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三极管饱和状态下增益

时间:2022-08-03 17:19:00 三极管r档

??多谐振荡器是一种古老的振荡电路Abraham, Bloch, Eccles, Jordan等待人们在1919年提出的电路。设计的电路。随着1940年晶体管的出现,晶体管设计的多谐振荡器应运而生。

??下图是由实际晶体管组成的多谐振荡器,右侧给出电路中的工作电压波形。

??如果仅仅看两个三极管的基级电阻和集电极电阻的配置,三极管应该都是工作在饱和状态,为什么该电路还能够发生振荡呢?为什么两个三极管不都处于饱和状态呢?


??这需要验证三极管饱和时是否有信号放大能力。
??在上述电路中,只要两个三极管的信号放大能力乘积大于1,电路就可以在状态下切换,产生多谐振荡。

??以下是对有NPN单管放大电路由三极管组成进行实验验证。

一、电路在正常工作状态下的增益

1.实验电路图

??下图为单级放大电路实验电路图

▲ 实验电路

2.实验电路理论分析

??三级管 T 1 T_1 T1工作点偏置电阻 R 1 R_1 R1 R p R_p Rp分别是:
R 1 = 510 k Ω , R p = 86.9 k Ω R_1=510k\Omega, R_p=86.9k\Omega R1=510kΩ,Rp=86.9kΩ
  使用LCR表测量输入端的等效电阻 R i R_i Ri=21.5k Ω \Omega Ω
  由于输入电阻 R i R_i Ri等于R1,Rp以及三极管的输入电阻的 R b R_b Rb并联。
R i = R 1 / / R p / / R b R_i=R_1//R_p//R_b Ri=R1//Rp//Rb
  因此,可以求出三级的输入电阻 R b R_b Rb=30.36k Ω \Omega Ω

  如果假设三级的的集电极等效电阻为无穷大,那么该电路的负载阻抗为: R 2 / / R 4 = 2.56 k Ω R_2//R_4=2.56k\Omega R2//R4=2.56kΩ。使用LCR表实测(3)点的阻抗测量的阻抗 R l = 2.38 Ω R_l=2.38\Omega Rl=2.38Ω

  使用万用表的Hfe测量得到三极管参数: 型号8050; 电流放大倍数 β \beta β=311。
  理论上分析该单管放大电路小信号的增益为:
G a i n = β ⋅ R l R b = 311 ⋅ 2.38 30.36 = 24.4 ( 27.7 d b ) (hi) Gain=\beta\tag{hi}\cdot\frac{R_l}{R_b}=311\cdot\frac{2.38}{30.36}=24.4(27.7db) Gain=βRbRl=31130.362.38=24.4(27.7db)(hi)

3.实测电路小型号放大增益

  使用信号源产生1kHz的正弦信号,幅值从0.35mV增加到35mV。通过数字万用表真有效交流电压档分别测量输入信号与输出信号。然后计算在不同的输入信号幅值下该电路的增益,如下图所示:


随着输入信号幅值增加,单管放大电路的增益变化
  实测显示,该放大电路的信号增益在33db左右,比上面理论分析要大。

  电路的增益随着信号的幅值增加逐步降低。这是由于该电路工作在5V电源下。输出信号的动态范围理论上只有2.5V左右,考虑到三极管输入和输出的非线性,当信号幅值增加时,输出信号发生失真。

  下图显示了信号变化的情况。当输入信号幅值增加,输出信号呈现顶部饱和,底部截止的特性,这使得信号放大增益降低,输出谐波增加。

二.三极管饱和状态下电路增益

  三极管设置在饱和状态下,并不是没有放大能力,只是电路的增益下降了。同时电路放大信号失真增加了。

1.电路电路图

  电路图与上面的实验电路相同,只是改变了 R 1 , R 2 R_1, R_2 R1,R2,使得三极管不再工作在放大区域,而是出于饱和状态。
  具体参数如下图所示,电路中静态工作点电压也在图中标示出。


单管NPN放大实验电路,电路配置在饱和状态下

  由于晶体管的集电极电压过低,只有0.026V,电路处于过饱和状态。

  使用TH2821A LCR表,去掉电阻 R 3 R_3 R3之后,测量电路在加电之后的输入电阻: R i R_i Ri=3090 Ω \Omega Ω
  这是单管放大电路的输入电阻,它等于 R 1 R_1 R1与晶体管 T 1 T_1 T1输入电阻的并联: R i R_i Ri= R i R_i Ri// R t R_t Rt
  由于 R 1 R_1 R1比较大,所以 R i R_i Ri基本上等于晶体管 T 1 T_1 T1的输入电阻。


