多諧振蕩器是一個古老的振蕩電路,是由Abraham, Bloch, Eccles, Jordan等人在1919年提出的電路。當年是采用電子管設(shè)計的電路。隨著1940年晶體管出現(xiàn)之后,采用晶體管設(shè)計的多諧振蕩器產(chǎn)生了。
下圖是一個實際可以工作的晶體管組成的多諧振蕩器,右邊給出了電路中的工作電壓波形。
如果僅僅看兩個三極管的基級電阻和集電極電阻的配置,三極管應(yīng)該都是工作在飽和狀態(tài),為什么該電路還能夠發(fā)生振蕩呢?為什么兩個三極管不都處于飽和狀態(tài)呢?
這就就要驗證,在三極管處于飽和狀態(tài),它是否還有信號放大能力。
在上述電路中,只要兩個三極管的信號放大能力的乘積大于1,該電路就能夠狀態(tài)切換,產(chǎn)生多諧振蕩。
下面分別對有NPN三極管組成的單管放大電路進行實驗驗證。
一、正常工作狀態(tài)下電路增益
1.實驗電路圖
下圖為單級放大電路的實驗電路圖
2.實驗電路理論分析
三級管T 1 T_1T1的工作點偏置電阻R 1 R_1R1,R p R_pRp分別是:
R 1 = 510 k Ω , R p = 86.9 k Ω R_1=510kOmega, R_p=86.9kOmegaR1=510kΩ,Rp=86.9kΩ
使用LCR表測量輸入端的等效電阻R i R_iRi=21.5kΩ OmegaΩ。
由于輸入電阻R i R_iRi等于R1,Rp以及三極管的輸入電阻的R b R_bRb并聯(lián)。
R i = R 1 / / R p / / R b R_i=R_1//R_p//R_bRi=R1//Rp//Rb
因此,可以求出三級的輸入電阻R b R_bRb=30.36kΩ OmegaΩ
如果假設(shè)三級的的集電極等效電阻為無窮大,那么該電路的負載阻抗為:R 2 / / R 4 = 2.56 k Ω R_2//R_4=2.56kOmegaR2//R4=2.56kΩ。使用LCR表實測(3)點的阻抗測量的阻抗R l = 2.38 Ω R_l=2.38OmegaRl=2.38Ω)
使用萬用表的Hfe測量得到三極管參數(shù): 型號8050; 電流放大倍數(shù)β etaβ=311。
理論上分析該單管放大電路小信號的增益為:
G a i n = β ? R l R b = 311 ? 2.38 30.36 = 24.4 ( 27.7 d b ) (hi) Gain=eta ag{hi}cdotfrac{R_l}{R_b}=311cdotfrac{2.38}{30.36}=24.4(27.7db)Gain=β?RbRl=311?30.362.38=24.4(27.7db)(hi)
3.實測電路小型號放大增益
使用信號源產(chǎn)生1kHz的正弦信號,幅值從0.35mV增加到35mV。通過數(shù)字萬用表真有效交流電壓檔分別測量輸入信號與輸出信號。然后計算在不同的輸入信號幅值下該電路的增益,如下圖所示:
隨著輸入信號幅值增加,單管放大電路的增益變化
實測顯示,該放大電路的信號增益在33db左右,比上面理論分析要大。
電路的增益隨著信號的幅值增加逐步降低。這是由于該電路工作在5V電源下。輸出信號的動態(tài)范圍理論上只有2.5V左右,考慮到三極管輸入和輸出的非線性,當信號幅值增加時,輸出信號發(fā)生失真。
下圖顯示了信號變化的情況。當輸入信號幅值增加,輸出信號呈現(xiàn)頂部飽和,底部截止的特性,這使得信號放大增益降低,輸出諧波增加。
二.三極管飽和狀態(tài)下電路增益
三極管設(shè)置在飽和狀態(tài)下,并不是沒有放大能力,只是電路的增益下降了。同時電路放大信號失真增加了。
1.電路電路圖
電路圖與上面的實驗電路相同,只是改變了R 1 , R 2 R_1, R_2R1,R2,使得三極管不再工作在放大區(qū)域,而是出于飽和狀態(tài)。
具體參數(shù)如下圖所示,電路中靜態(tài)工作點電壓也在圖中標示出。
單管NPN放大實驗電路,電路配置在飽和狀態(tài)下
由于晶體管的集電極電壓過低,只有0.026V,電路處于過飽和狀態(tài)。
使用TH2821A LCR表,去掉電阻R 3 R_3R3之后,測量電路在加電之后的輸入電阻:R i R_iRi=3090Ω OmegaΩ。
這是單管放大電路的輸入電阻,它等于R 1 R_1R1與晶體管T 1 T_1T1輸入電阻的并聯(lián):R i R_iRi=R i R_iRi//R t R_tRt。
由于R 1 R_1R1比較大,所以R i R_iRi基本上等于晶體管T 1 T_1T1的輸入電阻。
手持LCR表:TH2821A,用于測試放大電路的輸入電阻
下面測試該電路隨著輸入信號的幅值增加對應(yīng)的放大倍數(shù)。
