晶体管负反馈放大器

实验二晶体管负反馈放大器一、实验目的1. 加深理解负反馈对放大器性能的影响。2. 学习对放大器的输入、输出电阻，增益及通频带的测试方法。二、实验原理在放大器中引入负反馈，不仅可以稳定静态工作，还可以改善放大器的多种重要性能。因此，在实际应用的各类电子线 路中，几乎没有不引进这种或那种负反馈的。这就是我们有必要对负反馈有一个透彻了解的原因。（一） 负反馈对放大器性能的影响当我们分析放大器中的反馈时，主要应把握住三个基本要素：（1）反馈信号的极性，如果反馈信号是使放大器增益降低 的，就是负反馈。反之就是正反馈；（2）反馈信号与输出信号的关系，如果反馈信号正比于输出电压，就是电压反馈，若反 馈信号正比于输出电流，就是电流反馈；（3）反馈信号与输入信号的关系，如果反馈信号与输入信号在输入回路中是串联的 （净输入电压等于输入电压与反馈电压的代数和），就叫串联反馈。如果反馈信号与输入信号在输入回路中是并联的（净输 入电流等于反馈电流与输入电流的代数和）就叫并联反馈。本实验将以电压串联负反馈电路为例：来研究负反馈对电路性能 的影响。1. 负反馈将使放大器增益降低反馈放大器，因为反馈电压Uf是由输出电压Usc经Rf和Re1分压而得，故Uf正比于输出电压U。，在输入回路中，Uf是与Us图1是一个两级阻容耦合反馈放大器。图2是电压串联负反馈放大器的方块图。根据上述三要素，这是一个电压串联负图1两级阻容耦合负反馈放大器串联后再加到T1的基极与发射极之间的，而且Uf又使净输入 电压U=U Uf降低（也就是使放大器增益降低）所以这种反 馈是电压串联负反馈。可用图2所示的方块图来等效。图2 中F表示反馈网络（在图1中就是R1和Rf组成的分压网络） 其传输系数F=Uf/Uo，就是放大器的反馈系数K0表示放大器 在没有反馈时（即Uf=0）的增益，其值K0=U/U，通常就称 K0为放大器的开环增益，根据图2不难求出放大器接入反馈 后的闭环增益Kf。K = Uo = =、 f U U + U1 + K F（1）此式表明，在放大器中引进负反馈后，其闭环增益Kf要 比没有负反馈（Uf=0）时的开环增益K0降低7（1+KF）倍。D=1+ K0F就称为放大器的“反馈深度”，K0F是在整个 放大电路的环路增益。UK0F =寸图2电压串联负反馈方框图i2. 负反馈可提高放大器增益的稳定性（1）式为反馈放大器的闭环放大倍数，Kf为开环放大倍数K0之间的关系 式。当电源电压、环境温度或元件参数变化时，会引起放大器的放大倍数发生改变， 通常用放大倍数的相对变化量来评价放大器的稳定性。d 1 dK=0df 1 + K。F K。(2)将（1）式微分，再略加变换可得：dK此式表明，在引进负反馈后，放大器闭环增益的相对变化量=比开环增益的相Kf对变化量h减小了（1+ K0F）倍，即闭环增益的稳定性提高了（1+ K0F）倍。K0003. 负反馈可扩展放大器的通频带，改善频率响应阻容耦合放大器的放大倍数将随频率而变，高、频段的放大倍数均会降低，如前所述，放大器接入负反馈可提高放大倍 数的稳定性。由于频率不同所引起的放大倍数的变化现象显然也会减轻，即可使频带变宽，改善了频率响应。对于单级阻容 耦合放大器，在引进负反馈以后，放大器闭环时的高、低半功率点分别为:f =（1 +、F）fH（3）(4)f f、df （1+ K F ）0式中：f、fd表示放大器开环时的高、低半功率点。由此可见，在引进负反馈后，低半功率点fdf向下扩展了（1+ K0F）倍， 高半功率点f f向上扩展了（1+ K0F）倍。但是中频段的闭环放大倍数Kf也降低了（1+ K0F）倍，不过对多级放大器（3）、（4）式不一定成立，但是随着负反馈的增加，通频带要扩展的结论仍然是正确的。4. 负反馈对输入、输出电阻的影响负反馈对放大器输入、输出电阻的影响比较复杂。不同的反馈方式对电阻的影响也不一样，一般而言，凡是并联负反馈，由于Uf与U是并联的，使输入电流加大，故放大器等效输入电阻减小。凡是串联负反馈，因Uf与U是串联的，它使输入 电流减小，故放大器的等效输入电阻增加。凡是电压负反馈，因Uf正比于输出电压U，使输出电压U稳定，接近于电压源， 故使放大器等效输出电阻降低。凡是电流负反馈，因Uf正比于输出电流，能使输出曲流稳定，接近电流源，故使放大器输出 电阻升高。对于图1所示电压串联负反馈放大器，其R.f和R f可以用图2所示的方块图中求出: Rf =（1 + % F） R1（5）_ R一(1+ K F )0（6）Ro是放大器开环时的输入、输出电阻。可见引进负反馈后，输入电阻提高了（1+ K0F）倍，输出电阻降低了（1+式中：R.