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        兩級阻容耦合放大電路在實驗教學中的研究

        2017-12-05 18:52:06嚴琴王巧蘭張俊杰
        大學教育 2017年11期

        嚴琴+王巧蘭+張俊杰

        [摘 要]兩級阻容耦合放大電路是較為經(jīng)典的放大電路,應用廣泛,文章從仿真和實驗數(shù)據(jù)對比,分析了兩級阻容耦合電路中的靜態(tài)、動態(tài)特性,對動態(tài)小信號放大倍數(shù)的理解進行了詳細剖析,總結(jié)歸納了實驗中存在的干擾和消除方法。

        [關鍵詞]阻容耦合;放大電路;multisim

        [中圖分類號] TN722 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437(2017)11-0090-04

        耦合放大電路有直流耦合、阻容耦合放大電路和變壓器耦合等幾種形式。兩級阻容耦合放大電路由于前級和后級之間通過電容相連,各級的靜態(tài)工作點都相互獨立、互不影響,只要耦合電容選得足夠大,就可以做到前一級的輸出信號在一定的頻率范圍內(nèi)幾乎不衰減地加到后一級的輸入端,使信號得到充分的利用。[1]對于頻率很低的信號,耦合電容器的容抗很大,信號的傳輸效率太低,因此阻容耦合方式多用于各種頻率的小信號放大電路。

        文中分析兩級耦合放大電路,將對其進行直流靜態(tài)工作點分析和動態(tài)分析。兩級阻容耦合放大電路如圖1所示。C1、C2是耦合電容,電容器與前級輸出阻抗和后級輸出阻抗構(gòu)成阻容耦合電路。

        一、Multisim軟件的應用與實驗測量

        Multisim軟件提供了強大的學習功能和實驗室硬件集成,可以幫助學生更方便輕松地學習電工電路、模擬、數(shù)字和電力電子的基本概念和理論知識,有利于提高學生的分析設計能力。

        阻容耦合放大電路的教學過程中,通過軟件仿真的方法可以找尋理論結(jié)果,學生可以很方便地對靜態(tài)工作點和最大不失真輸出波形進行研究。放大器的放大倍數(shù)較難理解,可以通過改變軟件中輸入電阻、輸出電阻等參數(shù)來觀察放大倍數(shù)的變化。

        (一)靜態(tài)工作點

        放大器要不失真地放大信號,必須設置合適的靜態(tài)工作點Q。如果靜態(tài)工作點選擇不當或輸入信號過大,都可能使輸出電壓波形產(chǎn)生非線性失真。若工作點偏高,就可能產(chǎn)生飽和失真,工作點偏低,則可能產(chǎn)生截止失真,若輸入信號幅度過大,即使工作點合適,也可能同時出現(xiàn)飽和失真和截止失真。這里,工作點“偏高”或“偏低”不是絕對的,而是相對于輸入信號的幅度而言。

        為獲得最大不失真輸出電壓,靜態(tài)工作點應選在輸出特性曲線上交流負載線中點。若放大器對小信號進行放大,輸出幅度較小時,Q點則不一定要選在交流負載線的中點,一般前置放大器的工作點都選得低一些,有利于降低功耗,減少噪聲,并提高輸入阻抗。[2]

        圖1中采用了電流負反饋分壓式偏置電路(Rb11、Rb12分壓),可以達到自動穩(wěn)定工作點的需要。由于IRb12>>Ib1,則VB1≈ × VCC。

        實驗采用晶體管3DG6,仿真及測量靜態(tài)值如表1所示,考慮精密電阻1%的誤差和實驗測量儀表的誤差,測量實驗值與仿真值可視為基本一致。

        (二)放大倍數(shù)、輸入輸出電阻的測量

        1.仿真測量數(shù)據(jù)

        放大器的動態(tài)參數(shù)有電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻、最大不失真輸出電壓和通頻帶等。為了得到最大不失真電壓,應將靜態(tài)工作點調(diào)在交流負載線的中點。在放大器正常放大的狀態(tài)下,逐漸增大輸入信號的幅度,用示波器觀察輸出Uo2的波形,使波形幅度最大且無明顯失真。[3]

        實驗教學中采用了電流負反饋分壓式偏置電路(Rb11、Rb12分壓),可以達到自動穩(wěn)定工作點的需要,同時通過調(diào)節(jié)Rb11和Rb12,可以調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點的位置,對于單管放大電路的最大不失真電壓的調(diào)節(jié)步驟為:在放大器正常放大的狀態(tài)下,逐漸增大輸入信號的幅度,同時調(diào)節(jié)Rb11(或Rb12),用示波器觀察輸出波形,當輸出波形同時出現(xiàn)削底和削頂(失真)現(xiàn)象時,說明靜態(tài)工作點已調(diào)在負載中點。若輸出波形先出現(xiàn)削底失真,說明三極管進入飽和區(qū),則將靜態(tài)工作點調(diào)低(增大Rb11或減小Rb12);若輸出波形先出現(xiàn)削頂失真,說明三極管進入截止區(qū),則將靜態(tài)工作點調(diào)高(增大Rb12或減小Rb11)。

        通過電路仿真軟件Multisim 12.0對該電路進行仿真測量,可以得出最大不失真輸出電壓下,輸入信號Uipp約為650uV,第一級輸出電壓Uo1pp≈ 39.52mV,Uo2pp≈ 4.18V。由此可分別計算出放大電路的第一級和第二級放大倍數(shù)為:

        因此,放大電路的總放大倍數(shù)為AvL = Av1 × Av2 = 6966。

        那么為什么第一級放大器的放大倍數(shù)比第二級放大器的放大倍數(shù)要低呢?

