實(shí)驗(yàn)二.晶體管特性分析與研究

1、實(shí)驗(yàn)二 晶體三極管放大電路特性分析和研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1熟悉仿真軟件Multisim的使用，掌握基于軟件的電路設(shè)計(jì)和仿真分析方法； 2熟悉仿真軟件Multisim的直流工作點(diǎn)分析、交流分析、溫度掃描和參數(shù)掃描分析方法； 3熟悉便攜式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，掌握基本功能的使用方法； 4通過軟件仿真，了解晶體三極管輸入特性和輸出特性； 5通過軟件仿真和硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，觀測(cè)晶體三極管放大電路輸出波形與靜態(tài)工作點(diǎn)的關(guān)系，理解靜態(tài)工作點(diǎn)在晶體管放大電路中的作用，加深對(duì)截止失真和飽和失真的認(rèn)識(shí)；6、通過軟件仿真和硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，掌握晶體三極管靜態(tài)工作點(diǎn)分析和設(shè)計(jì)方法；7、信號(hào)源內(nèi)阻對(duì)放大器性能的影響。8、掌握放大

2、器電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻、頻率特性的測(cè)試方法。9、熟悉常用電子儀器的使用。二、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)： 復(fù)習(xí)有關(guān)單級(jí)放大電路的內(nèi)容，熟悉基本原理、性能參數(shù)及各元件作用。根據(jù)圖2.1所示的電路，雙極型晶體管2N3904的120，VBE(on)=0.7V。計(jì)算Q1的各極直流電流、直流電壓和該單級(jí)放大器的電壓增益Av。設(shè)電位器調(diào)整到25%。填入表2.1計(jì)算欄。圖2.1 晶體三極管靜態(tài)工作點(diǎn)分析電路表2.1 晶體三極管2N3904靜態(tài)工作點(diǎn)(R2=20K)計(jì)算值仿真值實(shí)測(cè)值基極電流IB(A)NULL集電極電流IC(mA)集電極電壓(V)發(fā)射極電壓(V)工作區(qū)域電壓增益Av三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 便攜式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平

3、臺(tái)（PocketLab、元器件）、+5V直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬用表、信號(hào)發(fā)生器DF1642C、交流毫伏表DF2710B、雙蹤數(shù)字示波器CS-4125A。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： （一） 仿真實(shí)驗(yàn)1根據(jù)圖2.2（a）所示電路，在Multisim中進(jìn)行仿真分析，得到晶體管的輸出伏安特性。 圖2.2 二極管伏安特性實(shí)驗(yàn)電路(a) IV分析儀與三極管的連接；(b) 用IV分析儀測(cè)得的三極管輸出伏安特性曲線仿真任務(wù)：二極管選取型號(hào)2N3904，用IV分析儀對(duì)晶體管的伏安特性進(jìn)行測(cè)量。仿真設(shè)置：根據(jù)圖2.2（b）所示，點(diǎn)擊Sim_Param設(shè)置電壓掃描范圍和電流范圍，三極管V_ce兩端電壓范圍為06V，步進(jìn)50 mV

4、，I_b電流范圍為10A10 A，共10步，如圖2.3所示。然后運(yùn)行Run，可得圖2.2（b）。點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，彈出菜單，選擇select trace ID，彈出如圖2.4所示下拉菜單，選擇所要的I_b，然后移動(dòng)測(cè)量線，便可讀出V_ce值和I_c值，填入表2.2中。根據(jù)測(cè)得值計(jì)算電流放大倍數(shù)，填入表中。圖2.3 模擬參數(shù)設(shè)置圖2.4 select trace ID界面表2.2 不同基極電流下的集電極電流和放大倍數(shù)I_b值I_c值o值值1A2A3A4A5A6A7A8A9A2. 根據(jù)圖2.1所示電路形式，在Multisim中搭建晶體三極管2N3904的直流偏置電路。仿真設(shè)置：Simulate Ana

5、lyses DC Operating Point，在彈出窗口中（如圖2.5）選擇需要列出的靜態(tài)工作各節(jié)點(diǎn)電壓和各支路電流，然后點(diǎn)擊Simulation，進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析。在彈出的直流工作點(diǎn)窗口(如圖2.6)的菜單中選取Tools，再選取Export to Excel，可將輸出結(jié)果轉(zhuǎn)入到EXCEL中，并填入表2.1中的仿真欄?；蛘哌\(yùn)行Run，直接讀取XMM1、XMM2、XMM3顯示的數(shù)值，可知基極、集電極和發(fā)射極的電壓。圖2.5 選取直流工作點(diǎn)圖2.6 保存直流工作點(diǎn)3根據(jù)圖2.1所示電路形式，在Multisim中搭建晶體三極管2N3904單級(jí)放大電路。加入峰峰值=5mV，頻率=1kHz的正弦

