模拟电子技术实验及综合设计(西电版)第1章 模拟电子技术实验

第1章　模拟电子技术实验　常用电子仪器的使用　单管放大电路的研究　单管放大电路的负载线及其最大不失真输出的研究　负反响放大器　电压并联负反响放大器根本特性研究　差动放大电路性能测试的研究　差动放大电路共模输入电压范围的研究　运算放大器的根本运算　积分器与三角波发生器特性研究　正弦波发生器的　低频功率放大器的设计　集成功放的性能测试　　　1.1常用电子仪器的使用　　1.实验目的　　〔1〕熟悉信号发生器、交流毫伏表、双踪示波器、直流稳压电源、万用表的根本性能。　　〔2〕初步掌握上述仪器的根本使用方法。　　2.预习要求　　〔1〕认真阅读附录中关于DG1022型双通道函数/任意波形发生器、YB2173F双路智能数字交流毫伏表以及DS1000系列双踪数字示波器的使用说明。　　〔2〕复习交流电压幅值、峰-峰值和有效值之间的关系。　　3.实验原理　　〔1〕模拟电子技术实验系统组成。在模拟电子技术实验中，经常使用的电子仪器有示波器、函数信号发生器、直流稳压电源、交流毫伏表等，它们和万用表一起构成模拟电子技术实验系统，可以完成对模拟电路的静态和动态工作情况的测试，其系统组成如图1-1-1所示。图1-1-1模拟电子技术实验系统组成　　直流稳压电源为实验电路提供直流工作电压；实验电路运算或处理的交流信号由信号发生器输出；示波器、交流毫伏表、万用表用于电路中参数的测量，其中万用表具备多种测试功能，示波器和交流毫伏表用于电压的测量。　　〔2〕电路连接。根据电路原理，将直流稳压电源、信号发生器、交流毫伏表和示波器连接成如图1-1-2所示的方式。图1-1-2仪器互连原理图　　4.实验内容与步骤　　〔1〕DG1022型双通道函数/任意波形发生器的使用。熟悉信号发生器的波形选择、幅度和频率参数的调节方法。　〔2〕YB2173F双路智能数字交流毫伏表的使用。熟悉用数字毫伏表测量电压参数的方法。　　〔3〕DS1000系列双踪数字示波器的使用。熟悉双踪数字示波器的垂直系统、水平系统、触发系统和波形自动显示的设置方法，能用示波器进行电压参数的测量。　　〔4〕按表1-1-1的要求，将信号发生器输出的信号送到交流毫伏表和示波器进行测量，对测量值进行误差分析。　　5.实验思考　　〔1〕仪器互连时，将公共端连接在一起的目的是什么？　　〔2〕YB2173F双路智能数字交流毫伏表的共地和浮置测量功能的应用有何区别？　　〔3〕DS1000系列双踪数字示波器的触发设置对波形显示区的波形稳定性有何影响？　　　1.2单管放大电路的研究　　1.实验目的　　〔1〕掌握模拟电路实验板的连接方法。　　〔2〕学会设置和调整放大器的静态工作点并分析静态工作点对放大器性能的影响。　　〔3〕掌握放大电路的放大倍数、输入电阻和输出电阻的测量方法。　　〔4〕学会测量放大器的通频带。　　2.预习要求　　〔1〕复习单管放大电路的原理。　　〔2〕思考：放大电路的输出波形会出现几种失真？出现的原因是什么？　　3.实验原理　　单管放大电路有共发射极、共集电极和共基极三种根本组态。分压式偏置共射极单管放大电路是一种应用最为广泛的放大电路，实验电路如图1-2-1所示。图1-2-1分压式偏置共射极单管放大电路　　1〕静态工作点的设置　　电路接成分压式偏置电路时，假设流过偏置电阻Rb1′和Rb2的电流远大于晶体管的基极电流IB〔约为5～10倍的IB〕，那么静态工作点可用下式估算：　　　　　　　UCEQ=UCC－(Rc+Re)ICQ　　静态工作点的设置是否合理，对放大器的性能影响很大。为了使放大器有最大不失真输出电压，静态工作点Q应该设置在交流负载线的中间。　　当静态工作点Q选择很高，接近饱和区〔如图1-2-2所示的Q1点〕时，假设输入电压信号较大，会使输出信号电压产生饱和失真，为了确保输出信号电压不失真，只能减小输入信号，从而导致输出电压很小。当静态工作点选择很低，接近截止区〔如图1-2-2所示的Q2点所示〕时，假设输入电压信号较大，会使输出信号电压产生截止失真，为了确保输出信号电压不失真，只能减小输入信号，从而导致输出电压很小。图1-2-2静态工作点不适宜引起的输出波形失真　　2〕放大电路的主要技术指标　〔1〕电压放大倍数Av。其计算公式为式中：RL′=Rc∥RL；rbe=200+〔1+β〕。　　〔2〕输入电阻Ri。其计算公式为Ri=R′b1∥Rb2∥rbe输入电阻Ri的大小反映放大电路从信号发生器吸取电流的大小，输入电阻越大，那么放大电路从信号发生器吸取的电流就越小。　　输入电阻Ri的测量可以采用串联采样电阻法，测量电路如图1-2-3所示。在信号发生器和放大电路之间串联一个电阻Rs，调节信号发生器的输出幅度，使放大电路输出不失真，此时测出信号发生器的电压Us和放大电路的输入电压Ui，那么有图1-2-3测量输入电阻原理图　　〔3〕输出电阻Ro。其计算公式为　　　　　　　　　　　Ro=Rc放大电路输出电阻的大小反映了放大电路带负载的能力，输出电阻越小，带负载能力就越强。