單級(jí)交流放大電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法探索

吳戈 汪雨冰 衛(wèi)克

摘要：?jiǎn)渭?jí)交流放大電路是模擬電子線路實(shí)驗(yàn)課中的重要教學(xué)內(nèi)容，是學(xué)習(xí)其他復(fù)雜放大電路的基礎(chǔ)。本文從實(shí)驗(yàn)原理解析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析兩方面入手，探索了提升單級(jí)交流放大電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的新方法。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)渭?jí)交流放大電路；靜態(tài)工作點(diǎn)；交流電壓增益

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）18-0260-02

在大學(xué)模擬電子線路實(shí)驗(yàn)課中，單級(jí)交流放大電路是組成兩級(jí)放大電路、兩級(jí)負(fù)反饋放大電路、文氏橋振蕩器等各種復(fù)雜放大電路的基礎(chǔ)，能否讓學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)原理，掌握實(shí)驗(yàn)方法，得到正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，直接影響到后續(xù)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)效果。另外，本門課程屬于電子信息類公共基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，面向物理、材料、計(jì)算機(jī)、電子等多個(gè)學(xué)科的不同專業(yè)設(shè)課，因此還需要根據(jù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃及對(duì)不同專業(yè)學(xué)生的教學(xué)要求，調(diào)整實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容與難度。筆者基于多年對(duì)模擬電子線路實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)原理解析和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析兩方面入手，探索了提升單級(jí)交流放大電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的新方法。

一、靜態(tài)工作點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

1.靜態(tài)工作點(diǎn)的概念解析。單級(jí)交流放大電路實(shí)驗(yàn)是模擬電子線路實(shí)驗(yàn)課中學(xué)生接觸的第一個(gè)放大電路實(shí)驗(yàn)，對(duì)于調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)的目的和作用尚不十分清楚，很多學(xué)生甚至不調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)就開始進(jìn)行小信號(hào)放大的實(shí)驗(yàn)，因此系統(tǒng)地給學(xué)生講解靜態(tài)工作點(diǎn)的概念、調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)的作用以及如何調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)就顯得十分必要。單級(jí)交流放大電路是由三極管搭建的共射極放大電路，在電路工作時(shí)三極管可能處于飽和、截止和放大三種工作狀態(tài)，其中，截止和飽和是兩種極限狀態(tài)，分別對(duì)應(yīng)放大電路輸出最高電壓和最低電壓時(shí)三極管的工作情況。調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)的目的是使三極管在放大電路工作過(guò)程中始終保持在放大區(qū)，能夠在一定的交流信號(hào)輸入范圍內(nèi)放大該信號(hào)，使其在放大器的輸出端即不出現(xiàn)飽和失真，也不出現(xiàn)截止失真。

2.靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)整方法。單級(jí)交流放大電路的性能與靜態(tài)工作點(diǎn)的位置有著非常密切地關(guān)系，而靜態(tài)工作點(diǎn)是由三極管參數(shù)和放大電路中偏置電路的設(shè)計(jì)共同決定的。構(gòu)成靜態(tài)工作點(diǎn)的四個(gè)基本要素是三極管的基極電流Ib、集電極電流Ic、基極射極間結(jié)壓降Vbe和集電極射極間管壓降Vce。通過(guò)推導(dǎo)四個(gè)要素之間的關(guān)系公式，可以讓學(xué)生了解各要素之間的聯(lián)系，進(jìn)而理解調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)的整個(gè)過(guò)程[1]。在不考慮三極管本身參數(shù)變化的情況下，偏置電路的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵，在模擬電子線路實(shí)驗(yàn)課中一般采用具有上下偏置電阻結(jié)構(gòu)的偏置電路，利用變阻器改變上偏置電阻的阻值來(lái)調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)，其工作過(guò)程為：增大上偏置電阻，Ib減小，Ic增大（Ic=βIb），Vce減?。╒ce=Vcc-IcRc），反之亦然；公式中β為三極管交流電流放大倍數(shù)、Vcc為電源電壓、Rc為集電極電阻、Re為射極電阻。由靜態(tài)工作點(diǎn)分析理論可知，靜態(tài)工作點(diǎn)位于三極管輸出特性曲線與放大電路直流負(fù)載線的交點(diǎn)處，為使靜態(tài)工作點(diǎn)盡量原理三極管的截止和飽和工作區(qū)，其位置一般被定在直流負(fù)載線的中點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Vce電壓大小正好是電源電壓的一半。因此，在實(shí)驗(yàn)中可操作性最強(qiáng)、最為簡(jiǎn)單可靠的確定合適靜態(tài)工作點(diǎn)的方法為：利用萬(wàn)用表監(jiān)測(cè)集電極和射極間管壓降Vce，調(diào)整作為上偏置電阻的變阻器阻值，直到Vce等于電源電壓的一半。經(jīng)多年實(shí)驗(yàn)教學(xué)檢驗(yàn)，學(xué)生不僅容易理解采用該方法調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)的原理，而且使用該方法快速、恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)的成功率幾乎為100%。