6、波。調(diào)整電位器的值約為25%處。仿真設(shè)置：Simulate Run。結(jié)果查看：采用Agilent示波器XSC1，查看輸入、輸出兩路波形。雙擊示波器XSC1器件，出現(xiàn)如圖2.7所示的示波器界面。調(diào)整2個(gè)通道的顯示方式，將它們的波形顯示出來，并采用如圖所指的測(cè)量工具，測(cè)試輸入，輸出波形的峰峰值，計(jì)算得到電壓增益Av，填入表格2.1。圖2.7 Multisim 安捷倫示波器4在保持電路工作狀態(tài)不變的情況下，改變輸入信號(hào)幅度峰峰值，取Vinpp=5mV，Vinpp=10mV，Vinpp=20mV，Vinpp=30mV，Vinpp=40mV，重新進(jìn)行瞬態(tài)仿真和頻譜分析，截取各輸入條件下的輸入輸出波形圖和

7、頻譜分析圖，填入表2.3。此時(shí)在輸出端接上頻率分析儀如圖2.8所示。圖2.8 電路接入頻譜分析儀表2.3 不同輸入情況下的輸入輸出波形圖瞬態(tài)波形圖頻率分析Vinpp=5mV瞬態(tài)波形圖頻率分析Vinpp=10mV瞬態(tài)波形圖頻率分析Vinpp=20mV瞬態(tài)波形圖頻率分析Vinpp=30mV瞬態(tài)波形圖頻率分析Vinpp=40mV思考題：請(qǐng)說明不同輸入情況下的輸出波形有何差異，并嘗試解釋其原因。5.在保持輸入信號(hào)Vinpp=10mV的情況下，將圖2.1中的電位器調(diào)到10%，可觀察到如圖2.9所示的波形。試問此時(shí)輸出波形的失真為何失真？其原因是什么？圖2.9 放大器輸入、輸出波形將圖2.1中的電位器調(diào)到

8、60%，可觀察到如圖2.10所示的波形。試問此時(shí)輸出波形的失真為何失真？其原因是什么？圖2.10 放大器輸入、輸出波形6. 將圖2.1中的電位器調(diào)到25%，從小到大調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的幅度，直到輸出波形出現(xiàn)失真，此時(shí)的輸入信號(hào)應(yīng)該是放大器處于目前狀態(tài)的最大信號(hào)，即輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。7. 取輸入信號(hào)仍為Vinpp=5mV，在信號(hào)源上串聯(lián)一個(gè)電阻R8，表征信號(hào)源內(nèi)阻，如圖2.11所示。取該電阻為50、1k和13k重新進(jìn)行仿真， 截取不同電阻情況下的輸入輸出波形圖，并估算源電壓增益Avs，填入表2.4。 圖2.11 信號(hào)源內(nèi)阻表2.4 不同信號(hào)源內(nèi)阻的輸入輸出波形圖源電壓增益Avs=源電壓增益Avs=源

9、電壓增益Avs=R=50R=1kR=13k8將R4用用200和400的兩個(gè)電阻串聯(lián)，且將旁路電容C3接在節(jié)點(diǎn)9和地之間，得到如圖2.12所示電路。重新仿真，觀察到什么現(xiàn)象？為什么？改變輸入信號(hào)幅度，重新獲得不失真波形，并測(cè)得此時(shí)的電壓增益，與原電壓增益比較，得到何種結(jié)果？請(qǐng)解釋原因，并將兩種增益值填入表2.5。圖2.12 改變C3的位置表2.5 CE1不同接法時(shí)的放大器增益C3接于9-0CE1接于10-0放大器增益AV（二）基于便攜式虛擬仿真平臺(tái)的硬件實(shí)驗(yàn) 本實(shí)驗(yàn)采用便攜式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)室里提供的設(shè)備對(duì)電路進(jìn)行有關(guān)性能測(cè)量。具體步驟如下：1電路連接首先根據(jù)圖2.14在面包板上搭試電路，