放大电路输出电阻的测量方法如图1-2-4所示。图1-2-4测量输出电阻原理图　　在放大电路输入端参加一输入信号Ui，在输出波形不失真的条件下，分别测量出不带负载和带负载情况下的输出电压Uo和UoL，那么有　　〔4〕频率响应。放大电路的幅频特性如图1-2-5所示。随着信号频率f的增大或减小，放大电路的电压放大倍数Av比中频电压放大倍数Avm会减小，通常称放大倍数减小到中频放大倍数的倍时，所对应的信号频率为上限频率fH和下限频率fL。放大电路的带宽fBW=fH－fL。图1-2-5放大电路的频率特性　　4.实验内容与步骤　　1〕静态工作点的调试和测试　　实验电路图如图1-2-1所示。　　〔1〕电路的连接。在实验装置上按实验电路图进行线路连接。　　〔2〕将直流稳压电源的输出幅度调节到12V，关闭电源，将电源接入电路中，检查电路连接无误后，翻开电源。　　〔3〕静态工作点的调试。有两种方法：　　方法一：在无交流输入信号的情况下，调节Rw1，使UB到达3.5V左右，即可认为工作点已调好，然后用直流电压表和直流电流表分别测量静态工作点的各个参数，填入表1-2-1中。〔注：IC=URc/Rc〕。　　方法二：在输入端X点加f=1kHz的正弦交流信号，反复调节信号源电压和Rw1电位器，当输出波形Uo出现失真，且饱和失真和截止失真同时对称出现时，即可认为工作点已调好。　　2〕放大电路的增益测试　　在电路输出端接入不同负载RL〔负载条件如表1-2-2所示〕，对放大电路的电压放大倍数进行测试。实验方法如下：　　在输入端X点加f=1kHz的正弦交流信号，用示波器观察输出波形Uo，调节信号发生器的输出幅度，使输出波形Uo到达不失真。用交流毫伏表测出Uo和Ui的电压值,即可求得：Av=Uo/Ui。将测试数据填入表1-2-2中。　　3)输入电阻Ri的测试　输入信号从Y点输入，利用输入端电阻Rs，求取输入信号电流，测出Rs前后的信号Us和Ui〔注意必须使输出波形在不失真的情况下才能测量〕，填入表1-2-3中，根据公式计算出输入电阻Ri。　　4〕输出电阻Ro的测试在输入信号相同的条件下，分别测出RL=∞时的Uo和RL=2.7kΩ时的Uo″〔注意必须使输出波形在不失真的情况下才能测量〕，填入表1-2-4中，然后根据公式计算出Ro。　　5)静态工作点对波形失真的影响调节Rw1，当Rw1增大时，使静态IC变小，输出波形将产生截止失真；反之将产生饱和失真。分别在图1-2-6中记录各种状态下的波形。图1-2-6　　6〕频率特性的测试　　固定输入电压Ui在某一数值，首先测出放大电路在中频时的输出电压Uo。然后升高信号频率，直至输出电压降到Uo时为止，此时的频率即为fH；同样，降低信号频率，直至输出电压降到Uo时为止，此时的频率即为fL。放大电路的带宽fBW=fH－fL。　　5.实验思考　　〔1〕当电路的输出波形出现饱和失真和截止失真时，电路该怎样调试？　　〔2〕对本实验来说，如果输入信号Ui加大，输出信号的波形将产生什么失真？　　〔3〕负载电阻变化对放大电路的增益和静态工作点有无影响？1.3单管放大电路的负载线及其最大不失真输出的研究　　1.实验目的　　〔1〕了解单管放大电路的直流负载线与交流负载线的含义。　　〔2〕学会测绘单管放大电路的直流负载线与交流负载线的实验方法。　　〔3〕掌握单管放大器最大不失真输出电压的测试方法。　　2.预习要求　　〔1〕了解直流负载线和交流负载线的测绘方法。　　〔2〕思考如何调整电路参数，使单管放大电路获得最大不失真输出电压。　　3.实验原理　　共射极单管放大电路的实验电路图如图1-3-1所示。图1-3-1共射极单管放大电路　　1〕直流负载线和交流负载线　　共射极单管放大电路直流通路的输出回路如图1-3-2所示。在图中，电压和电流的关系为　　　　　UCC=ICRc+UCE或在iC-uCE坐标系中，电压与电流的关系曲线是一条斜率为－1/RC的直线，如图1-3-3所示，该直线称为放大电路的直流负载线。图1-3-2共射极单管放大电路直流输出回路图1-3-3共射极单管放大电路交、直流负载线　　共射极单管放大电路交流通路的输出回路如图1-3-4所示。在图中，电压和电流的关系为式中，RL′叫做放大电路的“等效交流负载电阻〞。在iC－uCE坐标系中，电压与电流的关系曲线是一条通过静态工作点Q、斜率为－1/RL′的直线，如图1-3-3所示，该直线称为放大电路的交流负载线。图1-3-4共射极单管放大电路交流输出回路　　2〕最大不失真输出　　为此，在放大器正常工作的情况下，逐步增大输入信号的幅度，并同时调节Rw1(改变静态工作点)，用示波器观察输出波形，当输出波形同时出现截止失真和饱和失真时，说明静态工作点已调在交流负载线的中点。然后反复调整输入信号，使波形输出幅度最大，且无明显失真，此时可以测出放大电路最大不失真输出Uo。　　4.