已知放大器的中频放大器电压增益公式A_um=40dB下限频率f₁=100Hz，上限频率f_H=100kHz最大不失真输出电压幅度为10V，试问下列各种输入情况下放大器是否会产生失真如果会，是何种失真

东南大学电工电子实验中心

实验彡 电压放大电路设计

1. 掌握单级放大电路的设计、工程估算、安装和调试；

2. 了解三极管各项基本器件参数、工作点、偏置电路、输入阻抗、輸出阻抗、增益、幅频

特性等的基本概念以及测量方法； 3. 了解负反馈对放大电路特性的影响

4. 掌握多级放大电路的设计、工程估算、安装囷调试；

5. 掌握基本的模拟电路的故障检查和排除方法，深化示波器、稳压电源 、交流毫伏表、

函数发生器的使用技能训练

上网查询本实驗所用的三极管9013的数据手册，画出三极管封装示意图标出每个管脚的名称，将相关参数值填入下表：

9013三极管封装示意图：

图3-3中偏置电路嘚名称是什么简单解释是如何自动调节晶体管的电流IC以实现稳定直流工作点的作用的，如果R1、R2取得过大能否再起到稳定直流工作点的作鼡为什么？

答：分压式偏置电路三极管的工作会受到温度的影响发生温漂，使工作点改变分压式偏置电路利用R1和R2构成的分压器给三極管基极b提供电位UBQ，如果满足电流

I1??IBQ的条件基极电位UBQ可近似为UBQ?

?VCC。当温度上升的时候

ICQ(IEQ)增大，RE上压降增大又因为UBQ一定，所以UBE下降IBQ减小，从而使ICQ减小通过这样的自动调节使ICQ恒定。如果R1、R2取得过大不能起到作用因为稳压式偏置电路的条件是I1??IBQ，R1和R2过大时此条件鈈能满足基极电流必须加以考虑。

(I) 对于一个低频电压放大器一般希望放大器电压增益公式足够大，根据您所学的理论知识分

析有哪些方法可以提高放大器电压增益公式，分析这些方法各自优缺点总结出最佳实现方案。

答：1）共射组态：Au??

所以可以通过增大RC来增夶放大器电压增益公式。

优点：放大倍数较大输出阻抗大。缺点：高频特性不好 2）共基组态：Au?

。所以同样可以通过增大RC来增大放大器电压增益公式

优点：放大倍数较大，输出阻抗大缺点：输入阻抗较小。

3）多级级联的放大器：利用共射、共基和共集三种组态的组匼将放大倍数增大。 优点：放大倍数较大用集电极做输出级，输出阻抗较小接负载能力强。利用共基组态输入阻抗较小的特点提高共射组态的高频特性。

(II) 实验中测量放大器电压增益公式的时候用到交流毫伏表试问能否用万用表或示波器，为什

答：不能因为是小信号放大器，所测的信号幅度都很小而万用表和示波器测量时本身的信号干扰等误差是不可避免的，会导致信号有很大毛刺若是实验Φ用示波器测量，选择平均值方式可以使示波器图形较为清楚当然误差较大，需要注意 4. 输入阻抗：

1) 放大器的输入电阻Ri反映了放大器本身消耗输人信号源功率的大小，设信号源内

阻为RS试画出图3-3中放大电路的输入等效电路图，通过连线回答下面的问题并做简单解释： Ri = RS 放夶器从信号源获取较大电压

Ri > RS 放大器从信号源获取最大功率

Ri，此时分得电压较大

当Ri>Rs，输入阻抗较大由U?

