单级交流放大电路实验教学方法探索
摘要：单级交流放大电路是模拟电子线路实验课中的重要教学内容，是学习其他复杂放大电路的基础。本文从实验原理解析和实验数据分析两方面入手，探索了提升单级交流放大电路实验教学效果的新方法。
关键词：单级交流放大电路；静态工作点；交流电压增益
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）18-0260-02
在大学模拟电子线路实验课中，单级交流放大电路是组成两级放大电路、两级负反馈放大电路、文氏桥振荡器等各种复杂放大电路的基础，能否让学生理解实验原理，掌握实验方法，得到正确的实验结论，直接影响到后续实验课的教学效果。另外，本门课程属于电子信息类公共基础实验课，面向物理、材料、计算机、电子等多个学科的不同专业设课，因此还需要根据教学实验计划及对不同专业学生的教学要求，调整实验教学的内容与难度。笔者基于多年对模拟电子线路实验课的教学经验，从实验原理解析和实验数据分析两方面入手，探索了提升单级交流放大电路实验教学效果的新方法。
一、静态工作点的实验教学方法
1.静态工作点的概念解析。单级交流放大电路实验是模拟电子线路实验课中学生接触的第一个放大电路实验，对于调节静态工作点的目的和作用尚不十分清楚，很多学生甚至不调整静态工作点就开始进行小信号放大的实验，因此系统地给学生讲解静态工作点的概念、调整静态工作点的作用以及如何调整静态工作点就显得十分必要。单级交流放大电路是由三极管搭建的共射极放大电路，在电路工作时三极管可能处于饱和、截止和放大三种工作状态，其中，截止和饱和是两种极限状态，分别对应放大电路输出最高电压和最低电压时三极管的工作情况。调整静态工作点的目的是使三极管在放大电路工作过程中始终保持在放大区，能够在一定的交流信号输入范围内放大该信号，使其在放大器的输出端即不出现饱和失真，也不出现截止失真。
2.静态工作点的调整方法。单级交流放大电路的性能与静态工作点的位置有着非常密切地关系，而静态工作点是由三极管参数和放大电路中偏置电路的设计共同决定的。构成静态工作点的四个基本要素是三极管的基极电流Ib、集电极电流Ic、基极射极间结压降Vbe和集电极射极间管压降Vce。通过推导四个要素之间的关系公式，可以让学生了解各要素之间的联系，进而理解调整静态工作点的整个过程[1]。在不考虑三极管本身参数变化的情况下，偏置电路的设计十分关键，在模拟电子线路实验课中一般采用具有上下偏置电阻结构的偏置电路，利用变阻器改变上偏置电阻的阻值来调节静态工作点，其工作过程为：增大上偏置电阻，Ib减小，Ic增大（Ic=βIb），Vce减小（Vce=Vcc-IcRc），反之亦然；公式中β为三极管交流电流放大倍数、Vcc为电源电压、Rc为集电极电阻、Re为射极电阻。由静态工作点分析理论可知，静态工作点位于三极管输出特性曲线与放大电路直流负载线的交点处，为使静态工作点尽量原理三极管的截止和饱和工作区，其位置一般被定在直流负载线的中点，该点对应的Vce电压大小正好是电源电压的一半。因此，在实验中可操作性最强、最为简单可靠的确定合适静态工作点的方法为：利用万用表监测集电极和射极间管压降Vce，调整作为上偏置电阻的变阻器阻值，直到Vce等于电源电压的一半。经多年实验教学检验，学生不仅容易理解采用该方法调整静态工作点的原理，而且使用该方法快速、恰当地调整静态工作点的成功率几乎为100%。
3.提高静态工作点稳定性的方法。三极管是一种温度敏感器件，当环境温度发生变化时，其参数必然也随之发生改变，从而导致静态工作点的变化。受温度影响最大的两个参数分别为Vbe和β：对于大多数三极管（硅管和锗管）Vbe的温度系数为-2.2mV/℃，即Vbe随温度的升高缓慢减小；β的变化趋势正好相反，温度每升高1℃，β要增加0.5%～1.0%[2]。由此，在单级交流放大电路的其他条件保持不变的情况下，温度升高导致β值变大，引起三极管输出特性曲线变宽且同步上移，当基极电流Ib保持不变时，集电极电流Ic变大，这些变化最终都会导致静态工作点相对于原位置向三极管的饱和区移动，从而使电路更容易出现饱和失真。
解决温度变化给单级交流放大电路静态工作点带来不稳定性的方法主要有两种：（1）采用温度补偿器件，如二极管或负温度系数的热敏电阻，接到下偏置电路中；（2）采用具有上下偏置电阻结构的偏置电路，并在三极管发射极与地之间串接一只阻值适当的直流负反馈电阻Re。在模拟电子线路实验课中通常采用后一种方法：利用具有上下偏置电阻结构的分压式偏置电路使基极电压Vb被钳位在一固定值，加入Re后随着温度的升高，β值变大，Ic增大，在电阻Re上产生的压降Ve增大（Ve≈IcRe），Vbe减小（Vbe=Vb-Ve），根据三极管输入特性曲线，Ib随Vbe的减小而减小，进而又导致Ic减小，由此抑制了集电极电流Ic的继续增长，最终使静态工作点的位置保持不变。