实验内容与步骤　　1〕直流负载线的测绘　　在图1-3-1所示电路中，令Ui＝0，调节Rw1使电路的静态集电极电流在0.8mA～3mA之间变化，分别测量不同电流下的UCE值〔填入表1-3-1中〕，将所测得的点连接起来，即为电路的直流负载线。　　2〕交流负载线的测绘　　调节Rw1使电路的静态工作点置于IC＝1.5mA〔UCE≈6V〕的状态下，接入Ui〔f＝1kHz〕，其数值由小增大，同时用示波器观察放大器输出电压Uo的波形。对照图1-3-3，可见随着Ui的增大，输出电压的正半周首先出现失真，测出此时的Uo〔临界值〕。那么图中M点的近似坐标电压值UM为连接M与Q点，延伸此线即为电路的交流负载线。　　3)适宜的工作点选择对最大不失真输出电压的影响　通过分析可知，在现有情况下，如果改变静态工作点〔将IC值提高〕，可在一定程度上提高最大不失真输出电压。试分析一下针对本电路的参数，IC应调至何值，才能最大限度地提高电路的最大不失真输出，并用实验证实。　　5.实验思考　　〔1〕将测试结果与理论分析作比较，说明测绘直流负载线与交流负载线的依据。　　〔2〕分析在UCC、Rc、RL的情况下，为提高电路的最大不失真输出电压，应如何选择电路的静态工作点。　　　　　1.4负反响放大器　　1.实验目的　　〔1〕通过实验，加深理解负反响对放大器性能的改善。　〔2〕熟练掌握放大器的静态工作点、放大倍数、输入电阻、输出电阻等性能指标的测量方法。　　2.预习要求　　〔1〕复习电压串联负反响电路的原理及电路的计算方法。　〔2〕掌握放大电路的一般调试方法和测试手段。　　〔3〕复习负反响对放大器性能改善的原理和定量分析。　　3.实验原理　　在放大电路中，将输出信号通过反响电阻送回到输入端，并参与放大器的控制过程的称为反响电路。反响信号是电流信号的称为电流反响，反响信号是电压信号的称为电压反响。假设　　　　　　　　　　　　　　，即引入反响后，增益减小了，这种反响一般称为负反响。电流反响将使输出电流保持稳定，因而增大了输出电阻；而电压反响将使输出电压保持稳定，其效果是减小了输出电阻。，那么　　在本实验中，我们研究电压串联负反响放大电路，电路图如图1-4-1所示。负反响的引入使放大器的放大倍数降低了，但在很多方面改善了放大器的动态指标，如稳定放大倍数、提高输入电阻、降低输出电阻，减小非线性失真和展宽通频带等。图1-4-1电压串联负反响放大电路　　电路的主要性能指标计算如下：　　〔1〕闭环电压放大倍数AvF〔Av为根本放大器增益〕：〔2〕反响系数　　〔3〕输入电阻　　　　　　　　　RiF=(1+AvFv)Ri　　〔4〕输出电阻　　4.实验内容与步骤　　〔1〕按图1-4-1所示的电路图进行线路接线。　　〔2〕静态工作点的调试和测试。将电路接成开环状态，即反响电阻Rf接地，负载开路，在输入端X点加1kHz正弦波信号，同时反复调节Rw1、Rw2和信号源电压Ui，当输出波形Uo同时对称出现饱和失真和截止失真时，即可认为静态工作点已调好〔此时可用直流电压表测量一下UCE1和UCE2是否为4V～5V，假设不在此范围可适当调节Rw1和Rw2，使UCE1和UCE2为4V～5V〕。　　然后用直流电压表分别测量静态工作点的各个参数，填入表1-4-1。　　〔3〕研究负反响对放大器放大倍数稳定性的影响。在X点加1kHz正弦波信号，并要求输出波形不失真，然后在开环〔Rf接地〕和闭环〔Rf接e1〕的状态下，分别测量带负载和不带负载两种情况下的Ui和Uo，再分别计算电压放大倍数，分析电压稳定性。将测量和计算数据填入表1-4-2。　　〔4〕研究电压串联负反响对输入、输出阻抗的影响。　①输入电阻的测试。输入信号从Y点输入，利用输入端电阻Rs，求取输入阻抗Ri，测出Rs前后的信号Us和Ui〔但也必须使输出波形在不失真的情况下才能测量〕，填入表1-4-3。可根据下式计算出输入电阻：开环：闭环：RiF=(1+AvFv)Ri　　②输出电阻的测试。输入信号从X点输入，把电路接成开环状态或闭环状态，分别测出不带负载时的输出电压(Uo)和带负载时的输出电压(Uo′)，填入表1-4-4。　　〔5〕观察负反响对放大器非线性失真改善的情况。在电路开环情况下，加大输入信号，使Uo失真，然后在相同的信号作用下，将电路接成闭环的，观察输出波形改善的情况，并将波形记录下来。　　〔6〕频率特性的改善。把电路接成开环状态或闭环状态，分别测出它们的上限频率(fH)和下限频率(fL)，并进行比较。　　5.实验思考　　〔1〕通过实验数据，分析电压负反响放大电路对放大器性能指标〔如放大倍数、输入电阻、输出电阻、非线性失真等〕的改善情况。　　〔2〕电压负反响放大电路性能指标的改善是通过降低了什么指标获取的？1.5电压并联负反响放大器根本特性研究　　1.实验目的　　〔1〕了解电压并联负反响放大器的组成。　　〔2〕分析并用实验方法证实这种深度负反响放大器的闭环增益、闭环输入/输出电阻与其开环增益、开环输入/输出电阻以及负反响系数间存在的对应关系。　　