實驗三：三極管放大電路設(shè)計;吳健雄學(xué)院課件

1、東南大學(xué)電工電子實驗中心實 驗 報 告課程名稱： 電子電路實踐 第 三 次實驗實驗名稱： 三極管放大電路設(shè)計 院 （系）： 吳健雄學(xué)院 專 業(yè)： 電類 姓 名： 學(xué) 號： 610111 實 驗 室: 實驗組別： 同組人員： 實驗時間： 年 月 日 評定成績： 審閱教師： 實驗三 三極管放大電路設(shè)計一、實驗?zāi)康?. 掌握單級放大電路的設(shè)計、工程估算、安裝和調(diào)試；2. 了解三極管、場效應(yīng)管各項基本器件參數(shù)、工作點(diǎn)、偏置電路、輸入阻抗、輸出阻抗、增益、幅頻特性等的基本概念以及測量方法；3. 了解負(fù)反饋對放大電路特性的影響。4. 掌握多級放大電路的設(shè)計、工程估算、安裝和調(diào)試；5. 掌握基本的模擬電路的

2、故障檢查和排除方法，深化示波器、穩(wěn)壓電源 、交流毫伏表、函數(shù)發(fā)生器的使用技能訓(xùn)練。二、預(yù)習(xí)思考：1. 器件資料：上網(wǎng)查詢本實驗所用的三極管9013的數(shù)據(jù)手冊，畫出三極管封裝示意圖，標(biāo)出每個管腳的名稱，將相關(guān)參數(shù)值填入下表：封裝示意圖：參數(shù)符號參數(shù)值參數(shù)意義及設(shè)計時應(yīng)該如何考慮VCBO Min 45V 集電極-基極擊穿電壓VCEO Min 25V 集電極-發(fā)射極擊穿電壓VEBO Min 5V 發(fā)射極-基極擊穿電壓ICM 500mAhFE下降一半時的集電極電流稱作ICMhFE 64-300 直流電壓增益VCE(sat) MAX 0.6V 集電極-發(fā)射極飽和壓降VBE MAX 1.4V 基極-發(fā)射極

3、正向電壓fT Min 150MHZ 特征頻率2. 偏置電路：圖3-3中偏置電路的名稱是什么？簡單解釋是如何自動調(diào)節(jié)晶體管的電流IC以實現(xiàn)穩(wěn)定直流工作點(diǎn)的作用的，如果R1、R2取得過大能否再起到穩(wěn)定直流工作點(diǎn)的作用，為什么？答：該偏置電路是分壓偏置電路 在該電路中R1，R2對電源電壓進(jìn)行了分壓，這就保證了基極電壓穩(wěn)定為：。這樣就為電路提供了穩(wěn)定的工作點(diǎn)。具體來說，就是當(dāng)環(huán)境溫度升高時，ICQ增加，電阻RE上的壓降加大，由于UB的固定，所以加到發(fā)射結(jié)上的電壓減小，IBQ減小，從而使ICQ減小，通過這樣的自動調(diào)節(jié)就穩(wěn)定了靜態(tài)工作點(diǎn)。如果R1，R2取值過大，就會導(dǎo)致流入基極的電流不可忽略，工作點(diǎn)不穩(wěn)定

4、。3. 電壓增益：(I) 對于一個低頻電壓放大器，一般希望電壓增益足夠大，根據(jù)您所學(xué)的理論知識，分析有哪些方法可以提高電壓增益，分析這些方法各自優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)出最佳實現(xiàn)方案。答： 在基本組態(tài)放大電路中，共發(fā)射極放大電路電壓增益高但是高頻特性查；共基極放大電路電壓增益高、高頻特性好但是輸入阻抗低、共集電極放大電路輸出阻抗低，高頻特性好但是電壓增益接近1。所以最好的辦法就是使用組合放大電路。具體怎樣組合，還是要以具體要求而定。 為了提高增益，需要調(diào)節(jié)參數(shù)，以共發(fā)射極電路為例： 共發(fā)射極組態(tài)電路的增益為： 所以可以通過增大RC與RL的方法來增加電路的增益。(II) 實驗中測量電壓增益的時候用到交流毫伏

