进阶4：单管共射放大器

单管共射放大器

目标

学习双极型晶体管电路的搭建。
掌握静态工作点调整和测试方法。
理解放大器静态工作点的意义和电路主要元件对静态工作点的影响。
掌握交流放大倍数的测量方法，研究电路参数对放大倍数的影响。
掌握单管共射放大器频响特性和输入、输出电阻的测量方法。

仪器仪表

仪器	元器件	工具
数字万用表
梅林雀	1kΩ电阻(1/4W)×1	面包板
ADALM2000	3.6kΩ电阻(1/4W)×1	导线
	10kΩ电阻(1/4W)×3
	39kΩ电阻(1/4 W)×2
	1μF电容×1
	10μF电容×1
	100μF电容×1
	8050晶体管×1

仿真工具

Circuit JS

理论

欲使单管共射放大器不失真地放大输入信号，首先需要设置合适的静态工作点，才能避免失真现象，其次是放大器的动态指标测量，这就是“先静态后动态”，大体概括为：

静态工作点的调试与测量；
电压放大倍数的测量；
频响特性的测量；
非线性失真的测量；
输入、输出电阻的测量；
噪声的测量。

如图1所示，是本实验采用的具有稳定静态工作点的偏置电路的单管共射放大电路。

图1: 单电源供电的反相放大器

电路的静态工作点可用以下公式估算：

在 $I_{R1} >> I_B$ 的条件下，有

\begin{cases} V_{BQ}=\frac{R_{b2}}{R_{b1}+R_{b2}}V_{CC}\\ I_{EQ}=\frac{V_{EQ}}{Re}=\frac{V_{BQ}-V_{BEQ}}{Re}\approx I_{CQ}(其中V_{BEQ}是已知的)\\ I_{BQ}=\frac{I_{EQ}}{1+\beta}\\ V_{CEQ}=V_{CC}-I_{CQ}Re-I_{EQ}Re\approx V_{CC}-I_{CQ}(R_c+Re) \end{cases}

电路的动态参数可用以下公式估算：

电压增益:

{\dot{A}_v}=\frac{\dot{V}_o}{\dot{V}_i}=-\frac{\beta R_L'}{r_{be}}

输入电阻:

R_i = R_{b1} // R_{b2} // r_{be}

一般情况下，有 $R_{b1} // R_{b2} >> r_{be}$ ，则

R_i \approx r_{be}

输出电阻:

R_o = R_c // r_{ce}

考虑到 $r_{ce} >> R_{c}$ ，则有

R_o \approx R_c

通频带:

BW = f_H - f_L

Circuit JS仿真

参考图：

图2：仿真电路

实验

1.按照图1，在面包板上插接单管共射放大器（ ${R_{b1}}$ = 39kΩ+10kΩ微调， ${R_{b2}}$ = 10kΩ， ${R_c}$ = 3.6kΩ， ${R_e}$ = 1kΩ， ${R_L}$ = 10kΩ， ${C_1}$ = 1μF， ${C_2}$ = 10μF， ${C_3}$ = 100μF，T为8050），并进行简单检测。

图3：实验电路

2.静态工作点测量

在无信号输入的情况下，按照表1的要求，调节上偏置电阻，测量相关参数并记录。

表1：静态工作点的测量（先将微调调整为最大）

参数	${V_{CC}}$ （V）	${I_{EQ}}$ （mA）	${V_{BQ}}$ （V）	${V_{CQ}}$ （V）	${V_{EQ}}$ （V）	${V_{BEQ}}$ （V）
数字万用表	12	1	2	7.3	1.4	0.6

3.输出电阻的测量

先使放大器工作在中频段，然后进行输出电阻的测试。从放大器的输出端看入，可以把放大器等效成一个电压源与输出电阻串联，通过测量放大器接入负载前后输出电压的变化量，即可求得输出电阻。

按照图4连线，由ADALM2000输出一个适当的中频信号作为放大器的输入信号，在输出波形不失真的情况下，用scopy测量这时放大器的输出电压，即开路电压 ${V_O}$ 。保持放大器输入信号不变，在放大器输出端接入负载，在输出波形不失真的情况下，测量这时的输出电压 ${V_L}$ 。则 ${R_o}$ = ( ${V_O}$ / ${V_L}$ -1) ${R_L}$ 。

为了减小测量误差，可用三种不同值RL进行测量，求得输出电阻的平均值。

图4：输出电阻的测量 alt text

图5：实物电路

4.输入电阻的测量

按照图6连线，在信号源与放大电路输入端之间串入一个已知电阻R，在保证示波器的波形不失真的条件下，用示波器分别测出R两端的电压 ${V_1}$ 和 ${V_2}$ 的值，然后即可求得 ${R_i}$ ，即

$\mathrm{R_i} = \frac{V_2}{V_1 - V_2}R$

图6：输入电阻的测量

5.记录

调整微调电阻，观察电路电压增益的变化，并记录结果。

练习

对图1电路进行幅频特性的测量按照图7，连接测量仪器与放大器。在放大器的输入端加入一个频率为1kHz，有效值为20mV的正弦电压信号，使放大器的输出波形不失真（用示波器观察）。然后用示波器分别测量放大器的输入电压 ${v_i}$ 和输出电压 ${v_o}$ ，求出1kHz中频时的放大倍数 ${A_0}$ 。

图7：幅频特性测量连线图

根据归一化公式：

\frac{A(f)}{A_0(1kHz)} = \frac{V_0(f)/V_i(f)}{V_0(1kHz)/V_i(1kHz)} = \frac{V_0(f)}{V_0(1kHz)} = V_0(f)

得到表2，用逐点法测出放大器的幅频特性，把实验数据记录在表2中。测量时输入信号幅度应保持不变。

注意：由于要求幅频特性曲线的纵坐标用放大倍数A(f)/ ${A_0}$ (1KHz)的相对变化量来表示，横坐标用频率的对数值lgf来标度，可选用半对数坐标纸绘画频响曲线。

表2：放大器的幅频特性测量

1	测量条件	f(Hz)					1k
1	C $_{e}$ =220μF C $_{i}$ =2200pF V $_{I}$ =____mV	Vo(V)	0.6	0.7	0.8	0.9	1	0.9	0.8	0.7	0.6
1	C $_{e}$ =220μF C $_{i}$ =2200pF V $_{I}$ =____mV	A(f)/A₀(归一化)	0.6	0.7	0.8	0.9	1	0.9	0.8	0.7	0.6
2	测量条件	f(Hz)					1k
3	C $_{e}$ =47μF C $_{i}$ =0.01μF V $_{I}$ =____mV	Vo(V)	0.6	0.7	0.8	0.9	1	0.9	0.8	0.7	0.6
3	C $_{e}$ =47μF C $_{i}$ =0.01μF V $_{I}$ =____mV	A(f)/A₀(归一化)	0.6	0.7	0.8	0.9	1	0.9	0.8	0.7	0.6

Circuit JS仿真参考图：

图8：仿真参考图

单管共射放大器​

单管共射放大器