两级阻容耦合放大电路在实验教学中的研究

严琴+王巧兰+张俊杰

[摘 要]两级阻容耦合放大电路是较为经典的放大电路，应用广泛，文章从仿真和实验数据对比，分析了两级阻容耦合电路中的静态、动态特性，对动态小信号放大倍數的理解进行了详细剖析，总结归纳了实验中存在的干扰和消除方法。

[关键词]阻容耦合；放大电路；multisim

[中图分类号] TN722 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2017）11-0090-04

耦合放大电路有直流耦合、阻容耦合放大电路和变压器耦合等几种形式。两级阻容耦合放大电路由于前级和后级之间通过电容相连，各级的静态工作点都相互独立、互不影响，只要耦合电容选得足够大，就可以做到前一级的输出信号在一定的频率范围内几乎不衰减地加到后一级的输入端，使信号得到充分的利用。[1]对于频率很低的信号，耦合电容器的容抗很大，信号的传输效率太低，因此阻容耦合方式多用于各种频率的小信号放大电路。

文中分析两级耦合放大电路，将对其进行直流静态工作点分析和动态分析。两级阻容耦合放大电路如图1所示。C1、C2是耦合电容，电容器与前级输出阻抗和后级输出阻抗构成阻容耦合电路。

一、Multisim软件的应用与实验测量

Multisim软件提供了强大的学习功能和实验室硬件集成，可以帮助学生更方便轻松地学习电工电路、模拟、数字和电力电子的基本概念和理论知识，有利于提高学生的分析设计能力。

阻容耦合放大电路的教学过程中，通过软件仿真的方法可以找寻理论结果，学生可以很方便地对静态工作点和最大不失真输出波形进行研究。放大器的放大倍数较难理解，可以通过改变软件中输入电阻、输出电阻等参数来观察放大倍数的变化。

（一）静态工作点

放大器要不失真地放大信号，必须设置合适的静态工作点Q。如果静态工作点选择不当或输入信号过大，都可能使输出电压波形产生非线性失真。若工作点偏高，就可能产生饱和失真，工作点偏低，则可能产生截止失真，若输入信号幅度过大，即使工作点合适，也可能同时出现饱和失真和截止失真。这里，工作点“偏高”或“偏低”不是绝对的，而是相对于输入信号的幅度而言。

为获得最大不失真输出电压，静态工作点应选在输出特性曲线上交流负载线中点。若放大器对小信号进行放大，输出幅度较小时，Q点则不一定要选在交流负载线的中点，一般前置放大器的工作点都选得低一些，有利于降低功耗，减少噪声，并提高输入阻抗。[2]

图1中采用了电流负反馈分压式偏置电路（Rb11、Rb12分压），可以达到自动稳定工作点的需要。由于IRb12>>Ib1，则VB1≈ × VCC。

实验采用晶体管3DG6，仿真及测量静态值如表1所示，考虑精密电阻1%的误差和实验测量仪表的误差，测量实验值与仿真值可视为基本一致。

（二）放大倍数、输入输出电阻的测量

1.仿真测量数据

放大器的动态参数有电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真输出电压和通频带等。为了得到最大不失真电压，应将静态工作点调在交流负载线的中点。在放大器正常放大的状态下，逐渐增大输入信号的幅度，用示波器观察输出Uo2的波形，使波形幅度最大且无明显失真。[3]

实验教学中采用了电流负反馈分压式偏置电路（Rb11、Rb12分压），可以达到自动稳定工作点的需要，同时通过调节Rb11和Rb12，可以调节静态工作点的位置，对于单管放大电路的最大不失真电压的调节步骤为：在放大器正常放大的状态下，逐渐增大输入信号的幅度，同时调节Rb11（或Rb12），用示波器观察输出波形，当输出波形同时出现削底和削顶（失真）现象时，说明静态工作点已调在负载中点。若输出波形先出现削底失真，说明三极管进入饱和区，则将静态工作点调低（增大Rb11或减小Rb12）；若输出波形先出现削顶失真，说明三极管进入截止区，则将静态工作点调高（增大Rb12或减小Rb11）。

