單級交流放大電路實驗教學方法探索

吳戈 汪雨冰 衛克

摘要：單級交流放大電路是模擬電子線路實驗課中的重要教學內容，是學習其他復雜放大電路的基礎。本文從實驗原理解析和實驗數據分析兩方面入手，探索了提升單級交流放大電路實驗教學效果的新方法。

關鍵詞：單級交流放大電路；靜態工作點；交流電壓增益

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）18-0260-02

在大學模擬電子線路實驗課中，單級交流放大電路是組成兩級放大電路、兩級負反饋放大電路、文氏橋振蕩器等各種復雜放大電路的基礎，能否讓學生理解實驗原理，掌握實驗方法，得到正確的實驗結論，直接影響到后續實驗課的教學效果。另外，本門課程屬于電子信息類公共基礎實驗課，面向物理、材料、計算機、電子等多個學科的不同專業設課，因此還需要根據教學實驗計劃及對不同專業學生的教學要求，調整實驗教學的內容與難度。筆者基于多年對模擬電子線路實驗課的教學經驗，從實驗原理解析和實驗數據分析兩方面入手，探索了提升單級交流放大電路實驗教學效果的新方法。

一、靜態工作點的實驗教學方法

1.靜態工作點的概念解析。單級交流放大電路實驗是模擬電子線路實驗課中學生接觸的第一個放大電路實驗，對于調節靜態工作點的目的和作用尚不十分清楚，很多學生甚至不調整靜態工作點就開始進行小信號放大的實驗，因此系統地給學生講解靜態工作點的概念、調整靜態工作點的作用以及如何調整靜態工作點就顯得十分必要。單級交流放大電路是由三極管搭建的共射極放大電路，在電路工作時三極管可能處于飽和、截止和放大三種工作狀態，其中，截止和飽和是兩種極限狀態，分別對應放大電路輸出最高電壓和最低電壓時三極管的工作情況。調整靜態工作點的目的是使三極管在放大電路工作過程中始終保持在放大區，能夠在一定的交流信號輸入范圍內放大該信號，使其在放大器的輸出端即不出現飽和失真，也不出現截止失真。

2.靜態工作點的調整方法。單級交流放大電路的性能與靜態工作點的位置有著非常密切地關系，而靜態工作點是由三極管參數和放大電路中偏置電路的設計共同決定的。構成靜態工作點的四個基本要素是三極管的基極電流Ib、集電極電流Ic、基極射極間結壓降Vbe和集電極射極間管壓降Vce。通過推導四個要素之間的關系公式，可以讓學生了解各要素之間的聯系，進而理解調整靜態工作點的整個過程[1]。在不考慮三極管本身參數變化的情況下，偏置電路的設計十分關鍵，在模擬電子線路實驗課中一般采用具有上下偏置電阻結構的偏置電路，利用變阻器改變上偏置電阻的阻值來調節靜態工作點，其工作過程為：增大上偏置電阻，Ib減小，Ic增大（Ic=βIb），Vce減小（Vce=Vcc-IcRc），反之亦然；公式中β為三極管交流電流放大倍數、Vcc為電源電壓、Rc為集電極電阻、Re為射極電阻。由靜態工作點分析理論可知，靜態工作點位于三極管輸出特性曲線與放大電路直流負載線的交點處，為使靜態工作點盡量原理三極管的截止和飽和工作區，其位置一般被定在直流負載線的中點，該點對應的Vce電壓大小正好是電源電壓的一半。因此，在實驗中可操作性最強、最為簡單可靠的確定合適靜態工作點的方法為：利用萬用表監測集電極和射極間管壓降Vce，調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。經多年實驗教學檢驗，學生不僅容易理解采用該方法調整靜態工作點的原理，而且使用該方法快速、恰當地調整靜態工作點的成功率幾乎為100%。

3.提高靜態工作點穩定性的方法。三極管是一種溫度敏感器件，當環境溫度發生變化時，其參數必然也隨之發生改變，從而導致靜態工作點的變化。受溫度影響最大的兩個參數分別為Vbe和β：對于大多數三極管（硅管和鍺管）Vbe的溫度系數為-2.2mV/℃，即Vbe隨溫度的升高緩慢減小；β的變化趨勢正好相反，溫度每升高1℃，β要增加0.5%～1.0%[2]。由此，在單級交流放大電路的其他條件保持不變的情況下，溫度升高導致β值變大，引起三極管輸出特性曲線變寬且同步上移，當基極電流Ib保持不變時，集電極電流Ic變大，這些變化最終都會導致靜態工作點相對于原位置向三極管的飽和區移動，從而使電路更容易出現飽和失真。

解決溫度變化給單級交流放大電路靜態工作點帶來不穩定性的方法主要有兩種：（1）采用溫度補償器件，如二極管或負溫度系數的熱敏電阻，接到下偏置電路中；（2）采用具有上下偏置電阻結構的偏置電路，并在三極管發射極與地之間串接一只阻值適當的直流負反饋電阻Re。在模擬電子線路實驗課中通常采用后一種方法：利用具有上下偏置電阻結構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上產生的壓降Ve增大（Ve≈IcRe），Vbe減小（Vbe=Vb-Ve），根據三極管輸入特性曲線，Ib隨Vbe的減小而減小，進而又導致Ic減小，由此抑制了集電極電流Ic的繼續增長，最終使靜態工作點的位置保持不變。

