单管放大器电路解析及探讨

朱建华,潘 婧,贾 哲,胡 轶,方向明,支鹏伟

(太原学院 材料与化学工程系,山西 太原 030032)

0 引言

单管放大器电路[1]是学习放大电路的基础,也是最核心的部分。

单管放大器电路有直流和交流两种工作状态。在直流工作状态下,电路中只有直流电压源供电,要在直流情况下分析电路,需先测试晶体管质量的好坏,在这个步骤中,研究相关的电压值,即可判断电路板的好坏。接下来最重要的是进行静态工作点的设置[2],而静态工作点的选择是一个比较抽象的概念,需先从理论上去分析静态工作点的稳定性以及所处的合适的位置,然后才能进行调节。在交流工作状态下,使用示波器和函数信号发生器,对电路的输出端进行空载和负载实验,通过输出波形的观察,理解合适的静态工作点有着线性放大作用和成倍数线性放大的作用,当负载接入后,负载增大或减小,输出电压就会等倍数的增大或减小,实验结果充分证明了合适的静态工作点可以得到理想的线性放大输出波形,实验达到了预期的效果。

1 单管放大器电路解析

单管放大器电路和负反馈的两级阻容耦合放大器电路使用的是同一电路板,电路板如图1所示。在使用单管放大器电路时,由于反馈电阻Rf(图示Rf为8.2 kΩ)将输出电压UO反馈到T1晶体管的射极,起到电压负反馈的作用,需要将电路板中的反馈电阻Rf断开,所以可以将拨动开关拨到“断”;T1晶体管和T2晶体管之间的连接方式也可以称为耦合方式[3],图1所示为阻容耦合方式,耦合电容C2(图示C2为10 μF)可以把T1晶体管的输出端的交流信号传送给T2晶体管的输入端,所以要断开电容C2,虚线的地方不用导线连接,同时负载电阻RL也不会作为第二级的输入电阻。拨动开关采用单刀双掷开关简化后的单刀单掷来使用,即只有“通”和“断”两个状态。

图1 单管放大器电路板Fig.1 Circuit board of single transistor amplifier

此时的电路就通过T1晶体管构成了单管放大器电路,调节滑动变阻器RW1阻值的大小,进而调节T1晶体管的基极电位;滑动变阻器RW1连接着拨动开关,需要将拨动开关拨到“通”,可以将电源电压的正极连接到T1晶体管的基极,从而保证了发射结处于正向偏置;T1晶体管的集电极电阻RC1通过导线连接到电源电压的正极,就保证了集电极处于高电位,这样单管放大器就满足外部条件发射结正偏,集电结反偏,保证T1晶体管处于放大状态。单管放大器电路中,由发射结连接基极电阻和射极电阻,加上电源构成了输入回路,集电结连接集电极电阻和射极电阻,加上电源构成了输出回路[3]。

2 单管放大器的静态解析

2.1 直流通路图解析

单管放大器直流通路是指电路中只接入直流电源+UCC时电路所处的状态。为了能够更好地放大交流信号,我们希望将T1晶体管在接入直流电源后能处于放大工作区,所以必须先研究其直流通路[4]。直流通路如图2所示。

图2 直流通路图Fig.2 Direct current path diagram

首先要确定T1晶体管是否可以正常使用。由于T1晶体管是按照要求焊接在电路板上的,型号已确定,为NPN型的硅管3DJ6,并给出了基极、发射极和集电极,所以不需要用万用表去判断型号和各个极,但需要判别晶体管质量的好坏。一般根据发射结和集电结之间阻值的关系来判别,这种方法适合于单独晶体管。当晶体管接入电路中以后该方法就有了局限性,所以根据具体实验情况提出了一种排除判别法,将+12 V的直流电源接入电路后,只需要排除0 V和12 V两个值,就可以排除T1晶体管是烧毁断路还是击穿短路,从而确定其是否可以正常使用。当VC为12 V时,说明集电极没有电流,基极也没有电流,晶体管的发射结发生了烧毁,产生了断路,晶体管不能放大交流信号;当UCE为0 V时,晶体管的集电极电位和发射极电位相同,说明它们的公共端基极已经被反向电流击穿, 产生了短路,导致这三个极已成为电路中的一个点,没有能力放大交流信号[5]。

T1晶体管基极采用分压式偏置电路,此时基极电位VB由基极电阻RB1和RB2、滑动变阻器RW1及直流电源电压UCC来决定,其中RW1的阻值可变,当满足了偏置电流远大于晶体管的基极电流IB的条件时,基极电位VB可由式(1)得出:

(1)

当基极电位VB≫UBE时,一般硅晶体管的发射结电压为0.6 V左右,基极电位大于3 V时,就可得到如式(2)所示的集电极电流:

(2)

在输入回路中,采用分压式偏置电路就能将基极电位VB固定,当温度降低(升高)时,集电极电流IC减少(增加),射极电流IE也随之减少(增加),射极电位VE降低(升高),基极电位VB几乎处于稳定,则射结的电压UBE升高(降低),这时集电极电流IC增加(减少),所以集电极电流IC几乎不变,起到稳定电流的作用[6]。

在输出回路中,Rf1相对于RE1很小可以忽略,射极电阻RE1为固定电阻,根据式(3)就可以得到集电极和发射极之间的电压UCE:

UCE≈UCC-IC×(RE1+RC1)

(3)