2.预习要求　　〔1〕熟悉电压并联负反响放大器的组成。　　〔2〕了解深度负反响放大器闭环增益、闭环输入/输出电阻与其开环增益、开环输入/输出电阻以及反响系数间存在的对应关系。　　〔3〕从器件手册上查阅所用集成放大器的电压增益、输入电阻、输出电阻，在此根底上结合实验电路的结构及电路参数计算出此反响结构中根本放大器的有关参数Avo、Rio与Roo。　〔4〕应用反响放大器的理论，计算出电路的闭环增益及闭环输入/输出电阻AvF、RiF与RoF。　　3.实验原理　　电压并联负反响电路常用于输入为高内阻的电流源信号，而要求输出为低内阻的电压信号的场合，常称之为电流-电压变换器，它的增益的量纲为V/A，即为Ω,故称为互阻放大电路。图1-5-1为一典型的电压并联负反响放大器，图中所用的集成运算放大器，可用图1-5-2所示的电路来等效。图1-5-1电压并联负反响放大电路　　在图1-5-2中，Ri表示此集成运算放大器的输入电阻，Av为电压增益，即Av＝Uo/Uid，Ro为输出电阻，此三个数据均可在器件手册上找到。现将图1-5-2所示的等效电路取代图1-5-1中的集成运算放大器，并根据反响理论绘出整个电路的开环放大器局部，再计算出相应开环放大器的增益Avo、开环输入电阻Rio以及开环输出电阻Roo，最后在上述分析的根底上，计算出电路的闭环参数AvF、RiF和RoF。图1-5-2集成运算放大器等效电路　　4.实验内容与步骤　　〔1〕闭环增益测量。按图1-5-3接线，此放大器的闭环增益可表示为AvF＝Uo/Ii，现设Ii以0.1mA为间隔，从0调至1mA，测出电路对应的10个输出电压Uo(将数据填入表1-5-1中)，即可获得此放大器的输入输出特性，从中可计算得AvF值。图1-5-3闭环增益测量电路　　〔2〕闭环输入电阻的测量。按图1-5-4接线，选择适宜的Rw，测出当Rw断开与接入时不同的输出电压Uo与Uo′(建议Rw选53Ω，用四位半数字电压表测试)，那么可计算出图1-5-4闭环输入电阻测量电路　　〔3〕闭环输出电阻的测量。按图1-5-5接线，选择适宜的RL〔建议RL选560Ω，用四位半数字电压表测试〕，测出当RL断开与接入时不同的输出电压Uo与Uo′值，那么可计算出图1-5-5闭环输出电阻测量电路　　5.实验思考　　〔1〕比较电压并联负反响放大器闭环增益、闭环输入输出电阻与其开环增益、开环输入输出电阻之间的关系，分析其电性能。　　〔2〕简述本实验用来测量此电压并联负反响放大器的增益AvF、输入电阻RiF以及输出电阻RoF的依据，并附上实际测量结果。1.6差动放大电路性能测试的研究　　1.实验目的　　〔1〕加深理解差动放大电路的特点，掌握差动放大器在不同输入信号〔差模信号和共模信号〕作用下的各性能指标的测试。　　〔2〕熟悉根本差动放大电路与具有恒流源的差动放大电路的性能差异。加深对差动放大器有关特性的理解。　　〔3〕了解差动放大器的抗共模信号的能力。　　2.预习要求　　(1)复习差动放大电路的原理。　　(2)搞清差动放大电路的调试进程和测量方法。　　3.实验原理　　差动放大电路是由两个元件参数相同的根本共射放大电路组成的，如图1-6-1所示。当Re=10kΩ时，构成根本的差动放大电路。调零电位器Rp用来调节V1、V2管的静态工作点，使得输入信号Ui＝0时，双端输出电压Uo1－Uo2＝0。Re为两管共用的发射极电阻，它对差模信号无负反响作用，因而不影响差模电压放大倍数，但对共模信号有较强的负反响作用，故可以有效地抑制零漂，稳定静态工作点。　　当Rp与V3相连时，构成具有恒流源的差动放大器。用晶体管恒流源代替发射极电阻Re，可以进一步提高差动放大器抑制共模信号的能力。当V3管的输出特性为理想特性时，恒流源〔Ic=βIb〕内阻为无穷大，即相当于V1、V2两管的发射极接了一个无穷大的电阻。带恒流源的差分电路对差模信号的放大与根本的差分电路相当，但对于共模输入信号的抑制能力强于根本的差分电路。　　〔1〕静态工作点的估算。对于根本差动放大电路有　　〔2〕差模电压放大倍数和共模电压放大倍数。对于单端输出电路有　　4.实验内容与步骤　　(1)根本差动放大电路的研究。把电路接成根本差动放大电路，即Rp接图1-6-1所示电路的1端。　　①静态工作点的测量。将A、B两端分别接地，调节Rp，使Uo1－Uo2=0。用万用表测量UCE1、UCE2、URc，求出IC，填入表1-6-1中。　　②差模增益Avd的测量。将B端接地，A端加输入信号，调节信号源的输出电压，使Ui＝50mV〔f＝1kHz〕，同时用示波器观察Uo1、Uo2的输出波形(注意它们之间的相位关系)，在输出信号不失真的情况下，记录Uo1、Uo2的输出波形，用交流毫伏表测出Uo1、Uo2值，填入表1-6-2中，那么计算电路的差模增益为　Avd＝Uo1/Ui或Avd=Uo2/Ui　　③共模增益Avc的测量。