兩級阻容耦合放大電路在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的研究

嚴(yán)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(yīng)用廣泛，文章從仿真和實(shí)驗(yàn)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(jìn)行了詳細(xì)剖析，總結(jié)歸納了實(shí)驗(yàn)中存在的干擾和消除方法。

[關(guān)鍵詞]阻容耦合；放大電路；multisim

[中圖分類號] TN722 [文獻(xiàn)標(biāo)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(diǎn)都相互獨(dú)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(jìn)行直流靜態(tài)工作點(diǎn)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(yīng)用與實(shí)驗(yàn)測量

Multisim軟件提供了強(qiáng)大的學(xué)習(xí)功能和實(shí)驗(yàn)室硬件集成，可以幫助學(xué)生更方便輕松地學(xué)習(xí)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(xué)生的分析設(shè)計(jì)能力。

阻容耦合放大電路的教學(xué)過程中，通過軟件仿真的方法可以找尋理論結(jié)果，學(xué)生可以很方便地對靜態(tài)工作點(diǎn)和最大不失真輸出波形進(jìn)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(diǎn)

放大器要不失真地放大信號，必須設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)Q。如果靜態(tài)工作點(diǎn)選擇不當(dāng)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(diǎn)偏高，就可能產(chǎn)生飽和失真，工作點(diǎn)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(diǎn)合適，也可能同時出現(xiàn)飽和失真和截止失真。這里，工作點(diǎn)“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(diǎn)應(yīng)選在輸出特性曲線上交流負(fù)載線中點(diǎn)。若放大器對小信號進(jìn)行放大，輸出幅度較小時，Q點(diǎn)則不一定要選在交流負(fù)載線的中點(diǎn)，一般前置放大器的工作點(diǎn)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(fù)反饋分壓式偏置電路（Rb11、Rb12分壓），可以達(dá)到自動穩(wěn)定工作點(diǎn)的需要。由于IRb12>>Ib1，則VB1≈ × VCC。

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測量儀表的誤差，測量實(shí)驗(yàn)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(yīng)將靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)在交流負(fù)載線的中點(diǎn)。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(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用了電流負(fù)反饋分壓式偏置電路（Rb11、Rb12分壓），可以達(dá)到自動穩(wěn)定工作點(diǎn)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(diǎn)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(dāng)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(diǎn)已調(diào)在負(fù)載中點(diǎn)。若輸出波形先出現(xiàn)削底失真，說明三極管進(jìn)入飽和區(qū)，則將靜態(tài)工作點(diǎn)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(jìn)入截止區(qū)，則將靜態(tài)工作點(diǎn)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(jìn)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(jì)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(fù)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(shí)驗(yàn)中統(tǒng)一使用示波器進(jìn)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(jìn)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(yīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(yàn)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(jì)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(dǎo)致輸入電壓變化。

2.實(shí)驗(yàn)測量

學(xué)習(xí)是從理論過渡實(shí)踐，實(shí)踐驗(yàn)證理論的一個過程，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)應(yīng)該允許學(xué)生出現(xiàn)問題，并學(xué)會自己發(fā)現(xiàn)問題，找尋問題根源，這是我們實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本。如果只是把答案和問題原因告訴學(xué)生，就會失去實(shí)驗(yàn)的興趣，所以從軟件仿真再到具體實(shí)驗(yàn)操作是必要的，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)操作中，存在著一些各種干擾、誤差影響。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們采用的教學(xué)方式為多媒體教學(xué)與演示教學(xué)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(shí)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(dǎo)，從實(shí)驗(yàn)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(shí)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(yīng)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(yīng)適當(dāng)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(yīng)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(jì)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(shí)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(guān)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A(chǔ)v = 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(yīng)的頻率，稱為放大器的上限頻率fH和下限頻率fL。

實(shí)驗(yàn)測量中，保持輸入信號Uipp=0.6mV（即V1=6mV）不變，當(dāng)f=1KHz時，用示波器觀察并測量輸出電壓VOL。當(dāng)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(dāng)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(yīng)保持輸入信號不變，且波形不失真，仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)如表4所示。

二、實(shí)驗(yàn)過程中的注意事項(xiàng)

（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(dá)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(fù)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(shí)驗(yàn)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(yīng)選擇中頻段的輸入信號，實(shí)驗(yàn)中選擇1KHz的正弦小信號，當(dāng)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(shí)驗(yàn)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(yīng)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(shí)驗(yàn)可知，兩級阻容耦合放大電路的放大能力遠(yuǎn)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(diǎn)相互獨(dú)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測量兩方面，分析對比了靜態(tài)工作點(diǎn)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(xiàn) ]

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[3] 林育茲，李繼芳.電工學(xué)實(shí)驗(yàn)[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(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社，2006：249-251.

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[特約編輯：張 雷]endprint