2) 图3-1是实际工程中测量放大器输入阻抗的原理图，试根据该图简单分析为什么串接电阻RS的取值不能太大也不能太小

图3-1 放大器输入阻抗测量原理图

1) 答：因为必要保证放大器處于放大区，Ui不能太小因而Rs不能太大。而放大器

输入电流Ii也不能太大所以Rs不能太小。总的要求Rs的取值不能太大也不能太小

2) 对于小信號放大器来说一般希望输入阻抗足够高，根据您所学的理论知识分析

有哪些方法可以提高图3-3中放大电路的输入阻抗。 答：1、分压式共射放大电路中：Ri=R1||R2||rbe在保证电阻中电流大于基极电流的前提下，可以通过增大R1,R2来提高电路的输入阻抗

2、可以在信号源和输入级直接增加一个運放构成的跟随器来增大输入阻抗。 5. 输出阻抗：

1) 放大器输出电阻RO的大小反映了它带负载的能力试分析图3-3中放大电路的输

出阻抗受那些参數的影响，设负载为RL画出输出等效电路图，通过连线回答下面的问题并做简单解释。 RO = RL 负载从放大器获取较大电压 RO > RL 负载从放大器获取最夶功率

)RL得此时Pmax=答：原理同输入阻抗分析。当Ro=RL由P?(。

当Ro?RL输入阻抗很小，I?

当Ro>RL输入阻抗较大，由U?

RL此时分得电压较大。

2) 图3-2是实际笁程中测量放大器输出阻抗的原理图试根据该图简单分析为什么电

阻RL的取值不能太大也不能太小。

图3-2 放大器输出阻抗测量原理图

答：要保证Io?Uo'/?Ro?RL?Io?Uo'/?Ro?RL?都不太小，就必须保证RL适中若RL过小则UO会很小，若RL过大则导致Io较小

3) 对于小信号电压放大器来说一般希望输出阻忼足够小，根据您所学的理论知识

分析有哪些方法可以减小图3-3中放大电路的输出阻抗。

答：在多级放大器中用集电极做输出级减小输絀阻抗，提高负载能力强 6. 计算图3-3中各元件参数的理论值，其中

实验前取??100只要实际值大于100，参数选择就符合实际要求

?43K.图中取R1为100K發动变阻器和10K的组合。

第四步：耦合电容和旁路电容的选取应较大保证电路的频率范围满足经过计算取C1?C2?47uF，考虑到旁路电容折算到基極fL?100HzfH?100kHz。

时要除以1??所以选择C3?100uF。 第四步：根据实际计算?=245

7. 对于小信号放大器来说一般希望上限频率足够大下限频率足够小，根據您所学的理论

知识分析有哪些方法可以增加图3-3中放大电路的上限频率，那些方法可以降低其下限频率

答：1、增大上限截止频率：fH?

此可知要增大上限截止频率，可以增大RB即可以同比例增大 R1,R2。

2、减小下限截止频率：fL??3~10?

适当增大旁路电容及耦合电容C1、C2、CE来减小下限截止频率 8. 负反馈对放大器性能的影响

答：设反馈系数为F，中频放大器电压增益公式为A闭环放大器电压增益公式为Af。

1、提高放大倍数的穩定性：由Af=得。即负反馈使闭=

环电压放大倍数的相对变化量减小为开环时的2、减小非线性失真

3、扩展通频带：fHf=(1?A?F)?fH，引入负反馈后放大电路的上限截止频率提高了(1?A?F)倍。BWf=(1?A?F)?BW通频带也提高了(1?A?F)倍。

4、对于串联负反馈增大了输入阻抗：Rif=(1?A?F)?Ri；减小了输出阻抗

倍，提高了放大倍数的稳定性

。对于并联负反馈：减小了输入阻抗Rif=；增大了输出阻抗

9. 设计一个由基本放大器级联而成的多级放大器 已知：VCC=12V，Ui=5mVRL=1KΩ，T为9013

2) 参数选择计算 在基础要求的基础上，通过级联一个共集组态来减小输出阻抗同时将共集组态较大的输入阻抗作为前┅级的负载，提高放大倍数 上图中Ri2?rbe?(1??)?R6||R8?390K， 所以第一级的放大倍数为：Au1?

第二级放大倍数为：Au2?

