單級(jí)電壓放大電路設(shè)計(jì)

1、東南大學(xué)電工電子實(shí)驗(yàn)中心實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告課程名稱： 電子電路實(shí)踐 第 三 次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)三 單級(jí)電壓放大電路設(shè)計(jì)一、基本信息實(shí)驗(yàn)時(shí)數(shù)：6學(xué)時(shí)時(shí)間要求：第1011周完成，第11周內(nèi)交實(shí)驗(yàn)報(bào)告教 材： 電子線路實(shí)踐Page 16實(shí)驗(yàn)檢查：帶班教師檢查二、學(xué)習(xí)目標(biāo)：1、 掌握單級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)、工程估算、安裝和調(diào)試；2、 了解三極管各項(xiàng)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(cè)量方法；3、 了解負(fù)反饋對(duì)放大電路特性的影響。4、 掌握基本的模擬電路的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。三、設(shè)計(jì)提示：圖3-1 射級(jí)偏置電路

2、1、 對(duì)于圖3-1中的偏置電路，只有R2支路中的電流I1>>IBQ時(shí)，才能保證UBQ恒定實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)定工作點(diǎn)的作用，所以工程中一般?。海ü韫埽ㄦN管）。2、 為了提高電路的穩(wěn)定性，一般要求UBQ>>UBE，工程中一般取UBQ=(510)UBE，即UBQ=(35)V（硅管），UBQ=(13)V（鍺管）。3、 電路的靜態(tài)工作點(diǎn)電流 ，由于是小信號(hào)放大，所以ICQ一般取0.52mA。4、 ICQ確定后通過以下公式可計(jì)算R1和R2的值：，。5、 交流電壓放大倍數(shù)。6、 交流輸入阻抗。7、 交流輸出阻抗。8、 電路頻率特性的下限頻率值主要受C1，C2和CE影響，其關(guān)系分別為：，。9

3、、 幅頻特性曲線、上限頻率、下限頻率、截止頻率中心頻率、帶寬的測(cè)量方法： (a)單級(jí)放大器放大特性 (b)低通特性 (c)高通特性 (d)帶通特性圖3-2 幅頻特性示意圖幅頻特性反應(yīng)了電路增益和頻率之間的關(guān)系，圖3-2列出了常見的幅頻特性類型。 (a)和(d)中的fL表示下限頻率，fH表示上限頻率，帶寬BW=fH-fL，(d)中的f0表示中心頻率；(b)和(c)中的 f0表示截止頻率。在實(shí)驗(yàn)中可采用“逐點(diǎn)法”測(cè)量不同頻率時(shí)的電壓放大倍數(shù)Au來測(cè)量幅頻特性。測(cè)量時(shí)，保持輸入信號(hào)幅度不變，改變輸入信號(hào)頻率，每改變一次信號(hào)頻率，用交流毫伏表或示波器測(cè)量一個(gè)輸出電壓值，計(jì)算其增益，然后將測(cè)試數(shù)據(jù)列表、

4、整理并在坐標(biāo)紙上將其連接成曲線。由于函數(shù)發(fā)生器的輸出信號(hào)幅度在不同頻率時(shí)可能會(huì)有變化，因此每改變一次頻率都要用交流毫伏表或示波器測(cè)量輸入信號(hào)的幅度，一定要保證輸入信號(hào)的幅度不改變。為了更快更準(zhǔn)確的測(cè)量幅頻特性，必須根據(jù)不同幅頻特性類型，選擇不同的測(cè)量技巧。對(duì)于(a)可先測(cè)出中頻區(qū)的輸出電壓值，然后調(diào)高或調(diào)低頻率使輸出電壓降到中頻電壓值的0.707倍，從而找到fL和fH，然后在fL和fH之間和左右找3至5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，即可較準(zhǔn)確的繪制曲線。(b)和(c)也可參考這種方式來測(cè)量。對(duì)于(d)可從較低的頻率值逐步增加頻率，用交流毫伏表或示波器測(cè)量輸出信號(hào)，剛開始輸出信號(hào)幅度隨著頻率的增加而增加，當(dāng)增加