将B端与地断开，A端与B端连接在一起参加输入信号，调节信号源使Ui＝1V，同时用示波器观察Uo1、Uo2的输出波形〔注意它们之间的相位关系〕，记录Uo1、Uo2的输出波形，用交流毫伏表测出Uo1、Uo2值，填入表1-6-3中，那么电路的共模增益为Avc＝Uo1/Ui或Avc=Uo2/Ui　　〔2〕有恒流源差动放大电路的研究。电路改接成具有恒流源结构的差动放大电路，即Rp接图1-6-1所示电路的2端。　①静态工作点的测量。先不接Ui，将A、B两端分别接地，用万用表测出UCE1、UCE2、UCE3、URC1、URC2，求出IC1、IC2、IC3，填入表1-6-4中。　　②差模增益Avd的测量。将B端接地，A端加输入信号，调节信号源的输出电压，使Ui＝50mV〔f＝1kHz〕，同时用示波器观察Uo1、Uo2的输出波形〔注意两者之间的相位关系〕，在输出信号不失真的情况下，记录Uo1、Uo2的输出波形，用交流毫伏表测出Uo1、Uo2值，填入表1-6-5中，那么电路的差模增益为Avd＝Uo1/Ui或Avd=Uo2/Ui　　③共模增益Avc的测量。将B端与地断开，A端与B端连接在一起参加输入信号，调节信号源使Ui＝1V，同时用示波器观察Uo1、Uo2的输出波形〔注意它们之间的相位关系〕，记录Uo1、Uo2的输出波形，用交流毫伏表测出Uo1、Uo2值，填入表1-6-6中，那么电路的共模增益为　　　　　Avc＝Uo1/Ui或Avc=Uo2/Ui　　5.实验思考　　〔1〕对于根本差动放大电路，UCE＝？IC＝？　　〔2〕测量差动放大电路的静态工作点时，为什么要把输入端A、B接地？　　〔3〕差动放大电路的性能和特点。1.7差动放大电路共模输入电压范围的研究　　1.实验目的　　〔1〕掌握对差动放大电路共模输入电压范围测试的方法。　〔2〕通过对两种不同结构差动放大电路的共模输入电压范围的分析并与实际测量结果相比较，进一步加深对差动放大电路有关特性的理解。　　2.预习要求　　〔1〕熟悉射极耦合型差动放大电路和带射极恒流源的差动放大电路的电路结构。　　〔2〕了解上述两种差动放大电路工作特性的异同点。　　〔3〕搞清差动放大电路最大共模输入电压的含义。　　〔4〕假设取三极管的β＝60，试计算上述两种差动放大电路的共模输入电压范围。　　3.实验原理　　实际的共模放大倍数Avc不为零，KCMR为有限值，大小可以定义如下：　　如果共模输入电压超过两输入端之间所能承受的最大共模输入电压UICM，那么集成运放的共模抑制性能就会明显下降，甚至造成器件的损坏。　　4.实验内容与步骤　　1〕射极耦合型差动放大电路共模输入电压范围测试　　(1)电路图如图1-7-1所示，先置Uic＝0，测量此时电路的静态工作点IC1、UCE1、IC2、UCE2值。　〔2〕逐步增加Uic值，当Uic＝＋UICM时，将开始出现V1、V2进入饱和的现象，此+UICM即为该放大器的最大正向共模输入电压。将理论计算及测量结果填入表1-7-1中。图1-7-1射极耦合型差动放大器　　〔2〕逐步增加Uic值，当Uic＝＋UICM时，将开始出现V1、V2进入饱和的现象，此+UICM即为该放大器的最大正向共模输入电压。将理论计算及测量结果填入表1-7-1中　　2)带射极恒流源的差动放大电路的共模输入电压范围测试　　〔1〕电路图如图1-7-2所示，先置Uic＝0，测量此时电路的静态工作点IC1、UCE1、IC2、UCE2、IC3、UCE3值。图1-7-2带射极恒流源的差动放大电路　　〔2〕逐步增加Uic值，当Uic＝＋UICM时，将开始出现V1、V2进入饱和的现象，此＋UICM即为该放大器的最大正向共模输入电压。将理论计算及测量结果填入表1-7-3中。　　(3)改Uic为负值，并逐步从0减小此电压，当Uic＝－UICM时，将使V3进入饱和状态，此－UICM即为该放大器的最大负向共模输入电压。将理论计算及测量结果填入表1-7-4中。　　5.实验思考　　将实验中的测试数据〔当共模输入信号Uic取不同值时，实测UCE1和UCE2的值〕和理论计算值进行比较，对实验结果进行分析说明。　　　1.8运算放大器的根本运算　　1.实验目的　　〔1〕掌握使用运算放大器实现根本运算的原理。　　〔2〕熟悉运算放大器用作比例、加法和微分运算的根本电路和性能。　　2.预习要求　　〔1〕复习使用集成运算放大器实现根本运算的原理。　　〔2〕熟悉741型集成运放的结构、性能和管脚排列。　〔3〕分别画出实现反相比例、加法和微分运算的电路原理图，并算出有关参数。　　3.实验原理　集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。将集成运算放大器接入由不同的线性或非线性元器件组成的输入和负反响电路，可以灵活地实现各种特定的函数关系，如在线性应用方面，可组成比例、加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。　　