5、表，試問能否用萬用表或示波器，為什么？答：不可以。本實驗中的電壓信號都非常小，大都在5MV左右，在實際實驗中會發(fā)現(xiàn)這樣小的信號在示波器中很難顯示出來。而對于萬用表來說，測量的誤差也是非常大。所以用交流毫伏表是最好的選擇。4. 輸入阻抗：1) 放大器的輸入電阻Ri反映了放大器本身消耗輸人信號源功率的大小，設(shè)信號源內(nèi)阻為RS，試畫出圖3-3中放大電路的輸入等效電路圖，通過連線回答下面的問題，并做簡單解釋： Ri = RS放大器從信號源獲取較大電壓Ri << RS放大器從信號源吸取較大電流Ri >> RS放大器從信號源獲取最大功率答：當(dāng)Ri = RS，由于，由電路知識可知兩電

6、阻相等時可以獲得最大的功率當(dāng)Ri << RS，輸入阻抗很小，此時電流較大。當(dāng)Ri >> RS，輸入阻抗較大，此時分得電壓較大。 輸入等效電路圖如下： 2) 圖3-1是實際工程中測量放大器輸入阻抗的原理圖，試根據(jù)該圖簡單分析為什么串接電阻RS的取值不能太大也不能太小。 圖3-1 放大器輸入阻抗測量原理圖 答：若Rs太小，則UsUi，若Rs太大，則Ui會很小。所以為了保證器件的直流工作點(diǎn)，保證器件正常工作，所以Rs不能太大也不能太小。3) 對于小信號放大器來說一般希望輸入阻抗足夠高，根據(jù)您所學(xué)的理論知識，分析有哪些方法可以提高圖3-3中放大電路的輸入阻抗。答： 對于不同組態(tài)

7、的放大電路提高輸入阻抗的方法各有不同 對于3-3圖中的共發(fā)射極放大電路來說，輸入阻抗的表達(dá)式為： 由于rbe是改變不了的，所以可以適當(dāng)提高R1與R2的阻值。 另外，加入電壓跟隨器也是不錯的選擇。5. 輸出阻抗：1) 放大器輸出電阻RO的大小反映了它帶負(fù)載的能力，試分析圖3-3中放大電路的輸出阻抗受那些參數(shù)的影響，設(shè)負(fù)載為RL，畫出輸出等效電路圖，通過連線回答下面的問題，并做簡單解釋。 RO = RL負(fù)載從放大器獲取較大電壓 RO << RL負(fù)載從放大器吸取較大電流 RO >> RL負(fù)載從放大器獲取最大功率答：RO = RL，由于，由電路知識可知兩電阻相等時可以獲得最大的

8、功率。RO << RL，輸出阻抗很小，此時電流較大。RO >> RL，輸出阻抗較大，此時分得電壓較大。 輸出等效電路圖與第四題中的等效電路圖是類似。2) 圖3-2是實際工程中測量放大器輸出阻抗的原理圖，試根據(jù)該圖簡單分析為什么電阻RL的取值不能太大也不能太小。圖3-2 放大器輸出阻抗測量原理圖答： 所以要保證輸出電流與輸出電壓都不能太小，所以負(fù)載電阻不能太大也不能太小。3) 對于小信號電壓放大器來說一般希望輸出阻抗足夠小，根據(jù)您所學(xué)的理論知識，分析有哪些方法可以減小圖3-3中放大電路的輸出阻抗。答： 3-3中的放大電路是共發(fā)射極放大電路。其輸出電阻是RC。所以要減小電路

9、的輸出阻抗，減小RC即可。6. 計算圖3-3中各元件參數(shù)的理論值，其中已知：VCC=12V，Ui=5mV，RL=3K，RS=1K， T為9013指標(biāo)要求：Au>50，Ri>1 K，RO<3K，fL<100Hz，fH>100kHz（建議IC取2mA）用Multisim軟件對電路進(jìn)行仿真實驗，仿真結(jié)果填寫在預(yù)習(xí)報告中。注：在老師給的題目中Rs取50，而這里Rs是1k，所以不明白應(yīng)當(dāng)取哪一個值，于是在仿真與實驗中取的是501) 仿真原理圖2) 參數(shù)選擇計算 ，又， 其中IE取2mA，所以rbe約為1.5K，這樣只要RB>1k，那么就可以滿足Ri>1k R0=

10、RC,所以要符合RO<3，所以RC取3k 在此實驗中，電容應(yīng)當(dāng)取得大一些，這樣才能夠使得下限頻率低一些，所以選用了47F，旁路電容取100F。3) 仿真結(jié)果其中CH1為輸入，CH2為輸出。計算可得增益約為122，符合要求。通過波特儀觀察幅頻曲線：下限頻率為94.5HZ上限頻率為23.8MHZ所以上下限頻率均符合題目要求。7. 對于小信號放大器來說一般希望上限頻率足夠大，下限頻率足夠小，根據(jù)您所學(xué)的理論知識，分析有哪些方法可以增加圖3-3中放大電路的上限頻率，那些方法可以降低其下限頻率。 答 ：首先考慮上限頻率。對于上限頻率來說，計算公式為： 其中CM為密勒電容。所以為了增大上限截止頻率，