5、到某一個(gè)頻率時(shí)，輸出信號(hào)幅度隨著頻率的增加開始減小，則該頻率為中心頻率，記下該頻率對(duì)應(yīng)的幅度，然后調(diào)高或調(diào)低頻率使輸出電壓降到中心頻率電壓的0.707倍，從而找到fL和fH。四、預(yù)習(xí)思考：1、 器件資料：上網(wǎng)查詢本實(shí)驗(yàn)所用的三極管9013的數(shù)據(jù)手冊(cè)，畫出三極管封裝示意圖，標(biāo)出每個(gè)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(hào)參數(shù)值參數(shù)意義及設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該如何考慮VCBOMin 45V超過這個(gè)電壓三極管就可能被擊穿。在設(shè)計(jì)時(shí)需保證UCB，UCE，UEB在以上參數(shù)范圍內(nèi)以保證三極管正常工作。VCEOMin 25VVEBOMin 5VIC只有截止電流IcboIE只有截止電流IceohFE6430

6、0直流電流增益VCE(sat)Max 0.6V集電極-發(fā)射極飽和壓降VBEMax 1.4V基極-發(fā)射極正向電壓fTMin 150MHz特征頻率2、 偏置電路：圖3-1中偏置電路的名稱是什么？簡(jiǎn)單解釋是如何自動(dòng)調(diào)節(jié)晶體管的電流IC以實(shí)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：分壓偏置。由于R1、R2起到分壓的作用，確保電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，從而使得Ic，Ib穩(wěn)定。如果R1、R2取值過大，導(dǎo)致R1，R2電路中電流小，從而會(huì)影響到流入基極的電流，不穩(wěn)定直流工作點(diǎn)。3、 電壓增益：(I) 對(duì)于一個(gè)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(shí)

7、，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(shí)現(xiàn)方案。答：一級(jí)放大器而言，共射和共基和放大倍數(shù)是相對(duì)較大的，但是缺陷是輸出阻抗較大。共集基本沒有放大作用，但是輸出阻抗遠(yuǎn)小于共射和共基，在希望有較大的電壓增益時(shí)一般不會(huì)采用。對(duì)于共射的增益由于、是三極管本身參數(shù)而Rl是負(fù)載，都無法改變，因此可以通過適當(dāng)增大Rc的方法增大增益。多級(jí)放大器級(jí)聯(lián)可以利用共射、共基和共集各自的輸入輸出特性，組成級(jí)聯(lián)放大電路，從而使得電路的特性達(dá)到最優(yōu)化，但是具體的電路參數(shù)要根據(jù)實(shí)際的要求來決定。(II) 實(shí)驗(yàn)中測(cè)量電壓增益的時(shí)候用到交流毫伏表，試問能否用萬用表或示波器，為什么？答：不能。原因是實(shí)驗(yàn)

8、中所測(cè)的信號(hào)幅度都很小，而萬用表和示波器測(cè)量時(shí)本身的信號(hào)干擾等誤差是不可避免的，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)有很大毛刺，想比較而言交流毫伏表測(cè)量的干擾就要小很多。4、 輸入阻抗：(I) 放大器的輸入電阻Ri反映了放大器本身消耗輸人信號(hào)源功率的大小，設(shè)信號(hào)源內(nèi)阻為RS，試畫出圖3-1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(jiǎn)單解釋： Ri = RS放大器從信號(hào)源獲取較大電壓Ri << RS放大器從信號(hào)源吸取較大電流Ri >> RS放大器從信號(hào)源獲取最大功率答：Ri = RS 放大器從信號(hào)源獲取最大功率Ri << RS 放大器從信號(hào)源吸取較大電流Ri >&g

