晶体管共射极放大电路及应用

实验题目：晶体管共射极放大电路及其应用

课程简要信息

课程名称：电路与电子技术实验（2）

课程学时： 32

项目学时：课内2、课外2

适用专业：信息工程、通信工程、自动化、电气工程及其自动化

学生年级：二年级第4学期

实验内容与任务与要求（限500字，可与“实验过程及要求”合并）

1. 正确搭建晶体管共发射极单管放大实验电路；

2. 掌握测试和调整静态工作点Q的方法；

3. 掌握测试电路放大倍数、输入电阻、输出电阻的方法；

4. 灵活应用共发射极单管放大电路，搭建“音频信号的光调制和发射电路”；

5. 调试“音频信号的光调制和发射电路”，优化电路性能；

6. 搭建基于光敏传感器、音频功放、喇叭的光接收、音频信号还原及播放电路。

实验过程及要求（限300字）

1. 预习环节

要求预习三极管共发射极放大电路的工作原理、电路结构、电路中各电阻、电容的作用以及静态工作点Q的意义、测试和调整方法。

2. 实验环节

要求结合电路理解调试静态工作点Q的意义，观测信号失真与Q点状态之间关系，理解和掌握Q点的预估和调整方法；掌握放大倍数、输入电阻、输出电阻等参数的测试方法。

3. 实践拓展环节

要求掌握利用仿真软件对电路功能和参数进行仿真的方法；掌握应用三级管共发射极放大电路搭建音频信号的光载波和发射电路；掌握使用仪器调试电路的方法。

4. 总结环节

要求理论联系实践，通过对电路性能的测试，总结影响放大电路性能的关键点并提出可能的改进方案。

相关知识及背景（限150字）

这是一个运用三级管实现电信号的光调制和传输的典型案例，需要综合运用三极管放大、电信号的光调制、光敏传感器、音频功放、音频信号还原等技术。通过使用函数信号发生器、示波器、万用表等通用仪器进行调试。最终实现对电信号的光调制与还原，音频信号的声音还原等技术的深入理解。

实验环境条件

1. 实验装置及仪器设备

实验装置及仪器主要包括模拟电路实验台（包括直流稳压压源、直流电压表、共射极单管放大电路实验板），函数信号发生器、示波器、交流电压表等。

2. 设计软件工具

Protues或Multisim等电路仿真软件；Altium Designer（AD）、嘉立创EDA等电路原理图、PCB图设计软件。

3. 主要电子元器件

各参数值的电阻、电容；8050、9013等NPN型低频放大三极管；发光二极管；音频功放模块板；动圈喇叭等。

教学目标与目的（限150字）

对传统实验项目中电路的改进和扩展，将实验电路和实用案例相结合，通过视觉和听觉的多维度刺激激发学生的学习兴趣。引导学生深入思考共射极单管放大电路的原理和功能以及参数调试方法。同时引导学生掌握搭建电路测试环境，正确使用函数信号发生器、示波器等通用仪器，以及模拟电路调试的方法。

教学设计与实施进程

本实验是一个简单但完整的从“理论学习→实验验证→应用实践→实验总结”的闭环过程，通过对传统实验项目的改进和扩展，引导学生完成从**“兴趣引航明本源→知行结合促实践→思创融合促创新→思行践悟得真知”**的学习过程。在实验教学中，应在以下几个方面加强对学生的引导：

1. 课前预习环节

2. 对实验电路的感性认知

播放视频，演示音频信号通过光调制后发送以及光信号接收后音频信号还原播放的整个过程，并告知学生光调制发射电路就是本实验电路，以此激发学生兴趣。引导学生了解音频信号的定义和特性；理解音频信号的频率、幅值和声音特性的对应关系；了解微弱音频信号通过功放、喇叭播放出来的原理。

2. 对实验电路的理性思考

对比给出如图1所示实验电路和音频光调制功能电路，引导学生通过课前预习掌握共射极单管放大电路中三极管的连接方式，电路中各电阻、电容的作用、电路的电压放大原理以及静态工作点Q的检测和调试方法。