10、并將PocketLab的CN2中直流輸出端+5V和GND與電路的電源、地節(jié)點(diǎn)連接；PocketLab的CN1中信號(hào)輸出端S0或S1作為電路的輸入信號(hào)接C2左側(cè)（也可以用1端口）；PocketLab的CN1中輸入端C1和C2分別接到電路輸入信號(hào)端和電阻R5，分別測(cè)試輸入輸出兩路信號(hào)。所有連接如圖2.14所示。注意電位器調(diào)節(jié)到約25%處，即1-3的電阻為35k。圖2.14 硬件連接示意圖2節(jié)點(diǎn)電壓測(cè)量用USB接口線將PocketLab與計(jì)算機(jī)相連，將PocketLab的CN1中輸入端C1和C2與Q1的基極和發(fā)射極相連，閉合PocketLab電源開關(guān)，在電腦中打開“虛擬實(shí)驗(yàn)室”，點(diǎn)擊電源開關(guān)置“ON

11、”，如顯示連接正常，表明PocketLab正常工作。然后在Function功能中選擇直流電壓表，在主面板選擇直流電壓表界面，設(shè)定C1、C2的直流偏置為零，點(diǎn)擊Set完成設(shè)置；點(diǎn)擊ON/OFF開關(guān)，處于ON狀態(tài)，上方將實(shí)時(shí)顯示C1、C2信號(hào)的直流電壓，可檢查晶體管基極和發(fā)射極電壓是否合適。同樣將PocketLab的CN1中輸入端C1和C2與Q1的基極和集電極相連，用直流電壓表測(cè)量它們的電壓，以檢查電壓值是否合適，確保電路搭試正確。3輸入信號(hào)產(chǎn)生將PocketLab的CN1中輸入端C1和C2分別接到電路輸入信號(hào)端和電阻R5相連，在PocketLab的主面板中選擇信號(hào)發(fā)生器，出現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器界面如圖2

12、.15所示，選擇輸出信號(hào)波形為正弦波，頻率為1kHz，信號(hào)幅度Vpp為5mV，DC Offset=0V。點(diǎn)擊按鈕Set，正弦波信號(hào)將輸出到電路輸入端。圖2.15 信號(hào)發(fā)生器界面4輸入、輸出交流波形測(cè)試在PocketLab的Function功能欄中選擇示波器，在主面板中選擇示波器，出現(xiàn)如圖2.15所示的示波器操作界面。選擇合適的時(shí)間和電壓刻度，顯示三極管單級(jí)放大器的輸入、輸出波形。并在窗口中直接讀出其輸入輸出波形的峰峰值，獲得其電壓增益，填入表格2.6，比較計(jì)算值，仿真值和測(cè)試值是否一致。圖2.22 示波器波形顯示表2.6 晶體三極管放大器增益計(jì)算值仿真值實(shí)測(cè)值放大器增益AV5、觀察放大器輸出隨

13、輸入信號(hào)幅度變化根據(jù)仿真情況，從小到大逐漸改變發(fā)生器所產(chǎn)生信號(hào)的幅度，用PocketLab的示波器界面，選擇合適的時(shí)間和電壓刻度，顯示三極管單級(jí)放大器的輸入、輸出波形。6、觀察實(shí)際的截止失真和飽和失真根據(jù)仿真結(jié)果，調(diào)節(jié)電位器R6，讓放大電路工作在截止?fàn)顟B(tài)或飽和狀態(tài)，用PocketLab的示波器界面，選擇合適的時(shí)間和電壓刻度，顯示三極管單級(jí)放大器的輸入、輸出波形。（三）基于實(shí)驗(yàn)室的實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn) 1、電路連接將圖2.14在面包板上搭試電路與PocketLab脫離，用直流穩(wěn)壓電源+5V輸出端接到該電路的+5V，電源的地端接到該電路的接地處。將信號(hào)發(fā)生器輸出端接到放大電路輸入端；示波器的CH1和CH2分別

14、接放大電路的輸入端和輸出端，分別測(cè)試放大電路的工作狀態(tài)。注意電位器調(diào)節(jié)到約25%處，即1-3的電阻為35k。這樣基于便攜式虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)電路狀態(tài)是一樣的，便于不同實(shí)驗(yàn)條件下結(jié)果的比較。2、電壓放大倍數(shù)測(cè)量在放大器輸入端加入頻率為1kHz的正弦波信號(hào)vi，調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器的輸出信號(hào)幅度旋鈕使放大器輸入電壓的峰-峰值約為10mV，同時(shí)用示波器觀察放大器輸出信號(hào)波形。在輸出波形不失真的情況下，用交流毫伏表分別測(cè)量表2.7三種情況的輸入端信號(hào)幅值Vi（有效值）和輸出信號(hào)幅值Vo（有效值），并用示波器觀察輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的相位關(guān)系。測(cè)量數(shù)據(jù)記錄表2.7中。表2.7 電壓放大倍數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)R3