3.提高靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定性的方法。三極管是一種溫度敏感器件，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，其參數(shù)必然也隨之發(fā)生改變，從而導(dǎo)致靜態(tài)工作點(diǎn)的變化。受溫度影響最大的兩個(gè)參數(shù)分別為Vbe和β：對(duì)于大多數(shù)三極管（硅管和鍺管）Vbe的溫度系數(shù)為-2.2mV/℃，即Vbe隨溫度的升高緩慢減??；β的變化趨勢(shì)正好相反，溫度每升高1℃，β要增加0.5%～1.0%[2]。由此，在單級(jí)交流放大電路的其他條件保持不變的情況下，溫度升高導(dǎo)致β值變大，引起三極管輸出特性曲線變寬且同步上移，當(dāng)基極電流Ib保持不變時(shí)，集電極電流Ic變大，這些變化最終都會(huì)導(dǎo)致靜態(tài)工作點(diǎn)相對(duì)于原位置向三極管的飽和區(qū)移動(dòng)，從而使電路更容易出現(xiàn)飽和失真。

解決溫度變化給單級(jí)交流放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)帶來(lái)不穩(wěn)定性的方法主要有兩種：（1）采用溫度補(bǔ)償器件，如二極管或負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，接到下偏置電路中；（2）采用具有上下偏置電阻結(jié)構(gòu)的偏置電路，并在三極管發(fā)射極與地之間串接一只阻值適當(dāng)?shù)闹绷髫?fù)反饋電阻Re。在模擬電子線路實(shí)驗(yàn)課中通常采用后一種方法：利用具有上下偏置電阻結(jié)構(gòu)的分壓式偏置電路使基極電壓Vb被鉗位在一固定值，加入Re后隨著溫度的升高，β值變大，Ic增大，在電阻Re上產(chǎn)生的壓降Ve增大（Ve≈IcRe），Vbe減?。╒be=Vb-Ve），根據(jù)三極管輸入特性曲線，Ib隨Vbe的減小而減小，進(jìn)而又導(dǎo)致Ic減小，由此抑制了集電極電流Ic的繼續(xù)增長(zhǎng)，最終使靜態(tài)工作點(diǎn)的位置保持不變。

加入直流負(fù)反饋電阻Re后，雖然帶來(lái)了穩(wěn)定電路靜態(tài)工作點(diǎn)的好處，卻在放大器的小信號(hào)等效電路中的相應(yīng)位置也引入了電阻Re，從而使放大器的交流電壓放大倍數(shù)從-β（Rc//RL）/rbe衰減到-β（Rc//RL）/（rbe+（1+β）Re），公式中rbe為基極射極間等效電阻、RL為負(fù)載電阻。為消除電阻Re對(duì)電壓增益的衰減作用，可以在Re上并聯(lián)一旁路電容Ce，在放大器的小信號(hào)等效電路中Ce相當(dāng)于導(dǎo)線將Re短路，消除了其對(duì)交流分量的影響，從而達(dá)到在提高靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定性的同時(shí)不損失交流電壓增益的理想效果。在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，要讓學(xué)生針對(duì)在三極管發(fā)射極與地之間不串接Re、串接Re和串接Re與Ce的并聯(lián)電路這三種情況，分別測(cè)試放大器輸出電壓的變化，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較和分析，得到Re對(duì)放大電路電壓增益影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，并由此加深對(duì)理論的理解。

二、交流電壓放大倍數(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

適當(dāng)調(diào)整放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)后，可以保證輸入交流信號(hào)被放大-β（Rc//RL）/rbe倍后在電路輸出端最大不失真地輸出。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例僅會(huì)選取小范圍變化的Rc和RL，讓學(xué)生觀察集電極電阻和負(fù)載電阻對(duì)單級(jí)交流放大電路交流電壓增益的影響，而這兩個(gè)電阻對(duì)增益的作用從公式上已經(jīng)一目了然了。在新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法中，力求挖掘兩電阻對(duì)電路交流電壓放大倍數(shù)更深層次的影響。

1.負(fù)載電阻RL變化對(duì)輸出信號(hào)的深層影響。在理論上，RL的變化除了影響交流電壓放大倍數(shù)外，還會(huì)改變電路的交流負(fù)載線斜率，其表達(dá)式為-1/（Rc//RL），即隨著負(fù)載電阻的減小，交流負(fù)載線的斜度越來(lái)越大，這樣雖然靜態(tài)工作點(diǎn)的位置沒變，但該點(diǎn)相對(duì)于三極管截止區(qū)的距離變短而相對(duì)于飽和區(qū)的距離變長(zhǎng)，導(dǎo)致輸出信號(hào)更容易產(chǎn)生截止失真。為了在實(shí)驗(yàn)中得到該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，就要在未接入RL前通過(guò)增大輸出電壓將輸出電壓調(diào)至最大不失真，然后接入適當(dāng)?shù)腞L，此時(shí)，在示波器上即可觀察到輸出信號(hào)在幅度降低的同時(shí)，波形的頂端變平，即出現(xiàn)了截止失真。