（a） 基本实验电路 （b） 音频光调制功能电路

图1 实验电路和音频光调制功能电路

3. 电路仿真

利用Protues或Multisim等仿真软件进一步对如图2所示的共发射极单管放大电路进行仿真，深入理解共射极单管放大电路的信号放大原理；输入输出信号的相位关系；为什么要调节静态工作点Q；以及如何调整好Q等问题。

图2 共发射极单管放大电路Protues电路仿真

2. 课堂实验操作环节

1. 电路连接

按如图1所示的电路原理图连接共射极单管放大电路。检查连线是否正确，特别是电源是否存在反接或短路的情况。

图1 共发射极单管放大电路原理图

2. 调整静态工作点

断开函数信号发生器Us的情况下，使调节电路中的电位器RB1使三极管工作在最佳静态工作点附近（即UE≈2.00V），使用直流电压表测试三极管的UB，UC，UE,并记录在表1。

表1 静态工作点调试记录表

3. 动态性能观测

调整函数信号发生器的输出信号为频率1 kHz，Vpp（峰峰值）50 mV的正弦信号，从US处接入电路。用示波器的CH1和CH2通道分别观测输入（UI）、输出（UO）处的波形，确保未发生饱和或截止失真。关注UI、UO波形之间的相位关系

4. 测量和计算电路参数

电压放大倍数（AV）、输入电阻（RI）、输出电阻（RO）等电路参数，如表2所示：

表2 晶体管共发射极放大电路参数表

根据电路测量参数值，按式1.1计算放大倍数AV。

按式1.2计算电压放大倍数的理论参考值。

式1.2中，β为晶体管电流放大系数，R^’^*L为RC和RL*的并联值。对比和计算电压放大倍数测量值与计算值之间的偏差。

按式1.3测量和计算输入电阻Ri。

按式1.4测量和计算输出电阻RO。

式1.4中，VO为RL两端的电压，VOC为RL开路时的电压。

课后拓展实践环节搭建基于共发射极单管放大电路的音频信号光调制发射电路引导学生利用“面包板”或“洞洞板”搭建或焊接如图3所示的音频信号光调制电路。需重点关注电源不能反接；电路中是否存在短路情况；三极管的B、C、E极是否存在反接的情况等。

图3 音频信号光调制电路

调整电路的静态工作点引导学生按照课堂实验的操作步骤，在音频输入端开路的情况下，调节图3中的RB1电位器，同时通过电压表监测三级管B、C、E各极的电压值，使三极管工作在放大区。而后利用函数信号发生器生成标准正弦信号从音频输入端接入，用示波器对比观测三极管的输入、输出信号，避免输出信号出现如图4所示的失真状态。

图4 输出信号失真状态观测

音频信号光调制的实现和验证要求学生从音频输入接口输入音频信号，用示波器的CH1和CH2通道分别在UI和UO处观测音频信号在三极管输入端和输出端的波形。而后，调节R1改变UI处音频信号的幅值，调节RB1确保音频信号在UO处不发生饱和或截止失真，如图5所示。

（a）正常波形 （b）饱和失真波形 （c）截止失真波形

图5 音频信号在UI、UO处的波形

引导学生搭建基于光敏传感器、音频功放和动圈喇叭的音频信号解调和声音播放电路。相关电路配件如图6所示。

（a）TEMT6000光传感器 （b）TDA2030A音频放大模块 （c）动圈喇叭

图6 音频信号在UI、UO处的波形

在电路的搭建和调试过程中，要加强学生在电子工艺规范性上的要求。如各种仪器使用的方法和规范性；调试过程中优先调试电源；在测试分析中，要分析系统误差来源并加以验证和克服。

实验原理及方案实验电路原理图实验电路原理图1所示，其中图1（a）为共发射极单管放大电路的课内实验电路原理图，图1（b）为课后拓展实践的音频信号光调制发射功能电路。两个电路的工作原理和电路结构基本一致，仅更改了图1（a）中的集电极电阻RC阻值，并增加了发光二极管D1如图1（b）所示。

