朱建華,潘 婧,賈 哲,胡 軼,方向明,支鵬偉

(太原學(xué)院 材料與化學(xué)工程系,山西 太原 030032)

0 引言

單管放大器電路[1]是學(xué)習(xí)放大電路的基礎(chǔ),也是最核心的部分。

單管放大器電路有直流和交流兩種工作狀態(tài)。在直流工作狀態(tài)下,電路中只有直流電壓源供電,要在直流情況下分析電路,需先測(cè)試晶體管質(zhì)量的好壞,在這個(gè)步驟中,研究相關(guān)的電壓值,即可判斷電路板的好壞。接下來(lái)最重要的是進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置[2],而靜態(tài)工作點(diǎn)的選擇是一個(gè)比較抽象的概念,需先從理論上去分析靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定性以及所處的合適的位置,然后才能進(jìn)行調(diào)節(jié)。在交流工作狀態(tài)下,使用示波器和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器,對(duì)電路的輸出端進(jìn)行空載和負(fù)載實(shí)驗(yàn),通過(guò)輸出波形的觀(guān)察,理解合適的靜態(tài)工作點(diǎn)有著線(xiàn)性放大作用和成倍數(shù)線(xiàn)性放大的作用,當(dāng)負(fù)載接入后,負(fù)載增大或減小,輸出電壓就會(huì)等倍數(shù)的增大或減小,實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明了合適的靜態(tài)工作點(diǎn)可以得到理想的線(xiàn)性放大輸出波形,實(shí)驗(yàn)達(dá)到了預(yù)期的效果。

1 單管放大器電路解析

單管放大器電路和負(fù)反饋的兩級(jí)阻容耦合放大器電路使用的是同一電路板,電路板如圖1所示。在使用單管放大器電路時(shí),由于反饋電阻Rf(圖示Rf為8.2 kΩ)將輸出電壓UO反饋到T1晶體管的射極,起到電壓負(fù)反饋的作用,需要將電路板中的反饋電阻Rf斷開(kāi),所以可以將撥動(dòng)開(kāi)關(guān)撥到“斷”;T1晶體管和T2晶體管之間的連接方式也可以稱(chēng)為耦合方式[3],圖1所示為阻容耦合方式,耦合電容C2(圖示C2為10 μF)可以把T1晶體管的輸出端的交流信號(hào)傳送給T2晶體管的輸入端,所以要斷開(kāi)電容C2,虛線(xiàn)的地方不用導(dǎo)線(xiàn)連接,同時(shí)負(fù)載電阻RL也不會(huì)作為第二級(jí)的輸入電阻。撥動(dòng)開(kāi)關(guān)采用單刀雙擲開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)化后的單刀單擲來(lái)使用,即只有“通”和“斷”兩個(gè)狀態(tài)。

圖1 單管放大器電路板Fig.1 Circuit board of single transistor amplifier

此時(shí)的電路就通過(guò)T1晶體管構(gòu)成了單管放大器電路,調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器RW1阻值的大小,進(jìn)而調(diào)節(jié)T1晶體管的基極電位;滑動(dòng)變阻器RW1連接著撥動(dòng)開(kāi)關(guān),需要將撥動(dòng)開(kāi)關(guān)撥到“通”,可以將電源電壓的正極連接到T1晶體管的基極,從而保證了發(fā)射結(jié)處于正向偏置;T1晶體管的集電極電阻RC1通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)連接到電源電壓的正極,就保證了集電極處于高電位,這樣單管放大器就滿(mǎn)足外部條件發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏,保證T1晶體管處于放大狀態(tài)。單管放大器電路中,由發(fā)射結(jié)連接基極電阻和射極電阻,加上電源構(gòu)成了輸入回路,集電結(jié)連接集電極電阻和射極電阻,加上電源構(gòu)成了輸出回路[3]。

2 單管放大器的靜態(tài)解析

2.1 直流通路圖解析

單管放大器直流通路是指電路中只接入直流電源+UCC時(shí)電路所處的狀態(tài)。為了能夠更好地放大交流信號(hào),我們希望將T1晶體管在接入直流電源后能處于放大工作區(qū),所以必須先研究其直流通路[4]。直流通路如圖2所示。

圖2 直流通路圖Fig.2 Direct current path diagram

首先要確定T1晶體管是否可以正常使用。由于T1晶體管是按照要求焊接在電路板上的,型號(hào)已確定,為NPN型的硅管3DJ6,并給出了基極、發(fā)射極和集電極,所以不需要用萬(wàn)用表去判斷型號(hào)和各個(gè)極,但需要判別晶體管質(zhì)量的好壞。一般根據(jù)發(fā)射結(jié)和集電結(jié)之間阻值的關(guān)系來(lái)判別,這種方法適合于單獨(dú)晶體管。當(dāng)晶體管接入電路中以后該方法就有了局限性,所以根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)情況提出了一種排除判別法,將+12 V的直流電源接入電路后,只需要排除0 V和12 V兩個(gè)值,就可以排除T1晶體管是燒毀斷路還是擊穿短路,從而確定其是否可以正常使用。當(dāng)VC為12 V時(shí),說(shuō)明集電極沒(méi)有電流,基極也沒(méi)有電流,晶體管的發(fā)射結(jié)發(fā)生了燒毀,產(chǎn)生了斷路,晶體管不能放大交流信號(hào);當(dāng)UCE為0 V時(shí),晶體管的集電極電位和發(fā)射極電位相同,說(shuō)明它們的公共端基極已經(jīng)被反向電流擊穿, 產(chǎn)生了短路,導(dǎo)致這三個(gè)極已成為電路中的一個(gè)點(diǎn),沒(méi)有能力放大交流信號(hào)[5]。