2.集電極電阻Rc變化對(duì)輸出信號(hào)的深層影響。在理論上，Rc的變化除了影響交流電壓放大倍數(shù)外，還會(huì)改變電路的直流負(fù)載線斜率（-1/Rc）、交流負(fù)載線斜率（-1/（Rc//RL））以及電路的輸出電阻Ro。在本實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，主要對(duì)交、直流負(fù)載線斜率的變化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。隨著Rc的增大，交流負(fù)載線的斜度越來(lái)越小，而由于Ib沒變，三極管輸出特性曲線位置不變，因此，靜態(tài)工作點(diǎn)只能沿著輸出特性曲線水平向左移動(dòng)，從而更加接近飽和區(qū)，導(dǎo)致輸出信號(hào)更容易產(chǎn)生飽和失真。為了在實(shí)驗(yàn)中得到該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，只需在保持輸出信號(hào)不變的情況下增大傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中Rc的變化范圍，當(dāng)Rc足夠大時(shí)，在示波器上除可觀察到輸出信號(hào)幅度增大外，還會(huì)觀察到波形的底部變平的現(xiàn)象，即出現(xiàn)了飽和失真。

三、通頻帶的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法

通頻帶表征的是一種放大電路對(duì)不同頻率交流信號(hào)的放大能力。存在于放大電路中的電感、電容和三極管極間電容等元件會(huì)將頻率參量引入電路的放大倍數(shù)公式中，從而使放大倍數(shù)成為信號(hào)頻率的函數(shù)。輸入信號(hào)的頻率過(guò)低或過(guò)高，都會(huì)導(dǎo)致放大倍數(shù)的降低：當(dāng)信號(hào)頻率減小到一定程度，使放大倍數(shù)衰減至中頻時(shí)的0.707倍，該頻率稱為下限截止頻率fL；當(dāng)信號(hào)頻率增大到一定程度，也使放大倍數(shù)衰減至中頻時(shí)的0.707倍，該頻率稱為上限截止頻率fH；下限截止頻率和上限截止頻率之間的頻帶即為放大電路的通頻帶fbw。通頻帶寬的放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的適應(yīng)性強(qiáng)，而通頻帶窄的放大電路可以避免不需要的頻率成分對(duì)電路的干擾，因此掌握通頻帶的相關(guān)知識(shí)對(duì)電子信息類學(xué)生是非常重要的。

每個(gè)放大電路都有其通頻帶，為了讓學(xué)生理解通頻帶的概念，了解放大電路的頻率響應(yīng)特性，在單級(jí)交流放大電路實(shí)驗(yàn)中應(yīng)加入相關(guān)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)的實(shí)際操作中，應(yīng)使用本身通頻帶范圍較寬的交流毫伏表作為交流電壓測(cè)量?jī)x器。首先，讓學(xué)生在1kHz的中頻段，通過(guò)調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的幅度將單級(jí)交流放大電路輸出電壓的有效值調(diào)至1伏特，將此時(shí)得到的中頻放大倍數(shù)作為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的參考。然后，在保持輸入信號(hào)幅度不變的條件下，逐漸降低輸入信號(hào)的頻率，當(dāng)交流毫伏表顯示的輸出信號(hào)有效值下降到0.707伏特時(shí)停止頻率調(diào)節(jié)，并記錄下該頻率數(shù)據(jù)。因?yàn)樵谡麄€(gè)頻率調(diào)節(jié)過(guò)程中輸入信號(hào)的幅度保持不變，而輸出信號(hào)的幅度下降，這說(shuō)明電路的放大倍數(shù)隨頻率變化產(chǎn)生了衰減，所以按照下限截止頻率的定義，此時(shí)測(cè)得的頻率即為fL。同理，逐漸增大輸入信號(hào)頻率，使交流毫伏表顯示的輸出信號(hào)有效值再次下降到0.707伏特時(shí)，測(cè)得的頻率即為fH。最后，將fH與fL做差即可得到通頻帶fbw的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)歷上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程，可使學(xué)生直觀地體會(huì)出頻率對(duì)交流放大倍數(shù)的影響，甚至可以通過(guò)對(duì)逐個(gè)頻點(diǎn)的測(cè)量直接繪制出該單級(jí)交流放大電路的頻率響應(yīng)曲線，這對(duì)于模擬電子線路實(shí)驗(yàn)后續(xù)各類放大電路的學(xué)習(xí)都有很大幫助。

四、教學(xué)效果與評(píng)價(jià)

實(shí)踐表明，通過(guò)以上對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法的改進(jìn)顯著提高了教學(xué)效果：首先，學(xué)生能更加從原理上理解調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)的意義，掌握更為簡(jiǎn)單實(shí)用的靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)整方法及穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的手段；其次，學(xué)生能夠更加深入地體會(huì)到負(fù)載電阻、集電極電阻等電路參數(shù)對(duì)三級(jí)管工作狀態(tài)和放大器電壓增益的影響，從而為后續(xù)各種復(fù)雜放大電路的學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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