加入直流负反馈电阻Re后，虽然带来了稳定电路静态工作点的好处，却在放大器的小信号等效电路中的相应位置也引入了电阻Re，从而使放大器的交流电压放大倍数从-β（Rc//RL）/rbe衰减到-β（Rc//RL）/（rbe+（1+β）Re），公式中rbe为基极射极间等效电阻、RL为负载电阻。为消除电阻Re对电压增益的衰减作用，可以在Re上并联一旁路电容Ce，在放大器的小信号等效电路中Ce相当于导线将Re短路，消除了其对交流分量的影响，从而达到在提高静态工作点稳定性的同时不损失交流电压增益的理想效果。在做实验时，要让学生针对在三极管发射极与地之间不串接Re、串接Re和串接Re与Ce的并联电路这三种情况，分别测试放大器输出电压的变化，通过对实验数据的比较和分析，得到Re对放大电路电压增益影响的实验结论，并由此加深对理论的理解。
二、交流电压放大倍数的实验教学方法
适当调整放大电路的静态工作点后，可以保证输入交流信号被放大-β（Rc//RL）/rbe倍后在电路输出端最大不失真地输出。传统实验教学实例仅会选取小范围变化的Rc和RL，让学生观察集电极电阻和负载电阻对单级交流放大电路交流电压增益的影响，而这两个电阻对增益的作用从公式上已经一目了然了。在新的实验教学方法中，力求挖掘两电阻对电路交流电压放大倍数更深层次的影响。
1.负载电阻RL变化对输出信号的深层影响。在理论上，RL的变化除了影响交流电压放大倍数外，还会改变电路的交流负载线斜率，其表达式为-1/（Rc//RL），即随着负载电阻的减小，交流负载线的斜度越来越大，这样虽然静态工作点的位置没变，但该点相对于三极管截止区的距离变短而相对于饱和区的距离变长，导致输出信号更容易产生截止失真。为了在实验中得到该实验现象，就要在未接入RL前通过增大输出电压将输出电压调至最大不失真，然后接入适当的RL，此时，在示波器上即可观察到输出信号在幅度降低的同时，波形的顶端变平，即出现了截止失真。
2.集电极电阻Rc变化对输出信号的深层影响。在理论上，Rc的变化除了影响交流电压放大倍数外，还会改变电路的直流负载线斜率（-1/Rc）、交流负载线斜率（-1/（Rc//RL））以及电路的输出电阻Ro。在本实验教学中，主要对交、直流负载线斜率的变化进行实验测试。随着Rc的增大，交流负载线的斜度越来越小，而由于Ib没变，三极管输出特性曲线位置不变，因此，静态工作点只能沿着输出特性曲线水平向左移动，从而更加接近饱和区，导致输出信号更容易产生饱和失真。为了在实验中得到该实验现象，只需在保持输出信号不变的情况下增大传统实验教学中Rc的变化范围，当Rc足够大时，在示波器上除可观察到输出信号幅度增大外，还会观察到波形的底部变平的现象，即出现了饱和失真。
三、通频带的实验教学方法
通频带表征的是一种放大电路对不同频率交流信号的放大能力。存在于放大电路中的电感、电容和三极管极间电容等元件会将频率参量引入电路的放大倍数公式中，从而使放大倍数成为信号频率的函数。输入信号的频率过低或过高，都会导致放大倍数的降低：当信号频率减小到一定程度，使放大倍数衰减至中频时的0.707倍，该频率称为下限截止频率fL；当信号频率增大到一定程度，也使放大倍数衰减至中频时的0.707倍，该频率称为上限截止频率fH；下限截止频率和上限截止频率之间的频带即为放大电路的通频带fbw。通频带宽的放大电路对不同频率信号的适应性强，而通频带窄的放大电路可以避免不需要的频率成分对电路的干扰，因此掌握通频带的相关知识对电子信息类学生是非常重要的。
每个放大电路都有其通频带，为了让学生理解通频带的概念，了解放大电路的频率响应特性，在单级交流放大电路实验中应加入相关实验。在实验的实际操作中，应使用本身通频带范围较宽的交流毫伏表作为交流电压测量仪器。首先，让学生在1kHz的中频段，通过调节输入信号的幅度将单级交流放大电路输出电压的有效值调至1伏特，将此时得到的中频放大倍数作为后续实验的参考。然后，在保持输入信号幅度不变的条件下，逐渐降低输入信号的频率，当交流毫伏表显示的输出信号有效值下降到0.707伏特时停止频率调节，并记录下该频率数据。因为在整个频率调节过程中输入信号的幅度保持不变，而输出信号的幅度下降，这说明电路的放大倍数随频率变化产生了衰减，所以按照下限截止频率的定义，此时测得的频率即为fL。同理，逐渐增大输入信号频率，使交流毫伏表显示的输出信号有效值再次下降到0.707伏特时，测得的频率即为fH。最后，将fH与fL做差即可得到通频带fbw的实验结果。经历上述实验过程，可使学生直观地体会出频率对交流放大倍数的影响，甚至可以通过对逐个频点的测量直接绘制出该单级交流放大电路的频率响应曲线，这对于模拟电子线路实验后续各类放大电路的学习都有很大帮助。
四、教学效果与评价
实践表明，通过以上对实验教学方法的改进显著提高了教学效果：首先，学生能更加从原理上理解调整静态工作点的意义，掌握更为简单实用的静态工作点调整方法及稳定静态工作点的手段；其次，学生能够更加深入地体会到负载电阻、集电极电阻等电路参数对三级管工作状态和放大器电压增益的影响，从而为后续各种复杂放大电路的学习奠定坚实的基础。
参考文献：
[1]莫燕平.“单管交流放大电路”的教学[J].职业技术教育，2007，（8）.
[2]贾春，贾海天.交流放大器实验教学定性分析[J].科技创新与应用，2012，（3）.