T1晶體管基極采用分壓式偏置電路,此時(shí)基極電位VB由基極電阻RB1和RB2、滑動(dòng)變阻器RW1及直流電源電壓UCC來(lái)決定,其中RW1的阻值可變,當(dāng)滿(mǎn)足了偏置電流遠(yuǎn)大于晶體管的基極電流IB的條件時(shí),基極電位VB可由式(1)得出:

(1)

當(dāng)基極電位VB?UBE時(shí),一般硅晶體管的發(fā)射結(jié)電壓為0.6 V左右,基極電位大于3 V時(shí),就可得到如式(2)所示的集電極電流:

(2)

在輸入回路中,采用分壓式偏置電路就能將基極電位VB固定,當(dāng)溫度降低(升高)時(shí),集電極電流IC減少(增加),射極電流IE也隨之減少(增加),射極電位VE降低(升高),基極電位VB幾乎處于穩(wěn)定,則射結(jié)的電壓UBE升高(降低),這時(shí)集電極電流IC增加(減少),所以集電極電流IC幾乎不變,起到穩(wěn)定電流的作用[6]。

在輸出回路中,Rf1相對(duì)于RE1很小可以忽略,射極電阻RE1為固定電阻,根據(jù)式(3)就可以得到集電極和發(fā)射極之間的電壓UCE:

UCE≈UCC-IC×(RE1+RC1)

(3)

2.2 靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置解析

靜態(tài)工作點(diǎn)Q是指電路中T1晶體管的基極電流IB、集電極電流IC,以及集電極和發(fā)射極之間電壓UCE這三個(gè)值在輸出特性曲線(xiàn)上交叉點(diǎn)[7]。

在理論學(xué)習(xí)中設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn),可以改變的量有電源電壓UCC,集電極電阻RC1,基極電阻RB2串聯(lián)的滑動(dòng)變阻器RW1。結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程,集電極電阻RC1固定,所以在電路中改變其大小不可行;雖然實(shí)驗(yàn)臺(tái)上可以提供0～30 V的可調(diào)直流電源,但是電壓過(guò)大會(huì)燒毀晶體管,所以12 V的電源也不建議修改。

通過(guò)旋轉(zhuǎn)旋鈕可改變滑動(dòng)變阻器RW1的阻值,沿著順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),RW1的阻值逐漸增大,隨之晶體管基極電位VB逐漸減小,得到射電極電流IE逐漸減小,進(jìn)而射極電壓VE逐漸減小;沿著逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn),RW1的阻值逐漸減小,隨之晶體管基極電位VB逐漸增大,得到射電極電流IE逐漸增大,進(jìn)而射極電壓VE逐漸增大。可以使用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上直流電壓表去跟蹤測(cè)量VE的值,不論是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)還是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)都能找到最佳的位置,得到最佳實(shí)驗(yàn)數(shù)值。在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中還會(huì)發(fā)現(xiàn)RW1和VE之間是一種線(xiàn)性變化,RW1的具體阻值用XkΩ來(lái)代替,無(wú)論其大小為多少都不會(huì)影響結(jié)果,在分析最合適的電位VE時(shí),就可以使復(fù)雜的問(wèn)題變得簡(jiǎn)單明了,只要當(dāng)VE值大于2 V時(shí)繼續(xù)順時(shí)針旋轉(zhuǎn),一定會(huì)減小到2 V;只要當(dāng)VE值小于2 V時(shí)繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),一定會(huì)增加到2 V?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整VE的大小來(lái)改變Q點(diǎn)的位置,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 參數(shù)設(shè)置1Table1 Parameter setting 1

3 單管放大器的動(dòng)態(tài)解析

單管放大器處在動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)時(shí),需接入正弦信號(hào),電路的輸出電壓uo就會(huì)在靜態(tài)工作點(diǎn)Q附近完成周期性的變化,Q點(diǎn)設(shè)置的合適就可以正常線(xiàn)性放大交流正弦信號(hào),Q點(diǎn)設(shè)置的偏高或者偏低,就會(huì)引起飽和失真或者截止失真[8],情況如圖3所示。

圖3 Q點(diǎn)對(duì)輸出電壓uo失真的影響Fig.3 Influence of Q point on output voltage uo distortion