由仿真结果看输入为5mV时输出为873mV放大倍数为174.6，与理论数值接近 幅频特性仿真图：

三、实验内容 1. 基本要求：

图3-3 射极偏置电路

1) 研究静态工作点变化对放大器性能的影响 (1) 调整RW，使静态集电极电流ICQ=2mA测量静态时晶体管集电极—发射极之间电压UCEQ。

(2) 在放大器输入端输入频率为f=1kHz的正弦信号调节信号源输出电压US 使Ui=5mV，

测量并记录US、UO和UO’（负载开路时的输出电压）的值并填于表3-1中注意：用双踪示波器监视UO及Ui的波形时，必须确保在UO基本不失真时读数 (3) 根据測量结果计算放大器的Au、Ri、Ro。

由实验数据可以看出大多数参数的实验值与理论值的误差较小误差还是在允许范围内，只有UO’、Ri等误差较夶而输入输出阻抗误差较大是因为在小信号输入下信号的偏差和干扰均较大，同时电阻本身不是精密电阻与理论值有一定偏差，这造荿了静态工作点其他测量值的偏差

2) 观察不同静态工作点对输出波形的影响

(1) 改变RW的阻值，使输出电压波形出现截止失真绘出失真波形，並将测量值记录表3-2中

(2) 改变RW的阻值，使输出电压波形出现饱和失真绘出失真波形，并将测量值记录表3-2中

（实验提示：测量截止失真波形时可以加大输入信号幅度）

图1 截止失真输入输出波形

图2 完全截止失真输入输出波形

图3 饱和失真输入输出波形

图4 完全饱和失真输入输出波形

1、由实验数据可以发现静态工作点ICQ升高或Uce减小时，容易出现饱和失真而静态工作点ICQ降低时或Uce增大时容易出现截止失真。

2、实验中通过茬R1上串联1M欧电阻来降低基极电位从而减小ICQ实现完全截止失真通过将R1短路来实现完全饱和失真。饱和失真和截止失真可以分别看成完全饱囷与完全截止到放大区中间的过渡阶段

3、根据实验结果和理论分析可知在选择静态工作点时，因尽量选在0~VCC/RC

置尽可能避免失真出现。

3）測量放大器的最大不失真输出电压

分别调节RW和US用示波器观察输出电压UO波形，使输出波形为最大不失真正弦波测量此时静态集电极电流ICQ囷输出电压的峰峰值UOP-P。

1、上图已经有点失真但已经是相对比较适当的一个状态了。当ICQ=2.069mA时得到最大不失真输出UOP-P = 5.28V，再增大输入信号源电压Us即同时出现饱和失真和截止失真

2、在选取静态工作点时，调节R1的值应尽量选在这个值附近，以保证能够对比较大的信号进行放大而不絀现失真 4) 测量放大器幅频特性曲线

（1）使用扫频仪测出放大器的幅频特性曲线并记录曲线，读出下限频率fL、上限频率fH

分析：由图可知Φ频放大器电压增益公式为40.33dB，而实验测得电压放大倍数为-94计算可知，

20lg|?94|?39.46dB两者接近，表明实验结果一致同时可知下限截止频率为

（2）调整ICQ=2mA，保持Ui=5mV不变完成以下内容，计入表3-3中： (I) 参考（1）中测得曲线分别在低频区（取fL）、中频区（任取）和高频区（取fH）

各取一点测量UO值，记录下限频率fL、上限频率fH计算带宽BW。

表1 放大电路的幅频特性

分析：扫频仪测得的下限截止频率为59Hz而上面有示波器测的下限截止頻率约为140Hz，两者有较大误差原因在于示波器在低频段小信号放大时受到的干扰较大，输出信号不稳定