2.2 静态工作点设置解析

静态工作点Q是指电路中T1晶体管的基极电流IB、集电极电流IC,以及集电极和发射极之间电压UCE这三个值在输出特性曲线上交叉点[7]。

在理论学习中设置静态工作点,可以改变的量有电源电压UCC,集电极电阻RC1,基极电阻RB2串联的滑动变阻器RW1。结合本次实验过程,集电极电阻RC1固定,所以在电路中改变其大小不可行;虽然实验台上可以提供0～30 V的可调直流电源,但是电压过大会烧毁晶体管,所以12 V的电源也不建议修改。

通过旋转旋钮可改变滑动变阻器RW1的阻值,沿着顺时针方向旋转,RW1的阻值逐渐增大,随之晶体管基极电位VB逐渐减小,得到射电极电流IE逐渐减小,进而射极电压VE逐渐减小;沿着逆时针方向旋转,RW1的阻值逐渐减小,随之晶体管基极电位VB逐渐增大,得到射电极电流IE逐渐增大,进而射极电压VE逐渐增大。可以使用实验台上直流电压表去跟踪测量VE的值,不论是顺时针旋转还是逆时针旋转都能找到最佳的位置,得到最佳实验数值。在旋转的过程中还会发现RW1和VE之间是一种线性变化,RW1的具体阻值用XkΩ来代替,无论其大小为多少都不会影响结果,在分析最合适的电位VE时,就可以使复杂的问题变得简单明了,只要当VE值大于2 V时继续顺时针旋转,一定会减小到2 V;只要当VE值小于2 V时继续逆时针旋转,一定会增加到2 V。可以通过调整VE的大小来改变Q点的位置,实验数据如表1所示。

表1 参数设置1Table1 Parameter setting 1

3 单管放大器的动态解析

单管放大器处在动态工作状态时,需接入正弦信号,电路的输出电压uo就会在静态工作点Q附近完成周期性的变化,Q点设置的合适就可以正常线性放大交流正弦信号,Q点设置的偏高或者偏低,就会引起饱和失真或者截止失真[8],情况如图3所示。

图3 Q点对输出电压uo失真的影响Fig.3 Influence of Q point on output voltage uo distortion

3.1 空载时输出电压解析

当输入端接入正弦信号时,电路将处于动态工作状态,如果输入端正弦信号电压值很小,可以将晶体管这一非线性器件看成线性器件,用微变等效电路来分析,这种线性思维能方便有效地解决实际问题。动态工作时的微变等效电路如图4所示[9]。

在微变等效电路中,可以推出电压放大倍数如式(4),它反映电路对输入信号的放大能力。电压放大倍数为负值,说明输出电压和输入电压的相位差为180°.

图4 微变等效电路Fig.4 Micro-variable equivalent circuit

(4)

本次实验中,通过旋转改变滑动变阻器RW1的阻值,使射极电压达到2 V,进而使静态工作点Q设置在直流负载线的中央位置,即最合适的位置。输入电压ui为正弦电压,可使用实验台上的函数信号发生器来产生,选择频率范围为2 kHz,通过粗调和细调旋钮使频率输出为1 kHz;再选择幅度,要求为10 mV,注意此处指的幅度为有效值,信号源上显示的为峰峰值Vp-p,所以选择幅度要使用交流电压表来测量,同时也要注意使用20 db的衰减档,否则没有办法将幅度调节到10 mV.设置好后,从示波器上观察到输出电压uo的波形如图5所示,放大倍数约为10倍。

图5 空载线性放大波形Fig.5 No-load linear amplification waveform

3.2 负载时输出电压解析

在接入负载电阻RL后,当电路处于静态工作时,RL接在电容C2的右侧,由于电容有隔直通交的作用,所以没有直流电流流过C2,故静态工作点的位置不会因负载的接入而发生变化。当动态工作时,输入端接入正弦信号ui,并接入负载电阻RL时,电路将处在有负载动态工作状态,在输出回路中,集电极的交流电流就会流过RC和RL,RC和RL为并联关系,即交流负载电阻,很容易得到有负载时电压放大倍数如式(5)所示,可以看出负载的接入使得放大倍数减小[10]。

(5)

接入负载后,静态工作点Q的设置过程不变,可以有效地进行线性放大。输入电压ui为正弦电压,频率输出为1 kHz,幅度大小为10 mV,在接入负载电阻RL为7.2 kΩ时,交流负载电阻变为原来的3/4倍,则放大倍数也为原来的3/4倍。在示波器上将会观察到如图6所示输出电压uo的波形,输出电压的波形和输入电压波形反相,且幅度为原来的3/4倍。

图6 负载线性放大波形Fig.6 Load linear amplification waveform

4 结语

本文详细研究了单管放大器电路的结构,深入解析了电路中每种元器件的作用,建立这种电路的分析方法;同时在分析直流通路时,提出一种排除判别法来判断三极管的好坏,实验过程中电阻测量一般是在电路没有接入电源的情况下进行,而在接入电源之后一般用电压表去测量电路中的电压,这种方法简单易行, 论证了稳定和合适的静态工作点的重要性。

另外,通过外加输入正弦电压ui,对输出端进行空载和负载实验研究,实验结果很好地说明了单管放大器电路在输入小信号时的线性放大作用,并从示波器上观察输出波形的线性放大及成倍数的线性放大,有效地说明了电路中接入负载后线性放大作用减小。

本实验方法合理有效,实验结果更好地验证了单管放大器电路的线性放大及等比例的线性放大作用,为今后在教学和科研工作中提供了丰富的实践经验。