共射极放大电路

课程标准： Sek II, A-level (Electronics), electronics courses

实验目的¶

搭建一级三极管放大电路，求出它的工作点和电压放大倍数。

实验装置¶

9 V 电压源为 NPN 三极管（\(\beta\) = 100）供电：集电极经 2.2 kΩ 电阻，基极经 470 kΩ 偏置电阻，发射极经 470 Ω 电阻接公共线。交流电压源（正弦波，幅度 0.2 V，1 kHz）通过 10 µF 电容把信号送到基极。示波器：CH1接交流电压源的输出（100 mV/格），CH2接集电极（500 mV/格，AC耦合），0.5 ms/格。

实验步骤¶

打开本实验后，等待一两秒：电容充电，工作点稳定下来。比较两条波形：输入端和集电极上信号的峰峰值和相位。
求出电压放大倍数：集电极上的峰峰值与输入端的峰峰值之比。
在CH2上选择DC耦合和 2 V/格，估算集电极的直流电压。
把交流电压源的幅度增大到 1 V，把CH1切换到 0.5 V/格。
在发射极电阻的参数面板中，把 470 Ω 改为 220 Ω，并把交流电压源的幅度调回 0.2 V。

预期结果

集电极上的信号比输入信号大，并且与输入反相：峰峰值约 1.8 V 对 0.4 V，放大倍数约为 4.5，接近集电极电阻与发射极电阻之比 2.2 kΩ / 470 Ω。集电极的直流电压约为 5.4 V。按计算，集电极电流约为 1.6 mA，发射极电压约为 0.77 V，实验装置不显示这些值。幅度为 1 V 时，输出的正弦波被削平：在顶部，三极管截止；在底部，接近发射极电压时，三极管进入饱和。发射极电阻为 220 Ω 时，放大倍数大约加倍，工作点也随之移动。单个偏置电阻决定基极电流，而集电极电流是它的 \(\beta\) 倍，所以工作点取决于 \(\beta\)。同一型号的真实三极管 \(\beta\) 各不相同，从 100 到 300 都有。在三极管的参数面板中把电流放大系数 β 设为 300：这时偏置要求的集电极电流约为 4 mA，超过了 2.2 kΩ 和 470 Ω 电阻所能通过的电流，三极管在约 3.3 mA 时饱和。没有信号时，集电极电压约为 1.7 V，只比发射极高 0.2 V；加上 0.2 V 的信号后，下半波已经被削平，集电极电压的平均值约为 2.7 V。所以实际的放大电路用两个电阻组成的分压器给基极提供偏置。

问题¶

为什么输出信号与输入信号反相？
为什么在交流电压源与基极之间需要一个电容？
为什么不能简单地换用大一倍的集电极电阻（4.4 kΩ）来使放大倍数加倍？工作点会落在哪里？

答案

输入电压升高时，基极电流和集电极电流增大，2.2 kΩ 集电极电阻上的电压降也随之增大。集电极电压等于 9 V 减去这个电压降，所以输入电压升高时它下降。
电容让 1 kHz 的信号通过（它的容抗只有约 16 Ω），并隔断直流电。交流电压源的另一端接在公共线上，所以没有电容时，电压源会通过自身很小的电阻把基极维持在 0 V 附近：470 kΩ 电阻提供的偏置就会失去，三极管会一直截止，因为 0.2 V 的信号太小，不能使它导通。
集电极电流由基极电流决定，仍约为 1.6 mA，所以 4.4 kΩ 电阻上的电压降约为 1.6 mA · 4.4 kΩ ≈ 7.0 V，集电极电压约为 2 V，只比发射极高约 1.2 V。工作点会移到接近饱和的位置。这时输出的峰峰值约为 3.6 V，在它下方剩余的空间里容纳不下，即使输入只有 0.2 V，下半波也已被削平。