多諧振蕩器是一個(gè)古老的振蕩電路，是由Abraham, Bloch, Eccles, Jordan等人在1919年提出的電路。當(dāng)年是采用電子管設(shè)計(jì)的電路。隨著1940年晶體管出現(xiàn)之后，采用晶體管設(shè)計(jì)的多諧振蕩器產(chǎn)生了。

下圖是一個(gè)實(shí)際可以工作的晶體管組成的多諧振蕩器，右邊給出了電路中的工作電壓波形。

如果僅僅看兩個(gè)三極管的基級(jí)電阻和集電極電阻的配置，三極管應(yīng)該都是工作在飽和狀態(tài)，為什么該電路還能夠發(fā)生振蕩呢？為什么兩個(gè)三極管不都處于飽和狀態(tài)呢？

這就就要驗(yàn)證，在三極管處于飽和狀態(tài)，它是否還有信號(hào)放大能力。
在上述電路中，只要兩個(gè)三極管的信號(hào)放大能力的乘積大于1，該電路就能夠狀態(tài)切換，產(chǎn)生多諧振蕩。

下面分別對(duì)有NPN三極管組成的單管放大電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

一、正常工作狀態(tài)下電路增益

1.實(shí)驗(yàn)電路圖

下圖為單級(jí)放大電路的實(shí)驗(yàn)電路圖

2.實(shí)驗(yàn)電路理論分析

三級(jí)管T 1 T_1T1的工作點(diǎn)偏置電阻R 1 R_1R1，R p R_pRp分別是：
R 1 = 510 k Ω , R p = 86.9 k Ω R_1=510kOmega, R_p=86.9kOmegaR1=510kΩ,Rp=86.9kΩ
使用LCR表測(cè)量輸入端的等效電阻R i R_iRi=21.5kΩ OmegaΩ。
由于輸入電阻R i R_iRi等于R1，Rp以及三極管的輸入電阻的R b R_bRb并聯(lián)。
R i = R 1 / / R p / / R b R_i=R_1//R_p//R_bRi=R1//Rp//Rb
因此，可以求出三級(jí)的輸入電阻R b R_bRb=30.36kΩ OmegaΩ

如果假設(shè)三級(jí)的的集電極等效電阻為無窮大，那么該電路的負(fù)載阻抗為：R 2 / / R 4 = 2.56 k Ω R_2//R_4=2.56kOmegaR2//R4=2.56kΩ。使用LCR表實(shí)測(cè)（3）點(diǎn)的阻抗測(cè)量的阻抗R l = 2.38 Ω R_l=2.38OmegaRl=2.38Ω）

使用萬用表的Hfe測(cè)量得到三極管參數(shù)： 型號(hào)8050； 電流放大倍數(shù)β etaβ=311。
理論上分析該單管放大電路小信號(hào)的增益為：
G a i n = β ? R l R b = 311 ? 2.38 30.36 = 24.4 ( 27.7 d b ) (hi) Gain=eta ag{hi}cdotfrac{R_l}{R_b}=311cdotfrac{2.38}{30.36}=24.4(27.7db)Gain=β?RbRl=311?30.362.38=24.4(27.7db)(hi)

3.實(shí)測(cè)電路小型號(hào)放大增益

使用信號(hào)源產(chǎn)生1kHz的正弦信號(hào)，幅值從0.35mV增加到35mV。通過數(shù)字萬用表真有效交流電壓檔分別測(cè)量輸入信號(hào)與輸出信號(hào)。然后計(jì)算在不同的輸入信號(hào)幅值下該電路的增益，如下圖所示：

隨著輸入信號(hào)幅值增加，單管放大電路的增益變化
實(shí)測(cè)顯示，該放大電路的信號(hào)增益在33db左右，比上面理論分析要大。

電路的增益隨著信號(hào)的幅值增加逐步降低。這是由于該電路工作在5V電源下。輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍理論上只有2.5V左右，考慮到三極管輸入和輸出的非線性，當(dāng)信號(hào)幅值增加時(shí)，輸出信號(hào)發(fā)生失真。