11、可以同比例地增大R1與R2. 對于下限頻率，有 ， 所以為了減小下限頻率，可以適當(dāng)增大C1、C2、CE。8. 負(fù)反饋對放大器性能的影響答：主要有以下幾點(diǎn)：1. 負(fù)反饋可以提高電路的穩(wěn)定性。2. 負(fù)反饋會減小電路的放大倍數(shù)。3. 負(fù)反饋可以擴(kuò)展通頻帶。4. 負(fù)反饋可以減小非線性失真（放大電路引起的）。9. 設(shè)計一個由基本放大器級聯(lián)而成的多級放大器， 已知：VCC=12V，Ui=5mV，RL=1K，T為9013要求滿足以下指標(biāo)：| Au |>100，Ri>1 K，RO<1001) 仿真原理圖 2) 參數(shù)選擇計算首先，所以Ri取了1M（注：這里也出現(xiàn)了題目要求與報告里要求的矛盾，題

12、目中Ri的要求是大于1M，所以在這里也取Ri大于1M）其次對于增益來說主要由中間的共發(fā)射極放大電路來控制共發(fā)射極放大電路的增益為：題目中要求增益大于100倍，由此確定了圖中的電阻取值。此組合放大電路的輸出電阻表達(dá)式為：，要求輸出電阻小于100，由此也確定了最后一級，即共集電極放大電路的參數(shù)，如圖中所示。對于電容來說，都按照取大的理念來確定的。3) 仿真結(jié)果 其中CH1為輸入，CH2為輸出，由得到的數(shù)據(jù)計算得增益約為115.3倍，符合題目要求。三、實驗內(nèi)容1. 基本要求：圖3-3 射極偏置電路1) 研究靜態(tài)工作點(diǎn)變化對放大器性能的影響(1) 調(diào)整RW，使靜態(tài)集電極電流ICQ=2mA，測量靜態(tài)時晶

13、體管集電極發(fā)射極之間電壓UCEQ。記入表3-3中。(2) 在放大器輸入端輸入頻率為f=1kHz的正弦信號，調(diào)節(jié)信號源輸出電壓US 使Ui=5mV，測量并記錄US、UO和UO（負(fù)載開路時的輸出電壓）的值并填于表3-1中。注意：用雙蹤示波器監(jiān)視UO及Ui的波形時，必須確保在UO基本不失真時讀數(shù)。(3) 根據(jù)測量結(jié)果計算放大器的Au、Ri、Ro。表3-1 靜態(tài)工作點(diǎn)變化對放大器性能的影響靜態(tài)工作點(diǎn)電流ICQ(mA)12測量值測量值理論值誤差輸入端接地UBQ(V)1.72.662.701.5%UCQ(V)8.426.126.002%UEQ(V)1.0842.032.001.5%輸入信號Ui=5mVUS

14、(mV)5.15.185.21.6%UO(V)0.2750.5200.5023.6%UO (V)0.5401.010.9841.73%計算值UBEQ0.6160.630.710%UCEQ7.3384.094.002.25%Au55104100.43.98%Ri/k2.51.391.2511.2%RO/k2.892.762.884.2%實驗結(jié)果分析：由實驗數(shù)據(jù)可以看出，絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)的誤差都在1%左右，說明實驗結(jié)果是符合要求的，但是也有個別數(shù)據(jù)誤差相對較大，比如輸出電壓、增益以及輸入電阻，其中輸入電阻的誤差最大，達(dá)到了百分之十左右。對于輸出阻抗的異常的分析，主要是：本實驗中采用的RS只有50，而

15、輸入電阻式上千，由輸入阻抗的計算式： 可知由于RS很小，所以US與Ui的差量很小，所以US一旦有一點(diǎn)點(diǎn)誤差，都會對RI的測量造成巨大的誤差，所以Ri的測量值會有這么大的誤差。 對于其他的數(shù)據(jù)誤差，原因主要有：1. 小信號下的測量容易產(chǎn)生誤差。2. 工作點(diǎn)不精確，造成了與理論值之間的誤差3. 值等與三極管特性有關(guān)的值的誤差。2) 觀察不同靜態(tài)工作點(diǎn)對輸出波形的影響(1) 改變RW的阻值，使輸出電壓波形出現(xiàn)截止失真，繪出失真波形，并將測量值記錄表3-2中。(2) 改變RW的阻值，使輸出電壓波形出現(xiàn)飽和失真，繪出失真波形，并將測量值記錄表3-2中。表3-2 不同靜態(tài)工作點(diǎn)對輸出波形的影響完全截止截止

