單管放大器電路解析及探討

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,需先測試晶體管質(zhì)量的好壞,在這個步驟中,研究相關(guān)的電壓值,即可判斷電路板的好壞。接下來最重要的是進行靜態(tài)工作點的設(shè)置[2],而靜態(tài)工作點的選擇是一個比較抽象的概念,需先從理論上去分析靜態(tài)工作點的穩(wěn)定性以及所處的合適的位置,然后才能進行調(diào)節(jié)。在交流工作狀態(tài)下,使用示波器和函數(shù)信號發(fā)生器,對電路的輸出端進行空載和負(fù)載實驗,通過輸出波形的觀察,理解合適的靜態(tài)工作點有著線性放大作用和成倍數(shù)線性放大的作用,當(dāng)負(fù)載接入后,負(fù)載增大或減小,輸出電壓就會等倍數(shù)的增大或減小,實驗結(jié)果充分證明了合適的靜態(tài)工作點可以得到理想的線性放大輸出波形,實驗達到了預(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,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,所以可以將撥動開關(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傳送給T2晶體管的輸入端,所以要斷開電容C2,虛線的地方不用導(dǎo)線連接,同時負(fù)載電阻RL也不會作為第二級的輸入電阻。撥動開關(guān)采用單刀雙擲開關(guān)簡化后的單刀單擲來使用,即只有“通”和“斷”兩個狀態(tài)。

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

此時的電路就通過T1晶體管構(gòu)成了單管放大器電路,調(diào)節(jié)滑動變阻器RW1阻值的大小,進而調(diào)節(jié)T1晶體管的基極電位;滑動變阻器RW1連接著撥動開關(guān),需要將撥動開關(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通過導(dǎo)線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時電路所處的狀態(tài)。為了能夠更好地放大交流信號,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,所以不需要用萬用表去判斷型號和各個極,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)系來判別,這種方法適合于單獨晶體管。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)具體實驗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,說明集電極沒有電流,基極也沒有電流,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;當(dāng)UCE為0 V時,晶體管的集電極電位和發(fā)射極電位相同,說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)致這三個極已成為電路中的一個點,沒有能力放大交流信號[5]。

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

(1)

當(dāng)基極電位VB?UBE時,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,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,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)工作點設(shè)置解析

靜態(tài)工作點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這三個值在輸出特性曲線上交叉點[7]。

在理論學(xué)習(xí)中設(shè)置靜態(tài)工作點,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)的滑動變阻器RW1。結(jié)合本次實驗過程,集電極電阻RC1固定,所以在電路中改變其大小不可行;雖然實驗臺上可以提供0～30 V的可調(diào)直流電源,但是電壓過大會燒毀晶體管,所以12 V的電源也不建議修改。

通過旋轉(zhuǎn)旋鈕可改變滑動變阻器RW1的阻值,沿著順時針方向旋轉(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,進而射極電壓VE逐漸減小;沿著逆時針方向旋轉(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,進而射極電壓VE逐漸增大?？梢允褂脤嶒炁_上直流電壓表去跟蹤測量VE的值,不論是順時針旋轉(zhuǎn)還是逆時針旋轉(zhuǎn)都能找到最佳的位置,得到最佳實驗數(shù)值。在旋轉(zhuǎn)的過程中還會發(fā)現(xiàn)RW1和VE之間是一種線性變化,RW1的具體阻值用XkΩ來代替,無論其大小為多少都不會影響結(jié)果,在分析最合適的電位VE時,就可以使復(fù)雜的問題變得簡單明了,只要當(dāng)VE值大于2 V時繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn),一定會減小到2 V;只要當(dāng)VE值小于2 V時繼續(xù)逆時針旋轉(zhuǎn),一定會增加到2 V?？梢酝ㄟ^調(diào)整VE的大小來改變Q點的位置,實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

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

3 單管放大器的動態(tài)解析

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

圖3 Q點對輸出電壓uo失真的影響Fig.3 Influence of Q point on output voltage uo distortion

3.1 空載時輸出電壓解析

當(dāng)輸入端接入正弦信號時,電路將處于動態(tài)工作狀態(tài),如果輸入端正弦信號電壓值很小,可以將晶體管這一非線性器件看成線性器件,用微變等效電路來分析,這種線性思維能方便有效地解決實際問題。動態(tài)工作時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),它反映電路對輸入信號的放大能力。電壓放大倍數(shù)為負(fù)值,說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)

本次實驗中,通過旋轉(zhuǎn)改變滑動變阻器RW1的阻值,使射極電壓達到2 V,進而使靜態(tài)工作點Q設(shè)置在直流負(fù)載線的中央位置,即最合適的位置。輸入電壓ui為正弦電壓,可使用實驗臺上的函數(shù)信號發(fā)生器來產(chǎn)生,選擇頻率范圍為2 kHz,通過粗調(diào)和細調(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測量,同時也要注意使用20 db的衰減檔,否則沒有辦法將幅度調(diào)節(jié)到10 mV.設(shè)置好后,從示波器上觀察到輸出電壓uo的波形如圖5所示,放大倍數(shù)約為10倍。

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

3.2 負(fù)載時輸出電壓解析

在接入負(fù)載電阻RL后,當(dāng)電路處于靜態(tài)工作時,RL接在電容C2的右側(cè),由于電容有隔直通交的作用,所以沒有直流電流流過C2,故靜態(tài)工作點的位置不會因負(fù)載的接入而發(fā)生變化。當(dāng)動態(tài)工作時,輸入端接入正弦信號ui,并接入負(fù)載電阻RL時,電路將處在有負(fù)載動態(tài)工作狀態(tài),在輸出回路中,集電極的交流電流就會流過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Q的設(shè)置過程不變,可以有效地進行線性放大。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,交流負(fù)載電阻變?yōu)樵瓉淼?/4倍,則放大倍數(shù)也為原來的3/4倍。在示波器上將會觀察到如圖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,且幅度為原來的3/4倍。

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

4 結(jié)語

本文詳細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;同時在分析直流通路時,提出一種排除判別法來判斷三極管的好壞,實驗過程中電阻測量一般是在電路沒有接入電源的情況下進行,而在接入電源之后一般用電壓表去測量電路中的電壓,這種方法簡單易行, 論證了穩(wěn)定和合適的靜態(tài)工作點的重要性。

另外,通過外加輸入正弦電壓ui,對輸出端進行空載和負(fù)載實驗研究,實驗結(jié)果很好地說明了單管放大器電路在輸入小信號時的線性放大作用,并從示波器上觀察輸出波形的線性放大及成倍數(shù)的線性放大,有效地說明了電路中接入負(fù)載后線性放大作用減小。

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