下圖顯示了信號(hào)變化的情況。當(dāng)輸入信號(hào)幅值增加，輸出信號(hào)呈現(xiàn)頂部飽和，底部截止的特性，這使得信號(hào)放大增益降低，輸出諧波增加。

二.三極管飽和狀態(tài)下電路增益

三極管設(shè)置在飽和狀態(tài)下，并不是沒有放大能力，只是電路的增益下降了。同時(shí)電路放大信號(hào)失真增加了。

1.電路電路圖

電路圖與上面的實(shí)驗(yàn)電路相同，只是改變了R 1 , R 2 R_1, R_2R1,R2，使得三極管不再工作在放大區(qū)域，而是出于飽和狀態(tài)。
具體參數(shù)如下圖所示，電路中靜態(tài)工作點(diǎn)電壓也在圖中標(biāo)示出。

單管NPN放大實(shí)驗(yàn)電路，電路配置在飽和狀態(tài)下

由于晶體管的集電極電壓過低，只有0.026V，電路處于過飽和狀態(tài)。

使用TH2821A LCR表，去掉電阻R 3 R_3R3之后，測(cè)量電路在加電之后的輸入電阻：R i R_iRi=3090Ω OmegaΩ。
這是單管放大電路的輸入電阻，它等于R 1 R_1R1與晶體管T 1 T_1T1輸入電阻的并聯(lián)：R i R_iRi=R i R_iRi//R t R_tRt。
由于R 1 R_1R1比較大，所以R i R_iRi基本上等于晶體管T 1 T_1T1的輸入電阻。

手持LCR表：TH2821A，用于測(cè)試放大電路的輸入電阻

下面測(cè)試該電路隨著輸入信號(hào)的幅值增加對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)。
使用信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生1000Hz，幅值可調(diào)的信號(hào)作為放大電路的輸入信號(hào)。使用高頻真有效值萬用表分別測(cè)量單管放大電路的輸入和輸出信號(hào)，計(jì)算所對(duì)應(yīng)的電路的交流小信號(hào)的放大器增益。

下面給出了輸入信號(hào)的幅值從0.03mV增加至0.425mV過程中，放大電路的輸入輸出波形和幅值。

放大器的輸入輸出信號(hào)，在不同的輸入信號(hào)的幅值下對(duì)應(yīng)不同的輸出和放大增益
由于電路處在飽和狀態(tài)，所以輸出的信號(hào)呈現(xiàn)放大的失真。

繪制電路增益隨著輸入信號(hào)幅度增加的變化曲線。隨著輸入信號(hào)的幅度增加，電路的增益很快從2db增加到24db。

飽和狀態(tài)下的三極管放大電路增益隨著輸入信號(hào)的幅值增加而增加
測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，三極管配置在飽和狀態(tài)下，電路的增益比起前面工作在放大區(qū)的時(shí)候大大降低了。但是還是有一定的信號(hào)放大能力的。

飽和狀態(tài)下的電路增益，隨著信號(hào)的輸入增加增加。這一點(diǎn)與前面三極管工作在放大區(qū)也是有很大的區(qū)別的。

將R 1 R_1R1更換成100kΩ OmegaΩ，電路進(jìn)入更深的飽和狀態(tài)。在這種情況下繼續(xù)測(cè)試電路的增益與輸入信號(hào)的幅值之間的關(guān)系。

將$T_1$的偏執(zhí)電阻$R_1$更換成100k$Omega$，電路的輸入輸出波形

下圖繪制了電路的增益隨著輸入信號(hào)幅值增加而變化的情況。當(dāng)輸入信號(hào)的幅值小于10mV的時(shí)候，電路的增益小于0dB。此時(shí)電路不具備放大特性。