9、t; RS 放大器從信號(hào)源獲取較大電壓當(dāng)Ri = RS，由于P=Us/(Ri+Rs)2Ri，此時(shí)P最大。當(dāng)Ri << RS，輸入阻抗很小，I=Us/(Rs+Ri)，此時(shí)電流較大。當(dāng)Ri >> RS，輸入阻抗較大，由U=Us/(Ri+Rs)*Ri，此時(shí)分得電壓較大。(II) 圖3-3是實(shí)際工程中測(cè)量放大器輸入阻抗的原理圖，試根據(jù)該圖簡(jiǎn)單分析為什么串接電阻RS的取值不能太大也不能太小。 圖3-3 放大器輸入阻抗測(cè)量原理圖 答：因?yàn)楸仨毐ＷC器件正常工作，所以放大器的輸入電壓電流等受到限制。(III) 對(duì)于小信號(hào)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(shí)，分析有哪些

10、方法可以提高圖3-1中放大電路的輸入阻抗。答：由于分壓式共射放大電路的輸入阻抗Ri=R1/R2/rbe，其中rbe是三極管的本身屬性無法改變，因此要增大輸入阻抗，同時(shí)要保持靜態(tài)工作點(diǎn)不變，可以適當(dāng)?shù)耐壤龃驲1、R2。5、 輸出阻抗：(I) 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3-1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(jiǎn)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，負(fù)載從放大器獲取最

11、大功率。RO << RL，負(fù)載從放大器吸取較大電流。RO >> RL，負(fù)載從放大器獲取較大電壓。原理與上面輸入阻抗部分是一致的，只是將輸出阻抗看成Rs，負(fù)載看成輸入。(II) 圖3-4是實(shí)際工程中測(cè)量放大器輸出阻抗的原理圖，試根據(jù)該圖簡(jiǎn)單分析為什么電阻RL的取值不能太大也不能太小。 圖3-4 放大器輸出阻抗測(cè)量原理圖答：，。要保證這兩個(gè)值都不太小，就必須保證Rl適中。若Rl過小則Uo會(huì)很小，若Rl過大則導(dǎo)致Io較小。(III) 對(duì)于小信號(hào)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(shí)，分析有哪些方法可以減小圖3-1中放大電路的輸出阻抗。答：由在后面串入一共集

12、放大電路，減小輸出阻抗。6、 計(jì)算圖3-1中各元件參數(shù)的理論值，其中已知：VCC=12V，Ui=5mV，RL=3K，RS=50， 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(duì)電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果填寫在預(yù)習(xí)報(bào)告中。答：我們用SXT2907A代替。實(shí)際測(cè)得9013的bf為140，Multisim中查得SXT2907A的bf為100300。經(jīng)過測(cè)試，在信號(hào)源置零時(shí)，將RW調(diào)節(jié)至12.68k時(shí)，Ic為2mA。此時(shí)的靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)試如下：Uc=5.85V，Ub=2.70V，U

13、e=2.06V。在外加信號(hào)源的情況下：當(dāng)輸入信號(hào)（Ui）有效值為5mV時(shí)，測(cè)得此時(shí)的電源電壓Us和輸出電壓Uo分別為18.374mV和500.59mV。而如果輸出開路，則測(cè)得開路電壓Uo為726.17mV。輸入輸出信號(hào)的波形如圖所示：利用波特儀測(cè)得幅頻特性曲線如圖所示：7、 對(duì)于小信號(hào)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(shí)，分析有哪些方法可以增加圖3-1中放大電路的上限頻率，那些方法可以降低其下限頻率。答：根據(jù)fH和fL表達(dá)式，增大的方法是減小R1和R2（同比例）。fL主要受C1、C2、CE的影響，因此可以通過適當(dāng)增大C1、C2、CE減小8、 負(fù)反饋對(duì)放大器性能