        對于單級阻容耦合電路,Av = ,這里需要區(qū)分空載和帶載放大倍數(shù),空載時放大倍數(shù)較大,帶載時由于并聯(lián)RL使RL減小,因此放大倍數(shù)AV下降,此時RL = RL‖RC,如圖3所示。由于第二級放大電路的輸入阻抗作為了第一級放大電路的負載,且輸入阻抗較低,因此第一級放大器的放大倍數(shù)明顯低于第二級放大器的放大倍數(shù)。

        放大倍數(shù)的測量通常采用示波器比較測量方法(適用于非正弦電壓)和交流電壓表測量(適用于正弦電壓),由于兩級放大電路的輸入信號較小,實驗中統(tǒng)一使用示波器進行測量,測量數(shù)據(jù)均為電壓峰峰值(Vpp)。

        輸入電阻是從放大器輸入端看進去的交流等效電阻,是以暗中采用換算法來測量,即在輸入端(Rp和C1之間)串入一個R=1KΩ的固定電阻,分別測量這個1KΩ電阻兩端對地電壓Ui和Ui。注意電阻R不宜過大或過小,應選擇與ri為同一數(shù)量級,以避免產(chǎn)生較大的測量誤差(該方法僅適用于放大器輸入阻抗遠遠小于測量儀器輸入阻抗條件下)。endprint

        輸出電阻的測量通過帶載和空載的輸出電壓來計算,注意需要保證RL接入前后輸入信號保持不變。同時測量UOC(UO2的開路電壓)和UOL(UO2的帶載電壓),通過萬用表測量數(shù)據(jù)為正弦信號的有效值VRMS,為了與實驗數(shù)據(jù)對比,將有效值轉(zhuǎn)換成峰峰值(Vpp=2)。這里的輸出電阻為動態(tài)電阻,因此不能用萬用表測量。仿真測量數(shù)據(jù)如表2所示。

        通過仿真數(shù)據(jù)可以知道,放大器帶載和空載兩種情況下,對輸出Uo1沒有影響,而Uo2是不一樣的,帶載情況下AvL = Av1 × Av2 = 7119。,空載時Av = 14304 ≈ 2AvL。根據(jù)仿真所測得的數(shù)據(jù),可知帶載放大倍數(shù)約等于空載放大倍數(shù)的一半,這也就驗證了前面所分析的第一級放大器的放大倍數(shù)為什么小于第二級放大器的放大倍數(shù)。

        這里仿真計算出來的帶載放大倍數(shù)與前面測量數(shù)據(jù)略有差別,主要在于這里為了測量輸入電阻,在輸入端加入了1KΩ的電阻,導致輸入電壓變化。

        2.實驗測量

        學習是從理論過渡實踐,實踐驗證理論的一個過程,實驗中不可避免出現(xiàn)很多問題,可能是三極管類型、引腳識別、電阻阻值選擇、極性電容方向等等,實驗應該允許學生出現(xiàn)問題,并學會自己發(fā)現(xiàn)問題,找尋問題根源,這是我們實驗教學的基本。如果只是把答案和問題原因告訴學生,就會失去實驗的興趣,所以從軟件仿真再到具體實驗操作是必要的,因為實驗操作中,存在著一些各種干擾、誤差影響。

        實驗教學中,我們采用的教學方式為多媒體教學與演示教學相結(jié)合,根據(jù)理論公式或是仿真軟件得出理論值,推算各參數(shù)對理論值的影響,實際操作接線時,對于難度較大的電路,老師給予一定的演示指導,從實驗操作中發(fā)現(xiàn)問題,啟發(fā)問題,解決問題。

        根據(jù)兩級耦合放大電路的原理圖圖1焊接電路,電路實物如圖4所示。輸入信號由信號發(fā)生器產(chǎn)生,通過示波器觀察放大器的輸入、輸出波形,測量輸入和第二級輸出波形如圖5所示。

        測量時為避免不必要的感應和干擾,必須將所有測量儀器公共端與放大器公共端(COM接地端)連接在一起,測量過程中,應適當選擇輸入信號(幅度、頻率),通過示波器觀察輸出波形,在不失真條件下,應盡量加大輸入信號幅度,以避免輸入信號太小易受干擾。在最大不失真輸出電壓下,選擇輸入信號為6mVpp 、1KHz的正弦波,經(jīng)過1KΩ滑變降壓后Uipp=0.6mV,在輸入端(Rp和C1之間)串入一個R=1KΩ的固定電阻,分別測量R兩端對地電壓Uipp和Uipp,示波器觀察測量放大電路的輸入、輸出電壓,并計算兩級放大電路的放大倍數(shù),如表3所示。

