在模拟电子线路课程中, 放大电路是很基本的内容。基本放大电路分为共发射极, 共集电极与共基极三种形式。其中以共发射极放大电路为侧重点, 因而对应相应章节开出的实验, 亦以共射极电路结构为主。如单级放大器实验, 多级阻容耦合放大器实验, 以及分立元件OTL功率放大器实验, 几个实验电路都以共射极电路作为结构形式, 其中共射极单管放大实验是必开的实验, 因为它是基础中基础, 很多组合功能电路都以它作为基本单元结构。
1 原来共射单管放大实验板的电路原理
原来模电实验室的单管的放大实验电路板, 应用的是分压式偏置共射极单管的放大电路, 用一个阻值220K的电位器调整三极管的静态工作点。调整电位器可令三极管从正常的静态工作点进入到截止失真及饱和失真的工作点状态.从而可以在实验中分别观察及测试放大器在正常、截止及饱和三种工作点状态下输出波形失真状况和放大倍数的变化。
2 原来实验板在应用中碰到的问题
在实践应用中, 发现原来应用中的实验板有以下的几个问题:
2.1 工作点不固定, 使得实验数据离散性大, 分析困难
验的同学调出的工作点都有不尽相同, 基本上是30组同学就有30组数据。这本来无可厚非, 但主要是各组数据的数据偏差较大, 使得老师较难根据实验数据来判断该组同学实验操作正确性, 除非重现其实验环境。
2.2 三极管T1容易损坏
在实验中, 该实验板最常出现的故障是三极管T1烧坏。本来正常情况下, 三极管烧坏的可能性是很低的, 即使调节电位器使其进入深度饱和状态, 它亦只是轻微发热, 不致烧坏。分析三极管烧坏的原因, 发现九成机会是由于同一个错误引起的, 那就是电源接反, 剩下的一成是因为电源电压调得太高引起的。电于实验板所需的电源是由连接线从直流稳压电源引入的, 当参加实验的同学在进行连接时, 没注意电源的极性区别时, 就很容易接错, 发生极性反接。在电源极性接反的情况下, 三极管往往在几秒钟之内烧坏。往往一个班的实验做下来, 就烧坏三、四块实验板。影响了实验课的正常进行, 同时使实验辅导老师的维修工作量大为增加。
3 改进后的电路原理
针对以上问题, 笔者在不影响实验目的及过程的前提下对实验电路进行了修改, 修改后的电路原理如图一:
由于用电位器调节工作点, 并且调节范围很大。使得每组实
在图一所示的电路原理中, 舍弃了用电位调节工作点的方式, 而用电阻R2和钮子开关K1及电阻R1和按钮开关SW的组合, 使放大电路在必要的时候, 进入或退出截止与饱和的工作状态。在电源输入端串联了一个整流二极管D1, 用以防止电源极性接反时烧坏三极管T1。
4 改进后电路原理的分析
4.1 正常的放大状态
在图二中, 钮子开关K1在正常状态下是闭合的, 按钮开关SW则在常开状态, 此时电阻R1及R2都不起作用。基极电压Ub由电阻Rb1和Rb2对电源电压的分压值决定。Ub的具体数值由公式决定。这时的基极电压使三极管T1进入正常的放大状态, 此时可将图一简化成如图二 (A) 。
4.2 进入截止失真工作状态
在图二中, 将钮子开关K1由闭合状态拨到断开状态时, 电阻R2与电阻Rb1形成串联关系, 使得总的电阻Rb1`增大, 令基极电压Ub降低, 具体数值由公式决定。由于电阻R2的数值较大, 为36K, 而使基极电压Ub变得较低, 而使三极管T1进入截止区工作状态。此时可将图一简化成如图二 (B) 。
4.3 进入饱和失真工作状态
在图二中, 在钮子开关K1闭合的前提下, 用手指按住按钮开关SW使其闭合, 此时, 电阻R1于电阻Rb1形成并联关系, 使得总的电阻Rb1`减小, 从而使基极电压Ub上升。具体数值由公式决定, 其中。基极电压的增加, 使三极管进入饱和区工作状态, 此时可将图一简化成如图二 (C) 。
在以上三种工作状态下, 三极管的基极电压都是由固定电阻通过串联或并联的组合改变而得到。这样使得三种状态下的基极电压都可根据固定电阻的数值及电源电压由公式而求得。各实验电路板的基极电压之间的差值, 只受固定电阻的阻值误差及电源电压值偏差影响。而不会像电位器调节分压电路一样, 受人为调节误差影响。从而保证它们之间的差值较小, 数值离散性小。这样使任课老师较容易从同学的实验数据分析其正确性, 加快实验报告的批改进度。
4.4 电源反接保护与指示
在图二中, 在电源输入端串联了一个整流二极管D1, 在电源连线极性连接正确时, 二极管D1导通, 放大电路正常工作, 此时发二极管LED发光, 指示电源正确接入。在电源连线极性反接时, 二极管D1由于加上了反向电压而截止, 绝大部分反向电压施加在二极管D1两端, 三极管T1只承受极小的反向电压, 因而不会烧坏。此时发光二极管LED不发光, 指示电源接反或未加入电源电压。
在改进电路中各种参数时, 笔者将实验电路的工作电源从12V加高到21V, 在这样的情况下, 就算有个别同学将直流稳压电源的输出调节到其最高输出33V, 再接入实验电路板, 亦不会烧坏三极管T1了。
5实验板的设计制作与实际的使用情况
为验证图一所示电路原理, 笔者依照电路中元件参数用实际元件, 手工焊接制作了一个样板电路。并对其进行测试分析。所得结果如设计设想一样。为了使实验电路板更加规范、整齐、美观, 并且工作可靠, 我使用CAD软件PROTEL, 进行实际实验电路板的设计。设计好之后, 将设计所得的PCB版图送到印刷电路板厂家进行后期制作。共制作了35块电路底板。拿到电路底板之后, 再购回所需的元器件, 就进入最后一步工作, 那就是进行实验电路板的组装焊接与调试。经过一番努力之后, 全部实验电路板得以顺利制作完成。图三所示为成品实验电路板的实物图。
最后的测试结果显示, 35块实验电路板的各项参数都十分接近, 偏差较小, 饱和及截止失真状态下的参数稳定, 失真波形明显而直观。电源电压接的情况下, 三极管不会烧坏, 都达到了设计的要求。新设计制作的35块共射极单管放大实验电路板, 在模拟电子实验室投入使用, 一直使用到现在, 已足有四年时间了。在使用的过程中, 这批实验电路板, 没有再发生原来实验板所存在的到问题, 那就是数据偏差大, 三极管T1容易烧坏的问题, 从而使老师批改实验报告的速度得以提高, 并使实验辅导老师的维护工作量大幅减少。