加入直流負反饋電阻Re后，雖然帶來了穩定電路靜態工作點的好處，卻在放大器的小信號等效電路中的相應位置也引入了電阻Re，從而使放大器的交流電壓放大倍數從-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為負載電阻。為消除電阻Re對電壓增益的衰減作用，可以在Re上并聯一旁路電容Ce，在放大器的小信號等效電路中Ce相當于導線將Re短路，消除了其對交流分量的影響，從而達到在提高靜態工作點穩定性的同時不損失交流電壓增益的理想效果。在做實驗時，要讓學生針對在三極管發射極與地之間不串接Re、串接Re和串接Re與Ce的并聯電路這三種情況，分別測試放大器輸出電壓的變化，通過對實驗數據的比較和分析，得到Re對放大電路電壓增益影響的實驗結論，并由此加深對理論的理解。

二、交流電壓放大倍數的實驗教學方法

適當調整放大電路的靜態工作點后，可以保證輸入交流信號被放大-β（Rc//RL）/rbe倍后在電路輸出端最大不失真地輸出。傳統實驗教學實例僅會選取小范圍變化的Rc和RL，讓學生觀察集電極電阻和負載電阻對單級交流放大電路交流電壓增益的影響，而這兩個電阻對增益的作用從公式上已經一目了然了。在新的實驗教學方法中，力求挖掘兩電阻對電路交流電壓放大倍數更深層次的影響。

1.負載電阻RL變化對輸出信號的深層影響。在理論上，RL的變化除了影響交流電壓放大倍數外，還會改變電路的交流負載線斜率，其表達式為-1/（Rc//RL），即隨著負載電阻的減小，交流負載線的斜度越來越大，這樣雖然靜態工作點的位置沒變，但該點相對于三極管截止區的距離變短而相對于飽和區的距離變長，導致輸出信號更容易產生截止失真。為了在實驗中得到該實驗現象，就要在未接入RL前通過增大輸出電壓將輸出電壓調至最大不失真，然后接入適當的RL，此時，在示波器上即可觀察到輸出信號在幅度降低的同時，波形的頂端變平，即出現了截止失真。

2.集電極電阻Rc變化對輸出信號的深層影響。在理論上，Rc的變化除了影響交流電壓放大倍數外，還會改變電路的直流負載線斜率（-1/Rc）、交流負載線斜率（-1/（Rc//RL））以及電路的輸出電阻Ro。在本實驗教學中，主要對交、直流負載線斜率的變化進行實驗測試。隨著Rc的增大，交流負載線的斜度越來越小，而由于Ib沒變，三極管輸出特性曲線位置不變，因此，靜態工作點只能沿著輸出特性曲線水平向左移動，從而更加接近飽和區，導致輸出信號更容易產生飽和失真。為了在實驗中得到該實驗現象，只需在保持輸出信號不變的情況下增大傳統實驗教學中Rc的變化范圍，當Rc足夠大時，在示波器上除可觀察到輸出信號幅度增大外，還會觀察到波形的底部變平的現象，即出現了飽和失真。

三、通頻帶的實驗教學方法

通頻帶表征的是一種放大電路對不同頻率交流信號的放大能力。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將頻率參量引入電路的放大倍數公式中，從而使放大倍數成為信號頻率的函數。輸入信號的頻率過低或過高，都會導致放大倍數的降低：當信號頻率減小到一定程度，使放大倍數衰減至中頻時的0.707倍，該頻率稱為下限截止頻率fL；當信號頻率增大到一定程度，也使放大倍數衰減至中頻時的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不同頻率信號的適應性強，而通頻帶窄的放大電路可以避免不需要的頻率成分對電路的干擾，因此掌握通頻帶的相關知識對電子信息類學生是非常重要的。

每個放大電路都有其通頻帶，為了讓學生理解通頻帶的概念，了解放大電路的頻率響應特性，在單級交流放大電路實驗中應加入相關實驗。在實驗的實際操作中，應使用本身通頻帶范圍較寬的交流毫伏表作為交流電壓測量儀器。首先，讓學生在1kHz的中頻段，通過調節輸入信號的幅度將單級交流放大電路輸出電壓的有效值調至1伏特，將此時得到的中頻放大倍數作為后續實驗的參考。然后，在保持輸入信號幅度不變的條件下，逐漸降低輸入信號的頻率，當交流毫伏表顯示的輸出信號有效值下降到0.707伏特時停止頻率調節，并記錄下該頻率數據。因為在整個頻率調節過程中輸入信號的幅度保持不變，而輸出信號的幅度下降，這說明電路的放大倍數隨頻率變化產生了衰減，所以按照下限截止頻率的定義，此時測得的頻率即為fL。同理，逐漸增大輸入信號頻率，使交流毫伏表顯示的輸出信號有效值再次下降到0.707伏特時，測得的頻率即為fH。最后，將fH與fL做差即可得到通頻帶fbw的實驗結果。經歷上述實驗過程，可使學生直觀地體會出頻率對交流放大倍數的影響，甚至可以通過對逐個頻點的測量直接繪制出該單級交流放大電路的頻率響應曲線，這對于模擬電子線路實驗后續各類放大電路的學習都有很大幫助。

四、教學效果與評價

實踐表明，通過以上對實驗教學方法的改進顯著提高了教學效果：首先，學生能更加從原理上理解調整靜態工作點的意義，掌握更為簡單實用的靜態工作點調整方法及穩定靜態工作點的手段；其次，學生能夠更加深入地體會到負載電阻、集電極電阻等電路參數對三級管工作狀態和放大器電壓增益的影響，從而為后續各種復雜放大電路的學習奠定堅實的基礎。

參考文獻：

[1]莫燕平.“單管交流放大電路”的教學[J].職業技術教育，2007，（8）.

[2]賈春，賈海天.交流放大器實驗教學定性分析[J].科技創新與應用，2012，（3）.