怎样用示波器判断放大器输出波形失真

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判断放大器中晶体管的工作状态,一般采用测量集电极直流电流或测量发射极对地的直流电压的方法。这种方法虽然简便,但不能直接看到输出波形失真的情况。如果在放大器的输入端加上一个正弦信号电压,在输出端用示波器观察输出波形,就能直接看到波形失真的情况,而且可以根据输出波形是顶部失真还是底部失真来判断晶体管是工作在饱和状态还是截止状态,然后再有目的地去调整偏置电阻的大小,就容易把工作点调到合适的位置。例如,在图1a所示的电路中(采用NPN管共发射极电路),如果通过观察它的输出波形,分析出产生的是饱和失真,那么就应当增大偏置电阻R\(_{b}\),以减小基极静态电流、降低工作点,必要时也可以将直流负载电阻Rc减小。

图1
图1 🔍原图 (1292×332)

怎样根据放大器的输出波形来分析它的失真情况呢?也就是说,怎样确定它是饱和失真还是截止失真呢?这就要求根据放大电路的不同形式和晶体管的不同极性进行具体分析。因为即使在示波器上显示出同一种失真波形(例如同是顶部失真或同是底部失真),有的电路是饱和失真,也有的电路是截止失真。

晶体管电路通常按照输出端与输入端的连接方式分为三种形式:共发射极电路、共集电极电路和共基极电路。而每种电路所采用的晶体管又有NPN和PNP两种极性,所以共有六种不同形式的常用电路。下面先以图1a所示的共发射极NPN型单管放大器为例,说明判断的方法。设输入信号电压V\(_{i}\)为正弦波,则基极电流ib也为正弦波,而且与V\(_{i}\)同相,见图1b。图1b中的Ib为晶体管的静态偏置电流。晶体管的直流通路如图1c所示,其中E\(_{b}\)为晶体管基极的等效直流偏置电压。根据图中所标电压电流的方向,晶体管集电极与发射极之间的电压Vce必满足下式:

V\(_{ce}\)=Ec-i\(_{c}\)Rc

根据此式我们研究V\(_{ce}\)与ic之间的关系。当V\(_{i}\)为正半周时,晶体管发射结两端的电压为正向偏置电压Eb与V\(_{i}\)正半周电压之和。如果工作点取得偏高(即Eb值偏高),V\(_{i}\)值又较大时,ib的最大值将使i\(_{c}\)值很大,Rc上的压降i\(_{c}\)Rc则接近于E\(_{c}\),因此Vce=E\(_{c}\)-icR\(_{c}\)将变得很小,硅管约为0.3伏,锗管约为0.1伏。此时晶体管处于饱和状态,电压Vce最小,因此V\(_{ce}\)的波形处于正弦波的负半周(为了分析简明起见,这里未考虑外接负载的情况,因为外接负载上的电压即输出电压与Vce同相)。由此可见,这种电路的输出波形只要是在负半周最大值附近出现平顶(见图1d),必是饱和失真。当V\(_{i}\)为负半周时,发射结上的电压为正向偏置电压Eb与V\(_{i}\)负半周叠加,实际上是使加在发射结两端的正向电压减小。如果偏置电压Eb取值偏低,V\(_{i}\)的负半周电压值又很大时,将会使ib=0,i\(_{c}\)=0,Vce=E\(_{c}\)。此时晶体管截止,而输出电压的波形则处于正弦波的正半周。因此这种电路的输出波形只要是在正半周最大值附近出现平顶(见图1e),必是截止失真。

由PNP型晶体管组成的共发射极单极放大电路见图2a,分析方法与NPN型管类似。为了分析方便,我们设i\(_{b}\)的方向与图1a相反,这不影响分析结果。ib与V\(_{i}\)的关系见图2b,Ib仍为静态偏置电流。图2a的直流通路见图2c。由于-E\(_{c}\)为负极性,偏置电压Eb也为负极性,所以i\(_{b}\)及ic的最大值将出现在V\(_{i}\)为负半周最大值时,此时Rc上的压降i\(_{c}\)Rc为正值,集电极与发射极之间的电压满足下式:

V\(_{ce}\)=-Ec+i\(_{c}\)Rc

如果偏置电压E\(_{b}\)取值偏大(指绝对值大),而且Vi值也较大,那么当V\(_{i}\)为负值时,Vi与E\(_{b}\)叠加的结果,将使晶体管出现饱和状态。由图2c可见,晶体管饱和时Vce接近0伏,此时电压V\(_{ce}\)的波形处在正半周,因此输出电压的正半周出现平顶,见图2d。反之,如果偏置电压取值偏小,那么当Vi为正值时,V\(_{i}\)与Eb叠加的结果,将使晶体管处于截止状态。由图2c可见,晶体管截止时V\(_{ce}\)=-Ec+0=-E\(_{c}\),因此Vce的波形是处在负半周,也就是输出电压的负半周出现平顶(见图2e)。

图2
图2 🔍原图 (1248×312)

依此类推,由NPN型或PNP型晶体管组成的共集电极和共基极电路,也可以根据E\(_{c}\)及偏置电压的极性来确定ib、i\(_{c}\)出现最大及最小值的部位,从而找到造成失真的原因。现将上述四种电路的输入输出波形及输出波形的失真情况列于附表,以供查阅及调试时参考。

图3
图3 🔍原图 (1401×699)

下面需要说明几个问题:

(1)为了减小饱和失真或截止失真,正确地选择工作点及输入信号幅度是十分必要的。鉴别工作点是否正确的方法是看输出波形失真的产生情况:当V\(_{i}\)逐渐增大时,若输出波形同时出现饱和失真与截止失真,表明工作点是处于交流负载线的中点,首先出现截止失真则说明工作点偏低,应减小Rb;首先出现饱和失真则说明工作点偏高,应加大R\(_{b}\)。需要指出,一般前级放大器输入的信号很小,因此没有必要输入很大的信号去测试晶体管的工作状态,也不必苛求工作点一定要处于负载线的中点。而为了减少消耗和有较大的放大倍数,前级放大器的Rc值一般取得较大,工作点偏低。只有动态范围较大的推动级、末级或功率放大级,需要考虑晶体管尽限运用时,才需要用这种方法观察失真情况,并适当调整工作点。

(2)附表中给出的波形相位关系是指单级放大器而言的,原则上也适用于奇数级的多级放大器的情况,如三级、五级等。如果是偶数级多级放大器,则输出波形出现的饱和失真与截止失真的半周恰好与附表相反。

(3)以上测试是在示波器的显示为正极性时进行的,即输入示波器的波形为正半周时,示波器显示的波形也为正半周。而有些示波器往往为负极性显示,这就把产生失真的半周弄颠倒了,所以在使用示波器之前,最好能鉴别一下示波器的极性。最简单的办法是用一节电池(或稳压电源)负极接示波器地端,正极接示波器输入端,当示波器输入端接电池正极的一瞬间,看示波器扫描线向上移动还是向下移动,如向上移动则表明示波器为正极性,否则为负极性。(谭明光)