、K0F）倍:5.负反馈可减小输出信号的非线性失真由于晶体管的非线性存在，放大器输出波形也会产生畸变，即出现输入 信号中所没有的谐波成分，利用负反馈，将输出信号再引回至输入端，可在 一定程度上减小输出波形的畸变。可以用图3所示的两级电压串联负反馈的 方块图来说明。设：U在经过第一级放大K01后，产生了非线性失真，即产 生了高次谐波Ut，此谐波电压Ut经第二级放大k02后，也会和基波电压U 一样通过反馈网络F回送到输入端，由图可以写出：U =（U. - FU）常 + U k。2U =-eU + -2 Uo 1 + K F . 1 + K F t(7)sr+UKUKUO1O2oUFf图3两级电压负反馈方块图OO式中：K0= K01K02，此式表明，负反馈使输出信号中的U.和Ut都减小了 （1+K0F）倍，但是如果加大U.，使U恢复到开环时的输出幅度，则开环后U中的基波U.将增加（1+ K0F）倍，这样U中的 Ut就相对减小了，即输出信号的非线性失真减小了。不过必须记住，只有当放大器在闭环和开环时的输出幅度相同的条0件下， 负反馈才能改善输出波形的非线性失真，而且负反馈并不能加大放大器的摆幅。综合上述，在放大器中引进负反馈后不仅可以提高放大器增益的稳定性，而且还可以扩展放大器的通频带，改善频率特性，减小输出信号的非线性失真，提高或降低放大器的输入、输出电阻，但是这一切都是用降低放大器的增益换来的，没有增益的损失，就没有上述的一切，如果我们只追求某一方面的需求而无限制地加 深负反馈，不仅使放大器失去应有的放大能力，还可能使放大器产生相位失真， 产生自激振荡根本无法正常工作。（二）放大器的测试1. 放大器输入电阻的测量按定义：输入电阻R.=U./I.，因此最简单的测试方法是“串联电阻法”如图4 所示。在信号源与放大器之间串入一个已知电阻R，只要分别测出UR和U.就可 求出：r = U n = Uri I U R U但是要直接甫交流毫伏h或示波器测量UR是困难的，因R两端都不接地， 因此，测量仪器与信号源和放大器没有公共地线，干扰太大，不能准确测试。 为此，通常是直接测出Us和U.后，计算出输入电阻。R = Ui Ri U - Us测量时，U不应取得过大，否则将使晶体管工作在非线性状态，从而使R. 的测量误差增加，因此最好用示波器监视放大器的输出波形，在不失真的情况 下测试。2. 放大器输出电阻的测量广叩信_ L-1:放R1r i号U UE大源s I11TO1器 . 7(8)(9)图4放大器输入电阻的测试RsUs图5放大器输出电阻的测试放大器输出端可以等效成一个理想电压源与输出电阻R相串联，如图5所示，输出电阻的大小反映了放大器带负载的能力，因此，也可以通过测量放大器接入负载前后的电压变化来求出输出电阻R， o为此，在放大器输入端加入一固定电压，先不接入负载电阻RL测出放大器的输出电压（开路电压）UL。显然此时UJ=U， 然后接入负载电阻rl，再测出输出电压ul ，从而可算出输出电阻：oU，- U U，- U lRLUu (10)R. LL Lo IU Ko 0.707 Ko0 fdfg f图6放大器的幅频特性曲线(11)1111Rc1rtRRc2 rL2K2KE1 +12VC3 22p【C2 2.5mAA K2-In12aT29013Rb2210KR10KT19013C122 口C2 22pK1LL在测试时应注意以下三点：(1)rl过大或过小都将加大测试误差，应取 RlR为宜，也可用电位器R来代替RL，调整电位器R使UL =1/2 UL， 则R=R ,而R之值可直接万用表电阻档测出；(2)最好用示波器监视输 出波形/要在日：接入前后输出波形都不失真的条件下测试；(3)测试过程 中，必须保持输入信号固定不变。3. 放大器增益的测试测试多级放大器的增益与单级放大器一样，只要测出输入与输出信号之 大小，即可求出放大器的增益。叱 U叱 U o或 oP - PiiP - P测试时应注意到，多级放大器的增益一般都比较高，为了保证放大器输出波形不产生非线性失真，其输入信号一般都调 在毫伏级或微伏级。如果信号源没有准确的输出电压指示和衰减器，则输入信号的测试就必须有灵敏度较高的毫伏表或微伏 表。本实验我们用示波器监视输出波形，用音频综合测试仪作信号发生器与毫伏表测量U.及U。4. 频率响应曲线的测试1图6是某放大器的幅频特 性曲线，从图中可以看出，要 测放大器的幅频曲，只要测试 不同信号频率时的增益。幅频 曲线的坐标一般都用相对变化 量K (f)来标度，但如果信号K源的幅频特性很好(即在所有 测量频率上，其输出幅度都能 保持不变)，则就没有必要每改 变一个频率都要测出其增益， 而只要测出其时应的输出幅度 即可，从而可大大减少计算量。 