3.1 空載時(shí)輸出電壓解析

當(dāng)輸入端接入正弦信號(hào)時(shí),電路將處于動(dòng)態(tài)工作狀態(tài),如果輸入端正弦信號(hào)電壓值很小,可以將晶體管這一非線(xiàn)性器件看成線(xiàn)性器件,用微變等效電路來(lái)分析,這種線(xiàn)性思維能方便有效地解決實(shí)際問(wèn)題。動(dòng)態(tài)工作時(shí)的微變等效電路如圖4所示[9]。

在微變等效電路中,可以推出電壓放大倍數(shù)如式(4),它反映電路對(duì)輸入信號(hào)的放大能力。電壓放大倍數(shù)為負(fù)值,說(shuō)明輸出電壓和輸入電壓的相位差為180°.

圖4 微變等效電路Fig.4 Micro-variable equivalent circuit

(4)

本次實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)旋轉(zhuǎn)改變滑動(dòng)變阻器RW1的阻值,使射極電壓達(dá)到2 V,進(jìn)而使靜態(tài)工作點(diǎn)Q設(shè)置在直流負(fù)載線(xiàn)的中央位置,即最合適的位置。輸入電壓ui為正弦電壓,可使用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生,選擇頻率范圍為2 kHz,通過(guò)粗調(diào)和細(xì)調(diào)旋鈕使頻率輸出為1 kHz;再選擇幅度,要求為10 mV,注意此處指的幅度為有效值,信號(hào)源上顯示的為峰峰值Vp-p,所以選擇幅度要使用交流電壓表來(lái)測(cè)量,同時(shí)也要注意使用20 db的衰減檔,否則沒(méi)有辦法將幅度調(diào)節(jié)到10 mV.設(shè)置好后,從示波器上觀(guān)察到輸出電壓uo的波形如圖5所示,放大倍數(shù)約為10倍。

圖5 空載線(xiàn)性放大波形Fig.5 No-load linear amplification waveform

3.2 負(fù)載時(shí)輸出電壓解析

在接入負(fù)載電阻RL后,當(dāng)電路處于靜態(tài)工作時(shí),RL接在電容C2的右側(cè),由于電容有隔直通交的作用,所以沒(méi)有直流電流流過(guò)C2,故靜態(tài)工作點(diǎn)的位置不會(huì)因負(fù)載的接入而發(fā)生變化。當(dāng)動(dòng)態(tài)工作時(shí),輸入端接入正弦信號(hào)ui,并接入負(fù)載電阻RL時(shí),電路將處在有負(fù)載動(dòng)態(tài)工作狀態(tài),在輸出回路中,集電極的交流電流就會(huì)流過(guò)RC和RL,RC和RL為并聯(lián)關(guān)系,即交流負(fù)載電阻,很容易得到有負(fù)載時(shí)電壓放大倍數(shù)如式(5)所示,可以看出負(fù)載的接入使得放大倍數(shù)減小[10]。

(5)

接入負(fù)載后,靜態(tài)工作點(diǎn)Q的設(shè)置過(guò)程不變,可以有效地進(jìn)行線(xiàn)性放大。輸入電壓ui為正弦電壓,頻率輸出為1 kHz,幅度大小為10 mV,在接入負(fù)載電阻RL為7.2 kΩ時(shí),交流負(fù)載電阻變?yōu)樵瓉?lái)的3/4倍,則放大倍數(shù)也為原來(lái)的3/4倍。在示波器上將會(huì)觀(guān)察到如圖6所示輸出電壓uo的波形,輸出電壓的波形和輸入電壓波形反相,且幅度為原來(lái)的3/4倍。

圖6 負(fù)載線(xiàn)性放大波形Fig.6 Load linear amplification waveform

4 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)研究了單管放大器電路的結(jié)構(gòu),深入解析了電路中每種元器件的作用,建立這種電路的分析方法;同時(shí)在分析直流通路時(shí),提出一種排除判別法來(lái)判斷三極管的好壞,實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電阻測(cè)量一般是在電路沒(méi)有接入電源的情況下進(jìn)行,而在接入電源之后一般用電壓表去測(cè)量電路中的電壓,這種方法簡(jiǎn)單易行, 論證了穩(wěn)定和合適的靜態(tài)工作點(diǎn)的重要性。

另外,通過(guò)外加輸入正弦電壓ui,對(duì)輸出端進(jìn)行空載和負(fù)載實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地說(shuō)明了單管放大器電路在輸入小信號(hào)時(shí)的線(xiàn)性放大作用,并從示波器上觀(guān)察輸出波形的線(xiàn)性放大及成倍數(shù)的線(xiàn)性放大,有效地說(shuō)明了電路中接入負(fù)載后線(xiàn)性放大作用減小。

本實(shí)驗(yàn)方法合理有效,實(shí)驗(yàn)結(jié)果更好地驗(yàn)證了單管放大器電路的線(xiàn)性放大及等比例的線(xiàn)性放大作用,為今后在教學(xué)和科研工作中提供了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。