手持LCR表:TH2821A,用于测试放大电路的输入电阻

  下面测试该电路随着输入信号的幅值增加对应的放大倍数。
  使用信号发生器,产生1000Hz,幅值可调的信号作为放大电路的输入信号。使用高频真有效值万用表分别测量单管放大电路的输入和输出信号,计算所对应的电路的交流小信号的放大器增益。

  下面给出了输入信号的幅值从0.03mV增加至0.425mV过程中,放大电路的输入输出波形和幅值。


放大器的输入输出信号,在不同的输入信号的幅值下对应不同的输出和放大增益
  由于电路处在饱和状态,所以输出的信号呈现放大的失真。

  绘制电路增益随着输入信号幅度增加的变化曲线。随着输入信号的幅度增加,电路的增益很快从2db增加到24db。


饱和状态下的三极管放大电路增益随着输入信号的幅值增加而增加
  测试数据显示,三极管配置在饱和状态下,电路的增益比起前面工作在放大区的时候大大降低了。但是还是有一定的信号放大能力的。

  饱和状态下的电路增益,随着信号的输入增加增加。这一点与前面三极管工作在放大区也是有很大的区别的。

  将 R 1 R_1 R1更换成100k Ω \Omega Ω,电路进入更深的饱和状态。在这种情况下继续测试电路的增益与输入信号的幅值之间的关系。


将$T_1$的偏执电阻$R_1$更换成100k$\Omega$,电路的输入输出波形

  下图绘制了电路的增益随着输入信号幅值增加而变化的情况。当输入信号的幅值小于10mV的时候,电路的增益小于0dB。此时电路不具备放大特性。


饱和状态下的三极管放大电路增益随着输入信号的幅值增加而增加

  将 R 1 R_1 R1更换成51k Ω \Omega Ω,电路再进一步更深的饱和状态。

  电路的增益随着输入信号的增益做缓慢增益。值得注意的是,当信号的输入幅度小于23mV的时候,电路增益小于0dB。


饱和状态下的三极管放大电路增益随着输入信号的幅值增加而增加

  将上面三种偏执电阻R1的电路增益随着输入信号的增加而变化曲线绘制在同一张图上,对比如下:


  从上面的结果可以看出,当电路进入更深的饱和时,电路的增益进一步下降。它们的增益随着输入信号幅值的增益而上升。

三、单管放大电路增益与工作电压之间的关系

  将三极管单级放大电路配置在饱和状态下,实验研究电路的交流小信号增益与工作电压VCC之间的关系。根据第二节中实验结果,此时工作在饱和状态下的三极管放大电路的增益与输入信号的幅值也有关系,所以在下面实验中使用三种不同输入信号的幅值进行实验研究。

1.实验电路图

  实验电路仍然使用上面电路的框架,对于三极管 T 1 T_1 T1的偏置电阻 R 1 R_1 R1和工作电路 R 2 R_2 R2分别取100k Ω \Omega Ω和20k Ω \Omega Ω

  这种配置在工作电压VCC=5V的情况下,三极管处于饱和状态,集电极电压只有0.0196V。

2. 实验数据

  仍然使用信号源产生1kHz的正弦波信号,分别设置输入信号的幅值为17mV,

(1) 输入信号幅值为17mV时电路放大性能。

  饱和状态下三极管的工作电压VCC从0V一直增加到5V,电路的输入和输出信号动态变化过程如下面动图所示。


  电路的增益如下图所示。当VCC大于0.6V之后,电路开始有了放大能力。当VCC增加到2.7V的时候,电路放大倍数增加到最大,大约是4.2。随后,随着工作电压的增加,电路的增益反而下降。


  之所以造成上面放大倍数随着工作电压增加反而下降的原因,是由于电路的输入阻抗随着VCC的增加,上升了。

(2)输入信号为7mV时电路增益

  输入信号幅值为7mV时,将工作电压VCC从0V递增至5V,电路的输入输出信号的变化情况如下图所示。


  电路的放大特性如下图所示。

  观察到在工作电压小于0.5V的时候,电路实际上处于截止状态。之所以前面的增益似乎在1左右,应该从上面的波形图上可以看出,此时由于电路处于截止,实际上输入,输出部分有高频的干扰信号,使得输出的交流成分增加。但实际上它们并不是实际输入信号的放大信号。


  同样,随着工作电压增加到5V,电路的整体增益一直下降。在工作电压大于3.2V之后,信号的增益小于1。

(3)输入信号幅值为27mV时,放大电路的增益

  输入信号的幅值设定为27mV,将工作电压从0V增加到5V,放大电路的输入输出信号的波形如下图所示:


  放大电路的增益随着工作电压的增加而增加,如下图所示:

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