理想运算放大器的特性包括：　　开环电压增益：　Avd=∞；　　输入阻抗：　　　Ri=∞；　　输出阻抗：　　　Ro=0；　　带宽：　　　fBW=∞。　　理想运算放大器在线性应用时的两个重要特性是：　　〔1〕输出电压Uo与输入电压之间满足关系式：Uo＝Aud(U+－U－)，由于Aud=∞,而Uo为有限值,因此，U+－U－≈0，即U+≈U－，称为“虚短〞。　　〔2〕由于Ri=∞，故流进运算放大器两个输入端的电流可视为零，即IIB＝0，称为“虚断〞。这个特性说明运算放大器对其前级的吸取电流极小。　　4.实验内容与步骤　　1〕反相比例放大电路　　(1)设计并安装一个如图1-8-1所示的反相比例放大电路，使其满足以下关系式：　　　Uo=－3Ui　　(2)在图1-8-1所示的电路中，电路的输入端加1kHz的正弦信号，用示波器观察输出波形。当输出波形到达不失真时，用交流毫伏表分别测出Uo和Ui，填入表1-8-1中。图1-8-1反相比例放大电路图1-8-2微分电路　　2〕微分运算电路　　设计并安装一个如图1-8-2所示的微分运算电路，在输入端参加500Hz的方波信号，在图1-8-3中记录电路的输入、输出波形。图1-8-3电路的输入、输出波形　　3〕加法运算电路　　设计并安装一个如图1-8-4所示的加法器，使其满足以下关系式：　　　　　　Uo=－〔3U1+2U2+U3〕将测试数据填入表1-8-2中。图1-8-4加法运算电路　　5.实验思考　　〔1〕在反相比例运算放大器中，输入端参加f=1kHz，Ui=10mV的正弦信号，用示波器观察输入和输出波形，在输出波形不失真的条件下，测量出电压Ui、Uo，填入表1-8-3中，计算出放大倍数Av。当输入信号电压幅度保持不变时，将信号频率由1kHz增加到100kHz，继续测量放大倍数Av。分析放大倍数与输入信号频率的关系。　　〔2〕在微分运算电路中，完成以下任务：　　①在输入端参加频率为500Hz，幅度为0V～＋6V的方波信号。绘出输入电压与输出电压波形，注意相位关系。　　②在输入端参加频率为200Hz的三角波，绘出输入电压与输出电压的波形，注意相位关系。　　1.9积分器与三角波发生器特性研究　　1.实验目的　　(1)熟悉由集成运放构成的积分器的运算关系和应用。　　(2)了解三角波发生器的电路特性。　　2.预习要求　　〔1〕熟悉积分器和三角波发生器电路的工作原理。　　〔2〕分析积分器在不同参数下的输入、输出波形。　　〔3〕了解三角波发生器输出波形的频率、振幅与电路参数间的关系。　　3.实验原理　　〔1〕由集成运放构成的典型积分运算电路如图1-9-1所示，在深度负反响的条件下，有为减小集成运算放大器的直流飘移，在实际积分电路中C的两端并接电阻Rf，但其值不宜太小，否那么将影响线性积分关系，一般大于20kΩ。图1-9-1典型的积分电路　　〔2〕三角波发生器由两局部组成，第一局部是同相输入的迟滞型电压比较器〔注意带正反响〕，第二局部是积分器。比较器的输出Uo1作为积分器的输入信号，而积分器的输出信号Uo2又反响回去作为比较器的输入信号，它们共同构成闭合环路。该电路的振荡周期和Uo2分别为　　4.实验内容与步骤　　(1)观察图1-9-2所示积分器的输出波形。　　①在图1-9-2所示的电路中，Ui为一个频率为400Hz、幅值为±4V的方波，观察在此情况下Uo的波形，并将Ui和Uo绘在图1-9-3上图1-9-2积分电路图图1-9-3Ui和Uo的波形　　②将输入、输出数据填入表1-9-1中。　　〔2〕三角波发生器的特性研究。　　①分析图1-9-4所示电路的工作原理，推导在图示参数下此三角波的频率及振幅之表达式，并通过实验证实之。　　②按图1-9-4接线，用双踪示波器同时观察和记录Uo1和Uo2的波形，在图1-9-5中画出它们的波形，注意它们之间的相位关系。图1-9-4三角波发生器图1-9-5Uo1和Uo2的波形　　③从示波器上读出Uo1和Uo2的最大值及周期T，填入表1-9-2中。　　5.实验思考　　〔1〕在图1-9-2所示的电路中，假设Ui是一个频率为400Hz、幅值为0V～＋6V的方波，那么输出的波形有何不同？　〔2〕将图1-9-4电路做何改动，可以将电路输出变为锯齿波输出？　　〔3〕在积分电路的C两端并联上Rf的作用是什么?1.10正弦波发生器的设计　　1.实验目的　　〔1〕掌握测试RC串并联选频网络及幅频特性的方法。　〔2〕加深理解正弦波发生器电路起振条件和稳幅特性。　〔3〕学会正弦波发生器电路的设计和调试方法。　　2.预习要求　〔1〕复习RC正弦波发生器电路的组成及其振荡条件。　〔2〕根据实验要求设计出电路。　　3.实验原理　　正弦波振荡电路是一个没有输入信号的带选频网络的正反响放大电路。一个正弦波振荡电路只在一个频率〔f0〕下满足相位平衡条件，要求环路中包含一个具有选频特性的网络，该网络简称选频网络。用R、C元件组成选频网络的振荡电路称为RC振荡电路，一般用来产生1Hz～1MHz范围内的低频信号；用L、C元件组成选频网络的振荡电路称为LC振荡电路，一般用来产生1MHz以上的高频信号。　　