通过电路仿真软件Multisim 12.0对该电路进行仿真测量，可以得出最大不失真输出电压下，输入信号Uipp约为650uV，第一级输出电压Uo1pp≈ 39.52mV，Uo2pp≈ 4.18V。由此可分别计算出放大电路的第一级和第二级放大倍数为：

因此，放大电路的总放大倍数为AvL = Av1 × Av2 = 6966。

那么为什么第一级放大器的放大倍数比第二级放大器的放大倍数要低呢？

对于单级阻容耦合电路，Av = ，这里需要区分空载和带载放大倍数，空载时放大倍数较大，带载时由于并联RL使RL减小，因此放大倍数AV下降，此时RL = RL‖RC，如图3所示。由于第二级放大电路的输入阻抗作为了第一级放大电路的负载，且输入阻抗较低，因此第一级放大器的放大倍数明显低于第二级放大器的放大倍数。

放大倍数的测量通常采用示波器比较测量方法（适用于非正弦电压）和交流电压表测量（适用于正弦电压），由于两级放大电路的输入信号较小，实验中统一使用示波器进行测量，测量数据均为电压峰峰值（Vpp）。

输入电阻是从放大器输入端看进去的交流等效电阻，是以暗中采用换算法来测量，即在输入端（Rp和C1之间）串入一个R=1KΩ的固定电阻，分别测量这个1KΩ电阻两端对地电压Ui和Ui。注意电阻R不宜过大或过小，应选择与ri为同一数量级，以避免产生较大的测量误差（该方法仅适用于放大器输入阻抗远远小于测量仪器输入阻抗条件下）。endprint

输出电阻的测量通过带载和空载的输出电压来计算，注意需要保证RL接入前后输入信号保持不变。同时测量UOC（UO2的开路电压）和UOL（UO2的带载电压），通过万用表测量数据为正弦信号的有效值VRMS，为了与实验数据对比，将有效值转换成峰峰值（Vpp=2）。这里的输出电阻为动态电阻，因此不能用万用表测量。仿真测量数据如表2所示。

通过仿真数据可以知道，放大器带载和空载两种情况下，对输出Uo1没有影响，而Uo2是不一样的，带载情况下AvL = Av1 × Av2 = 7119。，空载时Av = 14304 ≈ 2AvL。根据仿真所测得的数据，可知带载放大倍数约等于空载放大倍数的一半，这也就验证了前面所分析的第一级放大器的放大倍数为什么小于第二级放大器的放大倍数。

这里仿真计算出来的带载放大倍数与前面测量数据略有差别，主要在于这里为了测量输入电阻，在输入端加入了1KΩ的电阻，导致输入电压变化。

2.实验测量

学习是从理论过渡实践，实践验证理论的一个过程，实验中不可避免出现很多问题，可能是三极管类型、引脚识别、电阻阻值选择、极性电容方向等等，实验应该允许学生出现问题，并学会自己发现问题，找寻问题根源，这是我们实验教学的基本。如果只是把答案和问题原因告诉学生，就会失去实验的兴趣，所以从软件仿真再到具体实验操作是必要的，因为实验操作中，存在着一些各种干扰、误差影响。

实验教学中，我们采用的教学方式为多媒体教学与演示教学相结合，根据理论公式或是仿真软件得出理论值，推算各参数对理论值的影响，实际操作接线时，对于难度较大的电路，老师给予一定的演示指导，从实验操作中发现问题，启发问题，解决问题。

根据两级耦合放大电路的原理图图1焊接电路，电路实物如图4所示。输入信号由信号发生器产生，通过示波器观察放大器的输入、输出波形，测量输入和第二级输出波形如图5所示。

测量时为避免不必要的感应和干扰，必须将所有测量仪器公共端与放大器公共端（COM接地端）连接在一起，测量过程中，应适当选择输入信号（幅度、频率），通过示波器观察输出波形，在不失真条件下，应尽量加大输入信号幅度，以避免输入信号太小易受干扰。在最大不失真输出电压下，选择输入信号为6mVpp 、1KHz的正弦波，经过1KΩ滑变降压后Uipp=0.6mV，在输入端（Rp和C1之间）串入一个R=1KΩ的固定电阻，分别测量R两端对地电压Uipp和Uipp，示波器观察测量放大电路的输入、输出电压，并计算两级放大电路的放大倍数，如表3所示。

