实验四单管放大器的设计与制作3学时一、实验目的1．设计与制作一个单管放大器实验电路，掌握其静态工作点的调试方法、了解其电路中各元器件参数值对静态工作点的影响。
2．掌握单管放大器的主要性能指标的调测方法。
3．了解单管放大器电路参数的工程设计方法。
二、实验预习要求1．预习实验原理和测量方法。
2．写出预习报告，画出完整正确的实验电路图。
如果选择自己设计的电路和参数进行实验，则要预先完成电路和参数的设计。
3．在预习报告中明确实验内容（可用字母和相应公式以及表格表示）。
三、实验原理单级放大器是构成多级放大器和复杂电路的基本单元。
其功能是在不失真的条件下，对输入信号进行放大。
要使放大器正常工作，必须设置合适的静态工作点。
静态工作点Q的设置一要满足放大倍数、输入电阻、输出电阻、非线性失真等各项指标的要求；二要满足当外界环境等条件发生变化时，静态工作点要保持稳定。
影响静态工作点的因素较多，但当晶体管确定之后，主要因素取决于偏置电路，如电源电压的变动、集电极电阻R和基C极偏置电阻的改变等都会影响工作点。
静态工作点设置在交流负载线中点的附近，能使放大器获得最大不失真的输出电压，如图4.1所示。
若工作点选得太高就会产生饱和失真，若工作点选得过低就会出现截止失真，如图4.2所示。
图4.1具有最大动态范围的静态工作点图4.2 静态工作点设置不合适产生的失真为了稳定静态工作点，经常采用具有直流电流负反馈的分压式偏置单管放大器实验电路，如图4.3所示。
电路中上偏置电阻1R '由1R 和1W R 串联组成；2R 为下偏置电阻；C R 为集电极电阻；E R 为发射极电流负反馈电阻，起到稳定直流工作点的作用；1C 和2C 为交流耦合电容；3C 为发射极旁路电容，为交流信号提供通路；S R 为测试电阻，以便测量输入电阻；L R 为负载电阻。
外加输入的交流信号S V 经1C 耦合到三极管基极，经过放大器放大后从三极管的集电极输出，再经2C 耦合到负载电阻L R 上。
图4.3 实验电路原理图根据理论分析和工程估算法，可得到如图4.3所示的单管放大器实验电路正常工作时的主要动态性能指标如下：交流电压放大倍数:beCL be ce C L be o L V r R R r r R R r r R A ////////βββ-≈-=-=输入电阻：()be W i r R R R r ////112+=输出电阻：ce C o r R r //=*四、实验电路参数设计已知单级低频放大器所用的晶体三极管型号为9013（或者其它NPN 类型的管子）,其100=β，电路工作电源V V CC 12=，设mA I CQ 4.2=，100-=V A ，Ω=k R L 1.5。
根据以上要求，设计、计算并选取电路器件参数，使放大器能够不失真地放大常用的正弦波信号，并达到100≥V A 倍的要求。
1．偏置电路形式的选择由于分压式电流负反馈偏置电路应用十分广泛，所以本实验电路选用如图4.3所示的分压式电流负反馈偏置电路。
2．发射极电阻4R 的确定因为工程估算中一般取CC EQ V V )3.0~2.0(=，所以CQEQ EQEQ E I V I V R R ≈==43．上下偏置电阻的确定为使放大器能更稳定地工作，满足BQ Q I I >>1的条件，上下偏置电阻取值应小，但过小会使静态功耗增大且引起信号源S V 的电流分流过大，使放大器输入电阻变小，故工程上一般取BQ Q I I )10~5(1=，则下偏置电阻βCQBEQEQ QBQ B I V V I V R R )10~5(122+=≈=βCQBQCC QBQCC W B I V V I V V R R R )10~5(1111-=-≈+=4．集电极电阻C R 的确定C R 应根据实际负载电阻值和放大倍数要求来确定。
若L R 、VA 无明确要求，可以选取C R 上的直流电压降CR V 和CEQ V 大致相等，可保证有较大的动态范围。
此时C R 为：CQEQCC C I V V R R -==213以上四种电阻值根据计算值的范围再结合实验箱中现有的电阻值取近似值确定。
其中基极上偏置电阻可通过调节电位器1W R来确定，C R 可另外串接电位器2W R 进行调节确定。
5．1C 、2C 、3C 电容的选择一般来说1C 、2C 、3C 越大，低频特性越好，但电容过大体积也大，既不经济又加大分布电容，影响高频特性，再者电容量大的电解电容漏电电流也大。
一般能满足放大器的下限频率即可。
工程估算时1C 、2C 一般取10～50µF ，3C 取30～100µF 。
五、实验内容及步骤1．正确组装连接实验电路① 根据实验电路原理图和所设计选定的参数以及常用的电子仪器，用导线进行连接组装。
② 组装之前须测量和调节电源电压所需要的值，并注意电源的极性和信号源的接地线都不能接错，不能带电接线。