15、/kRL/kVi/mVVo/mVAv輸入信號(hào)vi和輸出信號(hào)vo波形3.323.3103、輸入、輸出電阻測(cè)量 輸入電阻和輸出電阻是放大器的重要性能指標(biāo)，輸入電阻可以反映放大器從信號(hào)源獲取信號(hào)的能力。為了測(cè)量放大器的輸入電阻，按圖2.23所示電路在被測(cè)放大器與信號(hào)源之間串接一個(gè)已知電阻，輸入交流電壓，在放大器正常工作的情況下，用交流毫伏表測(cè)出Vs和Vi，則根據(jù)輸入電阻的定義可得只要測(cè)得Vs、Vi，且已知電阻R，就可測(cè)得輸入電阻Ri。注意，電阻R的取值不宜過大或過小，否則會(huì)產(chǎn)生較大測(cè)量誤差。通常取R與Ri為同一數(shù)量級(jí)為好。圖2.23 放大器輸入電阻與輸出電阻測(cè)量原理電路對(duì)于輸出電阻Ro的測(cè)量，根據(jù)圖

16、2.23所示電路，在放大器正常工作的條件下，用毫伏表測(cè)出輸出端不接負(fù)載RL的輸出電壓Vo和接入負(fù)載后的輸出電壓VL，則根據(jù)即可求得輸出電阻在測(cè)試過程中，應(yīng)保持RL接入前后輸入信號(hào)的大小不變。根據(jù)上述測(cè)量原理，在放大器輸入端加入頻率為1kHz的正弦波信號(hào)vs，調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器的輸出信號(hào)幅度旋鈕使放大器輸入電壓的峰-峰值約為10mV，用示波器觀察放大器輸出信號(hào)波形。在輸出波形不失真的情況下，用交流毫伏表分別測(cè)量信號(hào)源輸出幅值Vs、輸入端信號(hào)幅值Vi（有效值）和接入負(fù)載時(shí)輸出信號(hào)幅值VL（有效值），斷開負(fù)載后，測(cè)得輸出電壓Vo。將測(cè)得的數(shù)據(jù)填入表2.8中。表2.8 輸入、輸出電阻測(cè)量數(shù)據(jù)Vs/mVVi

17、/mVRi/kVL/mVVo/mVRo/k測(cè)量值理論值測(cè)量值理論值4、幅頻特性曲線測(cè)量放大器的頻率特性是放大器電壓放大倍數(shù)的幅值和相位與輸入信號(hào)頻率f之間的關(guān)系曲線。常用通頻帶BW0.7來表示。通頻帶則是電壓放大倍數(shù)隨頻率下降到中頻放大倍數(shù)的0.707倍()時(shí)所對(duì)應(yīng)的上限頻率fH和下限頻率fL之差。BW0.7=fH-fL。放大器的幅頻特性是通過測(cè)量不同頻率信號(hào)時(shí)的放大倍數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。常采用逐點(diǎn)測(cè)試方法，每改變一個(gè)信號(hào)頻率，測(cè)量其相應(yīng)的電壓放大倍數(shù)Av。測(cè)量時(shí)應(yīng)注意取點(diǎn)要恰當(dāng)，在低頻段與高頻段應(yīng)多測(cè)幾個(gè)點(diǎn)，在中頻段可以少測(cè)幾點(diǎn)，便于繪出幅頻特性曲線。放大器的相頻特性的測(cè)試可以通過雙蹤示波器顯示測(cè)量

18、相位差。將輸入、輸出兩個(gè)正弦波形同時(shí)顯示在示波器屏幕上，其正弦波周期為T，相位寬度為T1，則相位差=T1/T×360°。正確選擇頻率測(cè)試點(diǎn)，通常在測(cè)量幅頻特性的同時(shí)，用示波器監(jiān)測(cè)不同頻率點(diǎn)的，即可繪出相頻特性曲線。根據(jù)幅頻特性測(cè)量原理，在保持輸入信號(hào)Vi幅度不變的情況下，改變信號(hào)源頻率f，逐點(diǎn)測(cè)出相應(yīng)的輸出電壓值Vo，測(cè)量數(shù)據(jù)填入表2.9中。表2.9 幅頻特性的測(cè)量數(shù)據(jù)頻率f/kHz輸出電壓Vo/mV增益Av=Vo/Vi 為了信號(hào)源頻率取值合適，可先粗測(cè)一下頻率f，找出中頻范圍，然后再仔細(xì)測(cè)繪找出fL和fH，同時(shí)可用示波器監(jiān)測(cè)輸入、輸出信號(hào)的相位差，測(cè)量相頻特性。 五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告