14、的影響答：在共射放大電路上增加負(fù)反饋之后，增益減小，但是其他性能都有所提高，如輸入阻抗、輸出阻抗都會(huì)增大，另外能夠增大帶寬，并對(duì)噪聲，干擾和溫漂具有一定的抑制作用。五、基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 研究靜態(tài)工作點(diǎn)變化對(duì)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(cè)量靜態(tài)時(shí)晶體管集電極發(fā)射極之間電壓UCEQ。記入表3-1中。(2) 在放大器輸入端輸入頻率為f=1kHz的正弦信號(hào)，調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出電壓US 使Ui=5mV，測(cè)量并記錄US、UO和UO表3-1中。注意：用雙綜示波器監(jiān)視UO及Ui的波形時(shí)，必須確保在UO基本不失真時(shí)讀數(shù)。(3) 重新調(diào)整RW，使ICQ分別為1.5mA和2.5mA

15、，重復(fù)上述測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果記入表3-1中。(4) 根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算放大器的Au、Ri、Ro。表31 靜態(tài)工作點(diǎn)變化對(duì)放大器性能的影響靜態(tài)工作點(diǎn)電流ICQ(mA)1x(設(shè)計(jì)值)x=2測(cè)量值測(cè)量值理論值誤差輸入端接地UBQ(V)1.662.702.660.1.5%UCQ(V)8.925.856.002.50%UEQ(V)1.042.062.164.63%輸入信號(hào)Ui=5mVUS(mV)5.548.388.551.99%UO(V)0.2780.5200.4926.10%UO (V)0.5400.9730.9841.11%計(jì)算值UBEQ0.6210.6360.5027.2%UCEQ8.1864.186

16、3.849.01%Au54.6101.498.52.94%Ri/k8.525.232.133145%RO/k2.942.7737.67%實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：誤差分析：基本上誤差還是在允許范圍內(nèi)，靜態(tài)工作點(diǎn)部分可能存在一些的誤差，誤差主要在輸入阻抗上，原因是在測(cè)量Us時(shí)已經(jīng)有不小的誤差，電阻并不是精密電阻，存在誤差，利用Us和Ui計(jì)算Ri時(shí)又將這部分誤差放大，導(dǎo)致最后得到的結(jié)果不太理想。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：從兩組數(shù)據(jù)的對(duì)比可以看到，靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)輸入輸出阻抗，電壓增益等參數(shù)都有非常大的影響，因此合理選擇靜態(tài)工作的重要性不言而喻。后面還會(huì)提到飽和失真和截止失真的問題，同樣也跟靜態(tài)工作點(diǎn)緊密聯(lián)系。由三極管的Ic和Uc

17、e圖像可知，三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)會(huì)影響三極管出現(xiàn)飽和失真和截止失真這兩種情況，這也是我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中所要關(guān)注的地方。2、 觀察不同靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)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(cè)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(cè)量值記錄表3-2中。 表3-2 不同靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)輸出波形的影響完全截止截止失真飽和失真完全飽和RW變大、小測(cè)量值UBQ(V)0.5700.6003.403.84RW增大時(shí)容易出現(xiàn)截止失真，RW減小時(shí)容易出現(xiàn)飽和失真UCQ(V)11.810.23.883.20UEQ(V)60.9mv1.

18、2002.763.16計(jì)算值ICQ(mA)00.532.892.936UBEQ(V)0.4200.5980.6590.654UCEQ(V)12.189.8030.2650.075R1(k)27590.422.321.7圖1 截止失真輸入輸出波形：圖2 完全截止失真輸入輸出波形（實(shí)驗(yàn)提示：此時(shí)可以加大輸入信號(hào)幅度）：圖3 飽和失真輸入輸出波形：實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)（這里指ICQ）升高時(shí)，容易出現(xiàn)飽和失真，而靜態(tài)工作點(diǎn)Uce降低時(shí)，容易出現(xiàn)飽和失真。這里靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)R1實(shí)現(xiàn)的。而飽和失真和截止失真可以分別看成完全飽和與完全截止到放大區(qū)中間的過渡階段。由理論知識(shí)

