兩級阻容耦合放大電路在實驗教學中的研究

嚴琴+王巧蘭+張俊杰

[摘 要]兩級阻容耦合放大電路是較為經典的放大電路，應用廣泛，文章從仿真和實驗數據對比，分析了兩級阻容耦合電路中的靜態、動態特性，對動態小信號放大倍數的理解進行了詳細剖析，總結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工作點分析和動態分析。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果，學生可以很方便地對靜態工作點和最大不失真輸出波形進行研究。放大器的放大倍數較難理解，可以通過改變軟件中輸入電阻、輸出電阻等參數來觀察放大倍數的變化。

（一）靜態工作點

放大器要不失真地放大信號，必須設置合適的靜態工作點Q。如果靜態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生非線性失真。若工作點偏高，就可能產生飽和失真，工作點偏低，則可能產生截止失真，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、輸入輸出電阻的測量

1.仿真測量數據

放大器的動態參數有電壓放大倍數、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，應將靜態工作點調在交流負載線的中點。在放大器正常放大的狀態下，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），可以達到自動穩定工作點的需要，同時通過調節Rb11和Rb12，可以調節靜態工作點的位置，對于單管放大電路的最大不失真電壓的調節步驟為：在放大器正常放大的狀態下，逐漸增大輸入信號的幅度，同時調節Rb11（或Rb12），用示波器觀察輸出波形，當輸出波形同時出現削底和削頂（失真）現象時，說明靜態工作點已調在負載中點。若輸出波形先出現削底失真，說明三極管進入飽和區，則將靜態工作點調低（增大Rb11或減小Rb12）；若輸出波形先出現削頂失真，說明三極管進入截止區，則將靜態工作點調高（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為：

因此，放大電路的總放大倍數為AvL = Av1 × Av2 = 6966。

那么為什么第一級放大器的放大倍數比第二級放大器的放大倍數要低呢？

對于單級阻容耦合電路，Av = ，這里需要區分空載和帶載放大倍數，空載時放大倍數較大，帶載時由于并聯RL使RL減小，因此放大倍數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明顯低于第二級放大器的放大倍數。

放大倍數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，實驗中統一使用示波器進行測量，測量數據均為電壓峰峰值（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為同一數量級，以避免產生較大的測量誤差（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），通過萬用表測量數據為正弦信號的有效值VRMS，為了與實驗數據對比，將有效值轉換成峰峰值（Vpp=2）。這里的輸出電阻為動態電阻，因此不能用萬用表測量。仿真測量數據如表2所示。

通過仿真數據可以知道，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。根據仿真所測得的數據，可知帶載放大倍數約等于空載放大倍數的一半，這也就驗證了前面所分析的第一級放大器的放大倍數為什么小于第二級放大器的放大倍數。

這里仿真計算出來的帶載放大倍數與前面測量數據略有差別，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問題，并學會自己發現問題，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合，根據理論公式或是仿真軟件得出理論值，推算各參數對理論值的影響，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，從實驗操作中發現問題，啟發問題，解決問題。

根據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。輸入信號由信號發生器產生，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，如表3所示。

為什么會出現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與頻率的關系曲線，在中頻段，耦合電容和射極電容所呈現的阻抗很小，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電容與分布電容的影響均可忽略，此時電壓放大倍數為最大值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，使電壓放大倍數下降，通常將電壓放大倍數下降到中頻段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，仿真和實測數據如表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，因此選擇穩定性較高的微調多圈可調型電位器（3296W型 1KΩ），若使用單圈可調電位器，則可能由于電阻不穩定使輸入小信號不穩。

（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，都會出現放大倍數衰減的情況。

（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、信號發生器的公共端“地”應該與電源“地”相連，因此要特別注意。

結語

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，使得兩級的靜態工作點相互獨立、互不影響；由于放大倍數較大，放大電路輸入信號為級小信號，實驗中會出現各種電源、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。

[ 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].國防工業出版社，2009：88-115.

[特約編輯：張 雷]endprint