失真。平顶畸变，称为截止失真。（1）静态分析

26、静态分析)(CQBQEBEQBEQCCB2B1B2BECCQCCCEQCQRRIUUIIRUUIIURRRU（2）动态分析动态分析CbeBBiuRRrRRRrRAo21beL/参数表达式（参数表达式（动态分析、静态分析）实验箱实验箱电源电源LA4100LA4100放大电路放大电路90139013放放大电路大电路74LS74LS集成电路555555应用应用受控源电路元件区元件区直流直流电路电路三极管三极管实验任务实验任务TTLMF47示波器示波器注意事项注意事项ZVA-1电阻箱电阻箱报告要求报告要求实验数据实验数据实验目的实验目的数码显示逻辑开关逻辑电平电流表电流表mAmA元件区元件区实验接线图

27、实验接线图+1+12V2V WW 接 线GND2 GND GND2 GND MM N NU U V VK K L LA A B B实验内容实验内容+1+12V2V WW 接 线GND2 GND GND2 GND MM N NU U V VK K L LA A B B测量三极管的测量三极管的值值 调节调节RW1RW1，测，测U UCECE=6=6V V时，测时，测I Ib1b1、I Ic1c1并联万用表并联万用表直流直流10V10V量程量程U UCECE=6=6V V再次再次调节调节RW1RW1，测，测U UCECE=6=6V V时，测时，测I Ib1b1、I Ic1c1，则可以算出，则可以算出

28、值值静态工作点测量静态工作点测量 调节调节RW1RW1，测，测U UCE1CE1=6=6V V时，时，用用示波器观察输出信号波形，在输出信号不失示波器观察输出信号波形，在输出信号不失真的条件下，用万用表分别测量真的条件下，用万用表分别测量UB EQ、 UC EQ 、 IB Q 、 I EQ 、 IC Q并联万用表并联万用表直流直流10V10V量程量程U UCE1CE1=6=6V V 函数发生器产生函数发生器产生1KHz1KHz、5mV5mV的正弦波信号，接入输入端，即的正弦波信号，接入输入端，即U Ui i = =5mV,5mV, 关闭电源，断开关闭电源，断开MN,MN,测量测量R RB1B1, ,计算出