音频光载波的实现方案首先，在元器件的选择上，主要放大元件三极管可选择低频中、小功率三极管，如小功率的9013、和中功率的8050等。光源器件选择上可选择如图7（a）所示的发光二极管（LED）或如图7（b）所示的激光头。

（a）发光二极管（LED） （b）激光头

图7 光载波电路直流光源

其次，在电源方案上，可引导学生自主设计基于LM7805的直流稳压电源或DC-DC芯片的开关电源。也可以直接购买如图8所示的基于锂电池供电的直流电源模块。

图8 基于锂电池的直流电源模块

最后，在音频功放模块的方案上，可引导学生自主设计和调试音频功放模块，可选择TDA2030A、CH10D、FM8002、LM386等音频功放芯片。也可直接购买音频功放模块。

课后拓展音频光传输系统的整体方案音频光传输系统的整体方案如图9所示，主要分为音频信号光调制发射部分和光接收音频还原部分。

图9 音频光传输系统整体方案框图

其中音频信号光调制发射部分主要实现音频电信号的可见光调制和发送，包括音频输入、共射极放大电路、直流光源三部分。音频电信号从音频输入口接入系统，通过电容耦合（去除直流分量）后进入共射极放大电路，实现音频信号的放大并在直流光源上生成随音频变化的电流波动。电流的变化造成直流光源的闪动，完成音频的光调制和发送。

光接收音频还原部分主要实现接收携带音频信息的可见光，将音频信息还原后播放的功能。首先由光敏传感器接收可见光信号（携带音频信号的闪烁可见光），将闪动的可见光还原为音频电信号，而后同构音频功放对音频进行功率放大，最后将放大后的音频信号传输到喇叭，通过喇叭将声音还原播放出来。

实验报告要求实验报告需要反映以下工作：

实验原理，包括共射极单管放大电路的工作原理、三极管放大电路Q点的作用和调整方法，电路放大倍数、输出特性、输入信号输出信号的相位关系等（基本部分）。以及音频信号的频率范围、利用直流光源对音频信号的调制原理、音频信号的放大原理以及音频信号的声音还原原理等（实践拓展部分）。实验仪器，包括直流电压源、直流电压表、交流电压表、函数信号发生器、示波器、等仪器的使用。实验步骤，包括电路连接、静态工作点Q的检测与调试、电路放大倍数AV、电路输入电阻、输出电阻等。实验数据记录和计算，包括共射极单管放大电路中各处的静态工作电压、三极管的放大倍数、输入电阻、输出电阻等参数。实验结果总结，以课内的实验电路为基础，以课外的拓展实践电路为延伸，结合理论，按照科学分析方法对实验数据进行归纳、总结，获得相应的结论或结果，实验中出现的故障及解决方法，实验结果总结，根据实验数据进行分析和问题的讨论与思考。考核要求与方法（限300字）实验数据：根据学生选择的元器件，以及各元件的参数评估测试数据的准确性；考核学生对数据的分析和思考深度。实验质量：依照电路功能目标，考核学生在元件选型、电路方案设计的合理性；根据实物，考核学生元件焊接、组装工艺的质量。自主创新：考核学生是否在样例电路的基础上有所改进和创新，在电路搭建和调试的过程中是否具备独立思考与发现问题解决问题的能力。实验成本：考核学生是否充分利用实验室已有条件，以及学生在元器件、及耗材的选择和使用上的成本与损耗。调试能力：在实验过程中，学生是否具备搭建模拟电路测试平台，以及使用函数信号发生器和示波器检测模拟电路性能的能力。实验报告：实验报告的规范性与完整性。项目特色或创新（可空缺，限150字）构建"理论精研-电路实证-创新延拓-总结凝练"的闭环教学体系，奉行"兴趣引航、渐进深耕"的理念，搭建"溯本源-探路径-评效能-拓应用"的学习生态。通过理论与实践相结合，思考和创新相结合，引导学生实现知识向能力转化的质变跃迁，锻造其工程思维与实践创新能力。精准对接创新型人才培养需求。