飽和狀態(tài)下的三極管放大電路增益隨著輸入信號(hào)的幅值增加而增加

將R 1 R_1R1更換成51kΩ OmegaΩ，電路再進(jìn)一步更深的飽和狀態(tài)。

電路的增益隨著輸入信號(hào)的增益做緩慢增益。值得注意的是，當(dāng)信號(hào)的輸入幅度小于23mV的時(shí)候，電路增益小于0dB。

飽和狀態(tài)下的三極管放大電路增益隨著輸入信號(hào)的幅值增加而增加

將上面三種偏執(zhí)電阻R1的電路增益隨著輸入信號(hào)的增加而變化曲線繪制在同一張圖上，對(duì)比如下：

從上面的結(jié)果可以看出，當(dāng)電路進(jìn)入更深的飽和時(shí)，電路的增益進(jìn)一步下降。它們的增益隨著輸入信號(hào)幅值的增益而上升。

三、單管放大電路增益與工作電壓之間的關(guān)系

將三極管單級(jí)放大電路配置在飽和狀態(tài)下，實(shí)驗(yàn)研究電路的交流小信號(hào)增益與工作電壓VCC之間的關(guān)系。根據(jù)第二節(jié)中實(shí)驗(yàn)結(jié)果，此時(shí)工作在飽和狀態(tài)下的三極管放大電路的增益與輸入信號(hào)的幅值也有關(guān)系，所以在下面實(shí)驗(yàn)中使用三種不同輸入信號(hào)的幅值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1.實(shí)驗(yàn)電路圖

實(shí)驗(yàn)電路仍然使用上面電路的框架，對(duì)于三極管T 1 T_1T1的偏置電阻R 1 R_1R1和工作電路R 2 R_2R2分別取100kΩ OmegaΩ和20kΩ OmegaΩ。

這種配置在工作電壓VCC=5V的情況下，三極管處于飽和狀態(tài)，集電極電壓只有0.0196V。

2. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

仍然使用信號(hào)源產(chǎn)生1kHz的正弦波信號(hào)，分別設(shè)置輸入信號(hào)的幅值為17mV，

(1) 輸入信號(hào)幅值為17mV時(shí)電路放大性能。

飽和狀態(tài)下三極管的工作電壓VCC從0V一直增加到5V,電路的輸入和輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)變化過程如下面動(dòng)圖所示。

電路的增益如下圖所示。當(dāng)VCC大于0.6V之后，電路開始有了放大能力。當(dāng)VCC增加到2.7V的時(shí)候，電路放大倍數(shù)增加到最大，大約是4.2。隨后，隨著工作電壓的增加，電路的增益反而下降。

之所以造成上面放大倍數(shù)隨著工作電壓增加反而下降的原因，是由于電路的輸入阻抗隨著VCC的增加，上升了。

（2）輸入信號(hào)為7mV時(shí)電路增益

輸入信號(hào)幅值為7mV時(shí)，將工作電壓VCC從0V遞增至5V，電路的輸入輸出信號(hào)的變化情況如下圖所示。

電路的放大特性如下圖所示。

觀察到在工作電壓小于0.5V的時(shí)候，電路實(shí)際上處于截止?fàn)顟B(tài)。之所以前面的增益似乎在1左右，應(yīng)該從上面的波形圖上可以看出，此時(shí)由于電路處于截止，實(shí)際上輸入，輸出部分有高頻的干擾信號(hào)，使得輸出的交流成分增加。但實(shí)際上它們并不是實(shí)際輸入信號(hào)的放大信號(hào)。

同樣，隨著工作電壓增加到5V，電路的整體增益一直下降。在工作電壓大于3.2V之后，信號(hào)的增益小于1。

（3）輸入信號(hào)幅值為27mV時(shí)，放大電路的增益

輸入信號(hào)的幅值設(shè)定為27mV，將工作電壓從0V增加到5V，放大電路的輸入輸出信號(hào)的波形如下圖所示：

放大電路的增益隨著工作電壓的增加而增加，如下圖所示：

編輯：hfy