RC正弦波振荡电路由RC串并联选频网络和同相比例运算电路组成，如图1-10-1所示。输出电压uo经RC串并联电路分压后在RC并联电路上得出反响电压uf，加在运算放大器的同相端，作为它的输入电压ui。反响放大倍数为图1-10-1RC正弦波振荡电路　　起振时，应使|AvF|>1，即|Av|>3，随着振荡幅度的增加，|Av|能自动减小。当|AvF|=1或|Av|=3时，振荡振幅到达稳定，以后可以自动稳幅。　　4.实验内容与步骤　　1〕RC串并联选频网络幅频特性的测试　　设计一个RC串并联选频网络〔f0=159Hz〕，参考电路如图1-10-2所示，测试该网络的幅频特性。　　测试方法：按图1-10-2电路接线。输入ui=1V的正弦波信号，调节信号发生器的频率，从50Hz开始每增加一次频率记录一次uo，当uo最大时所对应的频率即是f0。将所测数据填入表1-10-1中。　　根据表格数据在图1-10-3中绘制幅频特性曲线。图1-10-2RC串并联选频网络图1-10-3幅频特性曲线　　2〕正弦波发生电路的调试与测量　　设计一个正弦波发生电路，频率f0约为159Hz，并且可调，同时电路具有自动稳幅功能。参考电路如图1-10-4所示。对该电路进行调试和测量。图1-10-4正弦波发生电路　　调试方法：按图1-10-4电路接线。先将Rp调到最小，因为此时负反响也最小，|AvF|>1，即|Av|>3，用示波器可观察到非正弦波波形，然后再逐渐增加Rp，使输出电压uo从无到有，波形逐渐变为正弦波为止，即符合|AvF|=1。测量输出波形最大不失真时的uo和uf+值，填入表1-10-2中。如果再增大Rp，那么|AvF|>>1，使放大器工作到非线性区域，此时振荡电路停止振荡。　　5.实验思考　　〔1〕整理实验数据，测绘RC串并联选频网络的幅频特性曲线。　　〔2〕在RC串并联选频网络幅频特性的测试中，频率测试点的分布怎样选取较好？　　〔3〕假设二极管VD1和VD2开路，那么对输出波形有何影响?1.11低频功率放大器的设计　　1.实验目的　　〔1〕理解互补功率放大器的根本构成和工作原理。　　〔2〕学会OTL电路的调试方法及主要性能指标的测试方法。　　〔3〕观察及分析电路中的交越失真现象。　　2.预习要求　　复习OTL功率放大器的电路组成及工作原理。　　3.实验原理　　图1-11-1所示为OTL低频功率放大器电路。其中，晶体三极管V1组成推动级〔也称前置放大级〕，V2、V3是一对参数对称的NPN和PNP型晶体三极管，它们组成互补推挽OTL功放电路。图1-11-1OTL低频功率放大器电路　　由于每一个三极管都接成了射极输出器形式，因此具有输出电阻低、负载能力强等优点，适合作功率输出级。V1管工作于甲类状态，它的集电极电流IC1由电位器Rw1进行调节。IC1的一局部流经电位器Rw2及二极管VD，给V2、V3提供偏压。　　调节Rw2，可以使V2、V3得到适宜的静态电流而工作于甲、乙类状态，以克服交越失真。静态时要求输出端中点A的电位UA=(1／2)UCC，可以通过调节Rw1来实现，又由于Rw1的一端接在A点，因此在电路中引入交、直流电压并联负反响，一方面能够稳定放大器的静态工作点，同时也改善了非线性失真。　　当输入正弦交流信号ui时，该信号经V1放大、倒相后同时作用于V2、V3的基极，在ui的负半周，V2管导通〔V3管截止〕，有电流通过负载RL，同时向电容C3充电；在ui的正半周，V3导通〔V2截止〕，那么已充好电的电容器C3起电源的作用，通过负载RL放电，这样在RL上就得到完整的正弦波。　C2和R构成自举电路，用于提高输出电压正半周的幅度,以得到大的动态范围。　　OTL电路的主要性能指标如下：　　〔1〕最大不失真输出功率Pom。　　理想情况下：　　在实验中可通过测量RL两端的电压有效值，求得实际的Pom，即　　〔2〕效率η。η的计算式为式中PE为直流电源供给的平均功率。　　理想情况下，ηmax＝％。在实验中，可测量电源供给的平均电流IDC，从而求得PE＝UCC·IDC，而负载上的交流功率已用上述(1)的方法求出，因而也就可以计算实际效率了。　　〔3〕输入灵敏度。输入灵敏度是指输出最大不失真功率时，输入信号Ui之值。　　〔4〕频率响应。在保持输入信号幅值不变的情况下，改变输入信号的频率，逐点测量对应于不同频率时的电压增益，在对数坐标下画出各频率点的输出电压值的曲线，即为电路的频率响应。　　4.实验内容与步骤　　1〕静态工作点的测试　　按图1-11-1连接实验电路，在电源进线中串入直流毫安表，让输入信号ui=0，电位器Rw2置最小值，Rw1置中间位置。接通＋5V电源，观察毫安表指示，同时用手触摸输出级三极管，假设电流过大，或三极管温升显著，应立即断开电源检查原因〔如Rw2开路、电路自激，或输出管性能不好等〕。　　〔1〕调节输出端中点电位UA。