③ 将功率函数信号发生器的输出波形选择为正弦波，频率kHz f 1=，输出幅度选择在dB 40-处，并按照图4.3中S V 的极性要求接入放大器的输入端。
④ 将示波器的各开关、旋钮选择在相应合适的档位，并将其测试连接线接到放大器的输出端，完成实验电路制作。
2．直流工作点的调节与测量（记录在表4.1中） ① 直流工作点的调节反复调节电位器1W R 和功率函数信号发生器的输出幅度细调旋钮，使三极管工作在放大区，并且有合适的工作点。
此时示波器显示的放大器输出正弦波形不失真，且有很大的放大量（一般V A 为几十倍到200倍之间），表示放大器的直流工作点调试完成。
② 实验故障排除经反复调节后，放大器输出端仍然无波形或输出波形失真、输出波形没有放大或者放大量太小等都说明所装实验电路有故障，必须排除实验故障之后方能进行直流工作点的调节。
详细具体的故障分析与排除方法参见第三章第二节中的单管放大器实验故障分析与排除技巧。
实验故障排除之后，按前面介绍的方法调节直流工作点。
③ 直流工作点的测量完成直流工作点的调节之后，断开输入信号，再用数字万用表的直流电压档测量放大器的静态工作点，并记录于表4.1中，其中EQ I 和CQ I 一般用所测的相应电压和已知的电阻值通过计算确定，即间接测量方法得到。
表4.1 放大器静态工作点测量记录表注：一般硅管的BEQ V 约为0.7V 左右，CQ EQ I I ≈，否则为电路有误或者测量错误。
3．放大器主要性能指标的测量 （1）电压增益V A 的测量接通放大器的输入信号，即保持原来调好的输入正弦波信号的频率和幅值，用示波器观察放大器输出端有放大且不失真的正弦波后，用数字万用表的交流电压档或交流毫伏表分别测出其输出和输入电压的有效值，即可得到电压增益：ioLV V V A -=（2）输入电阻i r 的测量i r 为放大器输入端看进去的交流等效电阻，它等于放大器输入端信号电压i V 与输入电流i I 之比。
即ii i I V r =本实验采用换算法测量输入电阻。
测量电路如图 4.4所示。
在信号源与放大器之间串入一个已知电阻S R ，只要分别测出S V 和i V ，即可得知输入电阻为：iS S i S i S i i i i V V R V R V V V I V r -=-==/)(图4.4 用换算法测量输入电阻i r 的电路（3）输出电阻o r 的测量o r 系指放大器输出等效电路中将信号源视为短路，从输出端向放大器看进去的交流等效电阻。
它的大小能够说明放大器承受负载的能力，其值越小，带负载能力越强。
用换算法测量o r 的电路如图4.5所示。
即L oL o o R V V r ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=1图3.5 测量输出电阻o r 的电路*（4）通频带BW 的测量放大器的通频带BW 是指放大器的增益下降到中频增益VM A 的0.707倍时，所对应的上限频率H f 和下限频率L f 之差。
即L H f f BW -=通频带的测量方法是：将放大器输入中频信号，如kHz f 1 ，在其输出端有正常的放大波形时，测出其电压值为o V ，然后维持i V 不变，增加信号源的频率直到输出电压下降到0.707o V 为止，此频率就是上限频率H f 。
同理保持i V 不变，降低信号源的频率直到输出电压下降到0.707o V 为止，此频率就是下限频率L f 。
须多次反复调节信号源的频率和输出电压幅度才能完成测量。
（5）三种失真波形的调节与观察 ① 既饱和又截止失真波形大大增加信号源的输出电压幅度（必要时再略调1W R ），使放大器输出端同时出现正负向失真，将示波器观察到的失真波形画出。
② 饱和失真波形降低1W R 的值，使CEQ V 的值很小，即放大器工作在饱和区，测画出示波器此时显示出的输出波形即为放大器的饱和失真波形（一般是指输出为负半周的波形被削平）。
③ 截止失真波形增大1W R 的值，使放大器工作在截止区，即CEQ V 很大，测画出示波器观察到的截止失真波形（一般是指输出为正半周的波形被削平）。
六、实验仪器本次实验所使用仪器的型号、主要功能以及主要特点如表4.2。
表4.2 实验仪器七、报告要求1．指明实验目的。
2．列表指明所用仪器的名称、型号、功能和主要特点等。
3．画出完整、正确的实验电路，特别要标出各元器件参数值、器件极性、测试代号（如V）等。
i4．简述实验原理。
5．整理实验数据，计算出相应的结果，并列出相应的表格和公式以及测试记录值，画出必要的波形。
6．对三种失真波形的产生原因和解决方法进行分析和讨论。
7．解答思考题。
8．写出实验总结、收获和心得体会。
八、思考题解答1．R和L R的变化对放大器的电压增益有何影响？C2．放大器的上、下偏置电阻R和2R的阻值若按比例同时取得B过小，将对放大器的静态性能和动态指标产生什么影响？3．C若严重漏电或者容量失效而开路，分别会对放大器产生3什么影响？。