(II) 输入Ui=5mV，f=fL用示波器双踪显示输入輸出波形，记录波形并测量两者间的

(III) 输入Ui=5mV，f=fH用示波器双踪显示输入输出波形，记录波形并测量两者间的

实际测得的相位差偏差较大，可能是由于中频和下限频率的测量有偏差 f=fL时的输入输出波形图：

f=fH时的输入输出波形图：

5） 负反馈对放大器性能的影响

在实验电路图3-3中增加反馈电阻RF=10Ω，构成电流串联负反馈放大器, 如图3-4所示。调整ICQ=2mA测量该电路的增益Au、输入阻抗Ri、输出阻抗RO、下限频率fL、上限频率fH、带宽BW，填入表3-4中并和前面实验的测量结果进行比较。

图3- 4 电流串联负反馈放大电路

实验结果分析：通过比较实验1）、4）的结果可以看出：引入串聯负反馈后电路的放大倍数减小；输入阻抗变大；放大倍数的实验误差减小，放大倍数的稳定性提高只是电路的 输出阻抗应该减小，洏实验测得的数据有一定偏差

引入负反馈后的幅频特性如下：

分析：通过比较两次的 幅频特性曲线可知，电压放大倍数由40.33dB减小为39.25dB即放夶倍数减小了1.13倍。而上限频率由580KHz增大为680KHz增大了1.17倍，下限截止频率由59Hz减小为56Hz减小了1.05倍。这三者的变化基本满足负反馈的理论结果与预習思考中第8点所述一致。

设计一个由基本放大器级联而成的多级放大器RL=1KΩ，要求满足以下指标： | Au |>100，Ri>1 KΩ，RO

写出具体设计过程计算电路参數以及Au、Ri和RO 的理论值。设置合适的静态工作点在放大器输入端输入频率为f=1kHz的正弦信号，调节信号源输出电压US 使Ui=5mV用示波器双踪显示Ui、Uo的波形，在输出波形不失真的情况下记录波形，测量US、UO和UO’（负载开路时输出电压）并计入表3-5中根据测量结果计算放大器的Au、Ri、Ro，与理論值比较

思路：在基础要求的基础上，通过级联一个共集组态来减小输出阻抗同时将共集组态较大的输入阻抗作为前一级的负载，提高放大倍数

参数计算见预习部分。 2）双踪显示输入输出波形图：

接负载时的输入输出波形为：

不接负载时的输入输出波形为：

由实验结果可知多级放大器级联可以达到增大放大倍数提高输入阻抗，减小输出阻抗的效果而且电路的稳定性和频带宽度等一系列参数都得到叻改善。但是同时发现实验测得的各数据误差较大可能是级联时两极间的互相影响以及一定的干扰引起的。所以在设计放大器级联时应紸意各级之间的相互干扰 4）总结多级放大器的设计方法

1、放大器级联时各级之间的耦合方式主要有阻容耦合、变压器耦合及直接耦合三種。阻容耦合、变压器耦合时各级的静态工作点相互独立但是这两种方式不利于集成。而直接耦合时各级的静态工作点相互影响直接耦合便于大规模集成。

2、级联放大器的性能指标计算

一个N级放大器的总的电压放大倍数可以表示为：Au?Au1?Au2???Aun

多级放大器的输入阻抗即苐一级放大器的输入阻抗前提是将第二级的输入阻抗作为第一级的负载。

多级放大器的输出阻抗即最后一级放大器的输出阻抗前提是將前一级的输出阻抗作为最后一级的信号源内阻。

3、放大器级联时第一级的温漂对整个系统的影响最大。所以一般第一级采用差分放大電路

4、共射放大组态的高频特性不好，可以利用共基组态输入阻抗较小的特点作为共射组态的负载来提高其高频特性

5、共集组态的输絀阻抗最小，可以作为输出级来提高整个放大器的带负载能力

已知放大器的中频放大器电压增益公式A_um=40dB下限频率f₁=100Hz，上限频率f_H=100kHz最大不失真输出电压幅度为10V，试问下列各种输入情况下放大器是否会产生失真如果会，是何种失真