调节电位器Rw1，用直流电压表测量A点电位，使　　　　　。　　〔2〕调整输出级静态电流并测试各级静态工作点。　　调节Rw2，使V2、V3管的IC2＝IC3＝5mA～10mA。就减小交越失真角度而言，应适当加大输出级静态电流，但该电流过大，会使效率降低，所以电流一般以5mA～10mA为宜。　　由于毫安表是串在电源进线中的，因此测得的是整个放大器的电流，但一般V1的集电极电流IC1较小，因而可以把测得的总电流近似当作末级的静态电流。如要得到准确的末级静态电流，那么可从总电流中减去IC1之值。　　调整输出级静态电流的另一方法是动态调试法。具体方法是：先使Rw2＝0，在输入端接入f＝1kHz的正弦信号ui；逐渐加大输入信号的幅值，此时输出波形应出现较严重的交越失真，然后缓慢增大Rw2，当交越失真刚好消失时，停止调节Rw2，恢复ui＝0，此时直流毫安表的读数即为输出级静态电流。该电流一般也应为5mA～10mA。　　在调整Rw2时，要注意旋转方向，不要调得过大，更不能开路，以免损坏输出管。输出管静态电流调好后，如无特殊情况，不得随意旋动Rw2的位置。输出级电流调好以后，测量各级静态工作点，填入表1-11-1中。　　2〕最大输出功率Pom和效率η的测试　　〔1〕测量Pom。输入端接f＝1kHz的正弦波信号ui，输出端用示波器观察输出电压uo的波形。逐渐增大ui，使输出电压到达最大不失真输出，用交流毫伏表测出负载RL上的电压uom，那么　　　　　　。　　〔2〕测量η。当输出电压为最大不失真输出时，读出直流毫安表中的电流值，此电流即为直流电源供给的平均电流IDC，由此可近似求得PE＝UCC·IDC，再根据上面测得的Pom，即可求出　　　　　　　　　。　　〔3〕输入灵敏度的测试。根据输入灵敏度的定义，只要测出输出功率Po＝Pom时的输入电压值ui即可。　　〔4〕频率响应的测试。在测试时，为保证电路的平安，应在较低电压下进行，通常取输入信号为输入灵敏度的50％。在整个测试过程中，应保持输入信号ui幅值不变，且输出波形不失真。改变信号源频率f，找假设干测试点，逐点测出相应的输出电压uo，填入表1-11-2中。　　〔5〕研究自举电路的作用。　　①测量有自举电路在Po＝Pom时的电压增益　　②将C2开路，R短路〔无自举〕，再测量Po＝Pom时的Av。　　用示波器观察①、②两种情况下的输出电压波形，并将以上两项测量结果进行比较，分析自举电路的作用。　　〔6〕噪声电压的测试。测量时将输入端短路(ui＝0)，观察输出噪声波形，并用交流毫伏表测量输出电压，即为噪声电压uN。本电路假设uN＜15mV，那么满足要求。　　5.实验思考　　〔1〕整理实验数据，计算静态工作点、最大不失真输出功率Pom、效率η等。　　〔2〕画出频率响应曲线。　　〔3〕交越失真产生的原因是什么？怎样克服交越失真?〔4〕为什么引入自举电路能够扩大输出电压的动态范围？1.12集成功放的性能测试　　1.实验目的　　〔1〕加深对功率放大〔简称功放〕电路性能的了解。　　〔2〕掌握功率放大电路根本参数的测试方法。　　2.预习要求　　〔1〕复习集成功放主要参数的定义，了解各参数的根本测试方法。　　〔2〕查阅待测器件型号的参数，以便与测试数据进行比较。　　3.实验原理　　一般通用集成运放的输出功率很小，如μA741在无外加元件时的输出功率仅为100mW左右。在需要较大功率的场合选用集成功率放大器。集成功率放大器的内部电路包括前置级、推动级和功率级等局部，它们和一些外部阻容元件构成应用电路，具有线路简单、性能优越、工作可靠、调试方便等优点，已经成为音频领域中应用十分广泛的功率放大器。　　TDA2030集成功率放大器的电流输出能力强，谐波失真和交越失真小，各引脚都有交、直流短路保护，使用平安。其典型应用电路如图1-12-1所示。输入信号接入同相输入端，C1为输入直流去耦电容，C4为频率补偿电容，用以消除负载电感在高频时产生的不良影响，改善功放的高频特性并防止出现高频自激。图1-12-1集成功率放大电路　　4.实验内容与步骤　　〔1〕测试最大不失真输出电压uom和效率η。按图1-12-1连接电路，将信号源频率调到1kHz〔正弦波〕，逐步加大输入信号的幅度，用示波器监视放大器的输出信号，至最大不失真，然后用毫伏表测量出此时的输出电压uo，计算输出功率Pom=u2o/R。　　保持信号不变，将万用表串入电源，测出此时的电源电流IE，计算电源消耗的功率PE=UCC·IE和效率η=Pom/PE。　　〔2〕测试频带宽度Δf。将输入信号调整到适当幅值，然后在保持此幅值不变的情况下，调节信号频率，分别测量出各频率点所对应放大电路输出信号的幅值〔在低频段和高频段频点取密些〕。绘制出幅频特性曲线，由此曲线求出功放电路的频带宽度Δf。　　5.实验思考　　〔1〕在测量集成功率放大器的输出功率时，为什么要使输出到达最大不失真状态？　　〔2〕是否负载上得到的电压越大，集成功放的功率也越大？