        為什么會出現(xiàn)實測值比仿真值要小呢?可以從儀器和電路兩方面考慮,仿真軟件的儀器儀表內(nèi)阻均為理想值,精度高,而實驗中由于測量儀器精度限制,存在儀器誤差;電路中放大器的輸入信號較?。╱V級),也會導致人為讀數(shù)造成的誤差±1%,電路中精密電阻誤差±20%,極性電容誤差,因此實際測量值會比仿真理論值小。忽略這些誤差,測量的放大倍數(shù)可視為與仿真值一致。

        (三)放大器上、下限頻率的測量

        放大器的幅頻特性,是指放大器的電壓放大倍數(shù)與頻率的關系曲線,在中頻段,耦合電容和射極電容所呈現(xiàn)的阻抗很小,可以視為短路,同時晶體管的β值受頻率變化的影響及頻率對晶體管結(jié)電容與分布電容的影響均可忽略,此時電壓放大倍數(shù)為最大值Av = Avm 。在低頻段和高頻段,由于上述各種因素的影響不可忽略,使電壓放大倍數(shù)下降,通常將電壓放大倍數(shù)下降到中頻段Avm的0.707倍時所對應的頻率,稱為放大器的上限頻率fH和下限頻率fL。

        實驗測量中,保持輸入信號Uipp=0.6mV(即V1=6mV)不變,當f=1KHz時,用示波器觀察并測量輸出電壓VOL。當頻率從1KHz向高端增大時,使輸出電壓下降到0.707VOL時,記錄此時信號發(fā)生器的頻率即fH;同樣,當頻率向低端減小時,使輸出電壓下降到0.707VOL時,記錄此時信號發(fā)生器的頻率即fL。測量過程中應保持輸入信號不變,且波形不失真,仿真和實測數(shù)據(jù)如表4所示。

        二、實驗過程中的注意事項

        (一)交流小信號輸入端1KΩ滑動變阻器的選擇,由于兩級阻容耦合放大電路的放大器倍數(shù)較大,為使輸出信號不失真,要求輸入的交流小信號達到了uV級,因此選擇穩(wěn)定性較高的微調(diào)多圈可調(diào)型電位器(3296W型 1KΩ),若使用單圈可調(diào)電位器,則可能由于電阻不穩(wěn)定使輸入小信號不穩(wěn)。

        (二)耦合電容C1、C2的極性問題,這兩個耦合電容不能接反,一般電容正端接高電位,負端接低電位,電容處于正向耐壓,若是電容極性接反,電容上的電壓大于電容耐壓值時,可能會使電容發(fā)熱擊穿短路爆炸,損壞電路。

        (三)實驗中輸入信號較小,容易受電源干擾較大,因此,需選擇干擾較小的穩(wěn)壓電源。

        (四)輸入小信號的頻率選擇合適,兩級阻容耦合放大電路的帶寬較單級放大電路要窄,應選擇中頻段的輸入信號,實驗中選擇1KHz的正弦小信號,當信號頻率太大或太小時,由于放大器本身的頻率特性,都會出現(xiàn)放大倍數(shù)衰減的情況。

        (五)共地:電源“地”與信號“地”需要共地,對于電源和信號的電壓都是對“地”的電勢差,實驗中常常容易“忽略”這個問題,所有測量儀器如示波器、信號發(fā)生器的公共端“地”應該與電源“地”相連,因此要特別注意。

        結(jié)語

        通過對兩級阻容耦合放大電路的仿真和實驗可知,兩級阻容耦合放大電路的放大能力遠大于單管放大電路;由于耦合電容的存在,使得兩級的靜態(tài)工作點相互獨立、互不影響;由于放大倍數(shù)較大,放大電路輸入信號為級小信號,實驗中會出現(xiàn)各種電源、信號干擾的問題,并注意所以測量儀器公共端“共地”;文章從仿真與實驗測量兩方面,分析對比了靜態(tài)工作點對放大器的影響及放大器輸入、輸出阻抗和放大倍數(shù)。

        [ 參 考 文 獻 ]

        [1] 王廷才,陳昊.電工電子技術Multisim10仿真實驗[M].第2版,機械工業(yè)出版社,2011:34-40.

        [2] 劉舜奎,林小榕.電子技術實驗教程[M].第2版,廈門大學出版社,2010:41-42.

        [3] 林育茲,李繼芳.電工學實驗[M].第2版,高等教育出版社,2016:290.

        [4] 華成英,童詩白.模擬電子技術基礎[M].高等教育出版社,2006:249-251.

        [5] 劉建清,等.從零開始學電路仿真Multisim與電路設計Pro?鄄tel技術[M].國防工業(yè)出版社,2009:88-115.

        [特約編輯:張 雷]endprint

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