16、失真飽和失真完全飽和RW變化對失真的影響測量值UBQ(V)0.5491.8393.63.686RW增加時容易出現(xiàn)截止失真；RW減小時容易出現(xiàn)飽和失真。UCQ(V)11.889.683.303.145UEQ(V)0.0371.2382.973.039波形見下圖見下圖見下圖見下圖計算值ICQ(mA)約為00.772.93UBEQ0.5120.6010.6030.647UCEQ11.8438.3420.330.106R1417k110.5k46.7k45.1k飽和失真圖像：完全飽和失真圖像：輸入截止失真圖像：輸出完全截止失真圖像：輸入輸出（實驗提示：測量截止失真波形時可以加大輸入信號幅度）實驗結(jié)果分

17、析： 對于飽和失真與截止失真的原理，可以由下圖進(jìn)行很好的概括： 分析實驗中所得的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)升高時，出現(xiàn)了飽和失真；當(dāng)靜態(tài)工作點(diǎn)降低時，出現(xiàn)了截止失真。這里對工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)ICQ來完成的，而ICQ的調(diào)節(jié)是根據(jù)公式： 所以調(diào)節(jié)UB即可，即調(diào)節(jié)Rw即可。所以RW增加時容易出現(xiàn)截止失真；RW減小時容易出現(xiàn)飽和失真。 在調(diào)試完全截止失真時直接將RW換為400k的電阻。 從波形和數(shù)據(jù)來看，實驗結(jié)構(gòu)式符合實驗預(yù)期與要求的。 從實驗結(jié)果也可以看出，在放大電路中應(yīng)當(dāng)選擇適中的工作點(diǎn)，避免失真。3）測量放大器的最大不失真輸出電壓分別調(diào)節(jié)RW和US，用示波器觀察輸出電壓UO波形，使輸出波形為

18、最大不失真正弦波。測量此時靜態(tài)集電極電流ICQ和輸出電壓的峰峰值UOP-P。帶負(fù)載時測量 ICQ= 3.25mA ，UOP-P = 2.68 V 輸入輸出實驗結(jié)果分析： 由實驗數(shù)據(jù)可知當(dāng)ICQ=3.25mA,時，可以得到最大不失真輸出電壓2.68V（峰峰值），由波形圖可以看出輸出的波形是非常對稱圓潤沒有失真的。如果再增大輸入信號的電壓，那么就會同時出現(xiàn)飽和失真與截止失真。所以在選擇靜態(tài)工作點(diǎn)時，應(yīng)當(dāng)盡量選擇在這個值附近，以保證可以輸出較大的信號而不失真。4) 測量放大器幅頻特性曲線（1） 使用掃頻儀測出放大器的幅頻特性曲線并記錄曲線，讀出下限頻率fL、上限頻率fH。（2）調(diào)整ICQ=2mA，保

19、持Ui=5mV不變，完成以下內(nèi)容，計入表3-3中：(I) 參考（1）中測得曲線，分別在低頻區(qū)（取fL）、中頻區(qū)（任?。┖透哳l區(qū)（取fH）各取一點(diǎn)測量UO值，記錄下限頻率fL、上限頻率fH，計算帶寬BW。(II) 輸入Ui=5mV，f=fL，用示波器雙蹤顯示輸入輸出波形，記錄波形，并測量兩者間的相位差；(III) 輸入Ui=5mV，f=fH，用示波器雙蹤顯示輸入輸出波形，記錄波形，并測量兩者間的相位差。表3-3 放大電路的幅頻特性f/kHzfL=0.038f=10fH=900UO/V0.170.5580.372Vi超前Vo = t/T 3600108.57114.5帶寬BW = 899.962K

20、HZ 實驗結(jié)果分析： 由數(shù)據(jù)表可看出，下限頻率為38HZ，上限頻率為900KHZ,下限頻率是比較低的，上限頻率也比較高，帶寬較大，符合要求。 f=fL時的輸入輸出波形圖：輸入輸出 實驗結(jié)果分析： 由于頻率很小時，耦合電容無法忽略，所以測得的增益會下降，同時也會產(chǎn)生一定的相位差f=fH時的輸入輸出波形圖：輸出輸入 實驗結(jié)果分析： 當(dāng)頻率很大時，三極管的極間電容無法忽略，所以增益也會下降，相位差也會因此而改變。2提高要求1）設(shè)計一個分別由共源（CS）、共射（CE）和共集（CC）構(gòu)成的三級放大電路，要求滿足以下指標(biāo)：（設(shè)共源、共射和共集的輸出電壓分別為UO1、UO2和UO）Au>100，Ri&