为什么会出现实测值比仿真值要小呢？可以从仪器和电路两方面考虑，仿真软件的仪器仪表内阻均为理想值，精度高，而实验中由于测量仪器精度限制，存在仪器误差；电路中放大器的输入信号较小（uV级），也会导致人为读数造成的误差±1%，电路中精密电阻误差±20%，极性电容误差，因此实际测量值会比仿真理论值小。忽略这些误差，测量的放大倍数可视为与仿真值一致。

（三）放大器上、下限频率的测量

放大器的幅频特性，是指放大器的电压放大倍数与频率的关系曲线，在中频段，耦合电容和射极电容所呈现的阻抗很小，可以视为短路，同时晶体管的β值受频率变化的影响及频率对晶体管结电容与分布电容的影响均可忽略，此时电压放大倍数为最大值Av = Avm 。在低频段和高频段，由于上述各种因素的影响不可忽略，使电压放大倍数下降，通常将电压放大倍数下降到中频段Avm的0.707倍时所对应的频率，称为放大器的上限频率fH和下限频率fL。

实验测量中，保持输入信号Uipp=0.6mV（即V1=6mV）不变，当f=1KHz时，用示波器观察并测量输出电压VOL。当频率从1KHz向高端增大时，使输出电压下降到0.707VOL时，记录此时信号发生器的频率即fH；同样，当频率向低端减小时，使输出电压下降到0.707VOL时，记录此时信号发生器的频率即fL。测量过程中应保持输入信号不变，且波形不失真，仿真和实测数据如表4所示。

二、实验过程中的注意事项

（一）交流小信号输入端1KΩ滑动变阻器的选择，由于两级阻容耦合放大电路的放大器倍数较大，为使输出信号不失真，要求输入的交流小信号达到了uV级，因此选择稳定性较高的微调多圈可调型电位器（3296W型 1KΩ），若使用单圈可调电位器，则可能由于电阻不稳定使输入小信号不稳。

（二）耦合电容C1、C2的极性问题，这两个耦合电容不能接反，一般电容正端接高电位，负端接低电位，电容处于正向耐压，若是电容极性接反，电容上的电压大于电容耐压值时，可能会使电容发热击穿短路爆炸，损坏电路。

（三）实验中输入信号较小，容易受电源干扰较大，因此，需选择干扰较小的稳压电源。

（四）輸入小信号的频率选择合适，两级阻容耦合放大电路的带宽较单级放大电路要窄，应选择中频段的输入信号，实验中选择1KHz的正弦小信号，当信号频率太大或太小时，由于放大器本身的频率特性，都会出现放大倍数衰减的情况。

（五）共地：电源“地”与信号“地”需要共地，对于电源和信号的电压都是对“地”的电势差，实验中常常容易“忽略”这个问题，所有测量仪器如示波器、信号发生器的公共端“地”应该与电源“地”相连，因此要特别注意。

结语

通过对两级阻容耦合放大电路的仿真和实验可知，两级阻容耦合放大电路的放大能力远大于单管放大电路；由于耦合电容的存在，使得两级的静态工作点相互独立、互不影响；由于放大倍数较大，放大电路输入信号为级小信号，实验中会出现各种电源、信号干扰的问题，并注意所以测量仪器公共端“共地”；文章从仿真与实验测量两方面，分析对比了静态工作点对放大器的影响及放大器输入、输出阻抗和放大倍数。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 王廷才，陈昊.电工电子技术Multisim10仿真实验[M].第2版，机械工业出版社，2011：34-40.

[2] 刘舜奎，林小榕.电子技术实验教程[M].第2版，厦门大学出版社，2010：41-42.

[3] 林育兹，李继芳.电工学实验[M].第2版，高等教育出版社，2016：290.

[4] 华成英，童诗白.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社，2006：249-251.

[5] 刘建清，等.从零开始学电路仿真Multisim与电路设计Pro？鄄tel技术[M].国防工业出版社，2009：88-115.

[特约编辑：张 雷]endprint