19、可知，對(duì)于Uce與Ic關(guān)系圖，iC=0時(shí)截止，iC=UCEQ/RCVCC/RC時(shí)飽和。而iC=IC+ic，因此如果IC較大，則加上正弦交流信號(hào)ic后iC上下的幅度都有所增加，最大值更容易達(dá)到VCC/RC而產(chǎn)生飽和失真，如果IC較小，則加上正弦交流信號(hào)ic后iC的最小值更容易達(dá)到0而產(chǎn)生截止失真。因此在選擇靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，因盡量選在0VCC/RC中間的位置。盡可能避免失真出現(xiàn)。3、測(cè)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，使輸出波形為最大不失真正弦波。測(cè)量此時(shí)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(shí)測(cè)量 ICQ= 2.34mA ，UOP-P

20、= 5.82V 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：當(dāng)ICQ=2.34時(shí)，得到最大不失真輸出UOP-P =5.82V，再增大輸入信號(hào)源電壓Us即同時(shí)出現(xiàn)飽和失真和截止失真。在選取靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，調(diào)節(jié)R1的值，應(yīng)盡量選在這個(gè)值附近，以保證能夠?qū)Ρ容^大的信號(hào)進(jìn)行放大而不出現(xiàn)失真。3、 測(cè)量放大器幅頻特性曲線 調(diào)整ICQ=x(設(shè)計(jì)值)，保持Ui=5mV不變，改變信號(hào)頻率，用逐點(diǎn)法測(cè)量不同頻率下的UO值，計(jì)入表3-3中，并畫出幅頻特性曲線，記錄下限頻率fL、上限頻率fH，計(jì)算帶寬BW。表3-3 放大電路的幅頻特性f/kHz0.10.20.51251030UO/mV319427480513519527528525f/kHz10

21、03001000UO/mV518458237幅頻特性曲線下限頻率fL = 160Hz 上限頻率fH = 500kHz 帶寬BW = 500kHz 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由測(cè)得數(shù)據(jù)繪得的幅頻特性曲線與理想曲線符合的較好。由于此時(shí)保持輸入信號(hào)Ui=5mV，因此得到的輸出電壓有效值與Au是成正比的，當(dāng)f=10kHz時(shí)，輸出電壓最大，即放大倍數(shù)最大，中頻放大倍數(shù)在這附近取到。在f=160Hz和500kHz時(shí)的輸出電壓為中頻輸出電壓的0.707倍左右，此時(shí)即下限頻率和上限頻率。六、提高實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、相位測(cè)量a） 輸入U(xiǎn)i=5mV，f=fL，用示波器雙蹤顯示輸入輸出波形，記錄波形，并測(cè)量?jī)烧唛g的相位差；答：Vi超前

22、Vo = t/T 3600 =146.16° f=fL時(shí)的輸入輸出波形圖：實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：實(shí)際與理論的誤差為34°左右，可見相位差減小。根據(jù)放大相量公式：， 在低頻f=fL情況，經(jīng)過化簡(jiǎn)可得此時(shí)，相位提前，與實(shí)際情況相符。在下限頻率時(shí)提前的相位應(yīng)該是45°，實(shí)際測(cè)得的相位差偏小，可能是由于中頻和下限頻率的測(cè)量有偏差。b） 輸入U(xiǎn)i=5mV，f=fH，用示波器雙蹤顯示輸入輸出波形，記錄波形，并測(cè)量?jī)烧唛g的相位差。答：Vi超前Vo = t/T 3600 = 213.84° f=fH時(shí)的輸入輸出波形圖：實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：由圖像我們可知，高頻時(shí)的相位應(yīng)該比180°落后45°。這里測(cè)得的與低頻時(shí)提前的相位很接近，可能是電容充放電問題，及噪聲干擾導(dǎo)致中頻區(qū)測(cè)量有問題，導(dǎo)致低頻和高頻的值都有偏差。2、 負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響在實(shí)驗(yàn)電路圖3-1中增加反饋電阻RF=10，構(gòu)成電流串聯(lián)負(fù)反饋放大器, 如圖3-5所示。調(diào)整ICQ=x(設(shè)計(jì)值)，測(cè)量該電路的增益、輸入阻抗、輸出阻抗、下限頻率fL、上限頻率fH、帶寬BW，