此时可用曲线串代替K (f)曲 线。注意：以上均在放大器输出信号不失真的情况下测试。否则将引起较大的测试误差。三. 实验电路实验电路见图7。这是一个 两级阻容耦合放大器。元件参 数如图所注。说明：开关K1控制电阻R 是否接入电路。测试放大器输 入阻抗时用。开关K2控制Rl 是否接入电路，测试放大器输 出阻抗时用，开关K3是控制负 反馈是否接入电路用的，拔向“1”时，构成两级电压串联负反馈放大器，拔向“2”时，为无反馈的基本放大器。实际上， 第一级本身还存在电流负反馈，但可将它的作用计入在无反馈的基本放大器内。当构成电压串联负反馈时，K4可设变放大器 的“反馈深度”。四. 实验内容和步骤1. 熟悉仪器的使用，操作规程和注意事项，特别是毫伏表的使用应注意以下几点：(1) 在使用毫伏表时，应先选择在较大量程，然后根据被测信号的大小逐步减小量程达到所需量。(2) 在使用毫伏表过程中，不要用手碰到毫伏表输入端的金属部分，以免很强的人体感应电压注入毫伏表，使指针打 向满度而损坏。特别是毫伏表处在小量程时更要注意。(3) 毫伏表输入端的两根引线，有使用时应先接地线。(4) 在进行测量之前，应先把毫伏表输入端的二根引线短路，然后调节“零点调节”旋钮，使毫伏表在各量程上表头 指针都指零(自动调零表可免除这个步骤)，然后才能将二根引线分开，连接到被测线路上，应先连接“地线”再连接“信 号输入律”。RkU.11 口 K32Re1100Rfi 30K 17o2图7两级阻容耦合放大器实验电路图2. 检查实验电路板，核对零件参数，用万用表电阻档检测实验电路板电源输入端有无短路现象，若有应及时排除故障。3. 调整各级静态工作点合上K1,断开K2。K3拔至“2”，K4拨至“1”，使放大器处在无反馈情况，在放大器输入端加入较小的f=1KHz的U4.测量无反馈时中频段的K、R、R.s 信号电压，用示波器分别观察各级输出电压波形。逐渐加大信号电压幅值，适当调节各级静态电流，使每级输出电压波形均 在正负峰附近同时削波，则说明它们的静态工作点已调节在动态负载线的中央。o o 1（1）断开K1和K2，将K3拔至“2”，K4拔至“1”，在放大器输入端加入较小的f=1KHz的U信号电压，用示波器在 so，在无反馈测量基础上，断开K2,将K3拔至“ 1”，（这时可看到示波器上的输出波形的幅度有了改变，为什么？）逐渐A端监视放大器输出电压波形，逐渐加大输入信号，使示波器上的输出电压波形较大且又不失真，然后用毫伏表分别测出U加大输入信号，使示波器上的输出电压波形仍然较大而且不失真，然后用毫伏表分别测出有反馈时的uof（ul;）、usf、uif， 再合上K2，用毫伏表测出ULf。同样，根据（9）、（10）、（11）可计算出有负反馈时的Kof、Rof、R1f。，S 1UUfU，LfU LfR =Rif U - UsiR =ofJ:U JRlooinK = Uof U126. 拔动K4测出不同Rf时负反馈对放大器性能的影响。7. 测量无反馈时的频率响应合上K1，断开K2，将K3拔至“2”，K4拔至“1”，放大器输入端加f=1KHz的信号，用示波器在A端监视放大器输出 电压波形，逐渐加大输入信号，使示波器上的输出波形较大而且不失真，确定后，用毫伏表在A端测量其值，此时的U为 无反馈时中频段的输出电压。为了便于观察，此时的U 一般可调在毫伏表某档刻度的“ 10”上，即指针满幅（此时示波形上 的波形不应失真）。然后改变输入信号的频率（注意：不是改变输入信号的幅度）。频率向高端改变和向低端改变都会使输出合上K1，断开K2，将K3拔至“1”，K4拔至“1”，在放大器输入端加入f=1KHz信号，使放大器输出Uf在毫伏表某一 档刻度的“ 10”上即指针在满幅位置，这时示波器上的输出波形不应失真，然后改变输入信号的频率，分别测出各频率点所信号减小，分别测出下表规定频率点所对应的输出幅度Uf，并以f=1KHz时的输出电压Uo作为100%，其它各待测频率的输 出都以相对值Uf/Uo来标度在对数坐标上。f1k2k3k4k5k6k7k8k9k10k20k30k40k50k60k70k80k90k100kufu /u1uf u1k f1k900800700600500400300200100908070605040302010ufu / u1_8.测量有负反馈时的频率响应五实验报告要求1. 画出实验电路图，标明元件数值。2. 将实验数据列成表格，并写出计算结果。3. 有何心得体会？对数座标纸图8