使用信號發(fā)生器,產(chǎn)生1000Hz,幅值可調(diào)的信號作為放大電路的輸入信號。使用高頻真有效值萬用表分別測量單管放大電路的輸入和輸出信號,計算所對應(yīng)的電路的交流小信號的放大器增益。
下面給出了輸入信號的幅值從0.03mV增加至0.425mV過程中,放大電路的輸入輸出波形和幅值。
放大器的輸入輸出信號,在不同的輸入信號的幅值下對應(yīng)不同的輸出和放大增益
由于電路處在飽和狀態(tài),所以輸出的信號呈現(xiàn)放大的失真。
繪制電路增益隨著輸入信號幅度增加的變化曲線。隨著輸入信號的幅度增加,電路的增益很快從2db增加到24db。
飽和狀態(tài)下的三極管放大電路增益隨著輸入信號的幅值增加而增加
測試數(shù)據(jù)顯示,三極管配置在飽和狀態(tài)下,電路的增益比起前面工作在放大區(qū)的時候大大降低了。但是還是有一定的信號放大能力的。
飽和狀態(tài)下的電路增益,隨著信號的輸入增加增加。這一點與前面三極管工作在放大區(qū)也是有很大的區(qū)別的。
將R 1 R_1R1更換成100kΩ OmegaΩ,電路進入更深的飽和狀態(tài)。在這種情況下繼續(xù)測試電路的增益與輸入信號的幅值之間的關(guān)系。
將$T_1$的偏執(zhí)電阻$R_1$更換成100k$Omega$,電路的輸入輸出波形
下圖繪制了電路的增益隨著輸入信號幅值增加而變化的情況。當輸入信號的幅值小于10mV的時候,電路的增益小于0dB。此時電路不具備放大特性。
飽和狀態(tài)下的三極管放大電路增益隨著輸入信號的幅值增加而增加
將R 1 R_1R1更換成51kΩ OmegaΩ,電路再進一步更深的飽和狀態(tài)。
電路的增益隨著輸入信號的增益做緩慢增益。值得注意的是,當信號的輸入幅度小于23mV的時候,電路增益小于0dB。
飽和狀態(tài)下的三極管放大電路增益隨著輸入信號的幅值增加而增加
將上面三種偏執(zhí)電阻R1的電路增益隨著輸入信號的增加而變化曲線繪制在同一張圖上,對比如下:
從上面的結(jié)果可以看出,當電路進入更深的飽和時,電路的增益進一步下降。它們的增益隨著輸入信號幅值的增益而上升。
三、單管放大電路增益與工作電壓之間的關(guān)系
將三極管單級放大電路配置在飽和狀態(tài)下,實驗研究電路的交流小信號增益與工作電壓VCC之間的關(guān)系。根據(jù)第二節(jié)中實驗結(jié)果,此時工作在飽和狀態(tài)下的三極管放大電路的增益與輸入信號的幅值也有關(guān)系,所以在下面實驗中使用三種不同輸入信號的幅值進行實驗研究。
1.實驗電路圖
實驗電路仍然使用上面電路的框架,對于三極管T 1 T_1T1的偏置電阻R 1 R_1R1和工作電路R 2 R_2R2分別取100kΩ OmegaΩ和20kΩ OmegaΩ。
這種配置在工作電壓VCC=5V的情況下,三極管處于飽和狀態(tài),集電極電壓只有0.0196V。
2. 實驗數(shù)據(jù)
仍然使用信號源產(chǎn)生1kHz的正弦波信號,分別設(shè)置輸入信號的幅值為17mV,
(1) 輸入信號幅值為17mV時電路放大性能。
飽和狀態(tài)下三極管的工作電壓VCC從0V一直增加到5V,電路的輸入和輸出信號動態(tài)變化過程如下面動圖所示。
電路的增益如下圖所示。當VCC大于0.6V之后,電路開始有了放大能力。當VCC增加到2.7V的時候,電路放大倍數(shù)增加到最大,大約是4.2。隨后,隨著工作電壓的增加,電路的增益反而下降。
之所以造成上面放大倍數(shù)隨著工作電壓增加反而下降的原因,是由于電路的輸入阻抗隨著VCC的增加,上升了。
(2)輸入信號為7mV時電路增益
輸入信號幅值為7mV時,將工作電壓VCC從0V遞增至5V,電路的輸入輸出信號的變化情況如下圖所示。
電路的放大特性如下圖所示。
觀察到在工作電壓小于0.5V的時候,電路實際上處于截止狀態(tài)。之所以前面的增益似乎在1左右,應(yīng)該從上面的波形圖上可以看出,此時由于電路處于截止,實際上輸入,輸出部分有高頻的干擾信號,使得輸出的交流成分增加。但實際上它們并不是實際輸入信號的放大信號。
同樣,隨著工作電壓增加到5V,電路的整體增益一直下降。在工作電壓大于3.2V之后,信號的增益小于1。
(3)輸入信號幅值為27mV時,放大電路的增益
輸入信號的幅值設(shè)定為27mV,將工作電壓從0V增加到5V,放大電路的輸入輸出信號的波形如下圖所示:
放大電路的增益隨著工作電壓的增加而增加,如下圖所示:
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