21、gt;1M，RO<100。寫出具體設(shè)計過程，計算電路參數(shù)以及Au、Ri和RO 的理論值。設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，在放大器輸入端輸入頻率為f=1kHz的正弦信號，調(diào)節(jié)信號源輸出電壓US 使Ui=5mV，用示波器雙蹤顯示Ui、Uo的波形，在輸出波形不失真的情況下，記錄波形，測量US、UO和UO（負(fù)載開路時輸出電壓）并計入表3-4中。根據(jù)測量結(jié)果計算放大器的Au、Ri、Ro，與理論值比較。表3-4 多級放大器技術(shù)指標(biāo)測量測量值理論值誤差輸入信號Ui=5mVUS(mV)5.065.040.39%UO1(mV) 5.87.421.6%UO2(V)0.6260.8828.7%UO(V)0.6240.8

22、324.8%UO (V)0.6240.83825.5%計算值A(chǔ)u124.817628.9%Ri/k833116024.4%RO/k096.3100%（1） 設(shè)計過程首先，對于多級放大電路來說，耦合方式有組織容耦合、變壓器耦合、直接耦合三種方式，其中阻容耦合有著保持各級靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立的優(yōu)點(diǎn)，所以在設(shè)計中采用了這一方式。其次，題目中要求輸入阻抗大于1M。此多級放大電路第一級是共源放大電路，其輸入電阻為： 所以為了達(dá)到這個要求，直接講RG接為1M歐。然后，要求輸出電阻小于100歐。最后一級是共集電極放大電路，其輸出電阻的計算式為： 其中rs應(yīng)當(dāng)為前一級，即共發(fā)射極放大電路的輸出電阻。由此湊出了9

23、6.3歐的輸出電阻。 然后，就是增益了。題目中要求增益大于100，而共集電極放大電路的增益幾乎為1，共源放大電路的增益也不大，所以主要靠共發(fā)射極放大電路來提高增益。對于共發(fā)射極放大電路，增益的表達(dá)式為： 其中 由此湊出了176的增益。 這樣，就完成了電路的設(shè)計。但是，在實際調(diào)試過程中，遇到了波形失真，增益不夠等等各種各樣的問題，所以會實時地調(diào)整電路的參數(shù)，讓電路符合題目要求。所以，實際使用的電路與設(shè)計好的電路是有一些不同的，這也是實際值與理論值有一定差距的原因之一。 （2）雙蹤顯示輸入輸出波形圖：輸出輸入（3）實驗結(jié)果分析： 可以說，從實驗的數(shù)據(jù)來看，是非常不盡如人意的。單單看放大器的輸出，無

24、論是從增益來說還是從波形來說還是從輸入、輸出電阻來說都是比較出色的，都是很好的達(dá)到了題目的要求的，但是壞就壞在與理論值的誤差上。 這里的誤差其實是有原因可循的，分析主要有以下幾點(diǎn)：1. 第一點(diǎn)也是最主要的一點(diǎn)就是實際電路與設(shè)計電路的不同。由于在實際調(diào)試過程中設(shè)計的電路無論是增益還是波形都打不到要求，而且極其不穩(wěn)定。所以就直接在實際搭接的電路上進(jìn)行調(diào)試。到了最終驗收時，整個電路已經(jīng)有了不小的改動。但是，驗收完畢后就立即拆除了電路，而忘記記錄最終版本的電路參數(shù)，所以就造成了實際測量與理論值計算的電路不是一個電路，這很顯然會使得實測數(shù)據(jù)與理論值數(shù)據(jù)之間的誤差。（對于這個失誤，在此向老師道歉，請求諒解）。2. 由實驗數(shù)據(jù)可以看出，誤差主要來源于第一級放大，后面兩級是比較準(zhǔn)確的。第一級的放大沒有能夠達(dá)到理想的增益。對于電路本身，有誤差也是在所難免的。比如靜態(tài)工作點(diǎn)的不穩(wěn)定，比如值的誤差等等都會造成測量的誤差。3. 由實驗數(shù)據(jù)可以看出，誤差主要來源于第一級放