單級放大電路設計模電實驗

1、LimsEERB電子實驗報告東南大學電工電子實驗中心實驗報告課程名稱：電子電路基礎第三次實驗實驗名稱：單級電壓放大電路設計院（系）:吳健雄專業(yè)：電類姓名：學號：實驗室：實驗組別：同組人員：實驗時間：2011年5月5日評定成績：審閱教師：、基本信息 實驗時數(shù)： 時間要求： 教 材: 實驗檢查：實驗三 單級電壓放大電路設計6學時第1011周完成，第11周內(nèi)交實驗報告 電子線路實踐 Page 16帶班教師檢查二、學習目標：1、掌握單級放大電路的設計、工程估算、安裝和調(diào)試；2、了解三極管各項基本器件參數(shù)、工作點、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、了解負反饋對放

2、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)生器的使用技能訓練。三、設計提示:YO“O*圖3-1射級偏置電路1、對于圖3-1中的偏置電路，只有R2支路中的電流|1>>|BQ時，才能保證 UBQ恒定實現(xiàn)自動穩(wěn)定工作點的作用，所以工程中一般?。篒1(510)Ibq (硅管)I1(1020)Ibq (鍺管)。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=(1 3)V (鍺管)。電路的靜態(tài)工作點電流I CQU BQ U BE，由于是小信號

3、放大，所以ReIcq 一般取0.52mA。Icq確定后通過以下公式可計算Ri和R2的值:R2u BQiTu BQu BQ510 Ibq510 IcqRiVccU BQVccU BQ R2U BQ交流電壓放大倍數(shù)AuRlRl1 re3001Rl。_26mV。1 CQ交流輸入阻抗R% / Rl / R2%rb (1)re 300 (126mV。ICQ交流輸出阻抗Roro RcRc °8、3 102RSrbe C13 102RCRL C22 (Re/1Rsrbep 匹)CE幅頻特性曲線、上限頻率、下限頻率、截止頻率中心頻率、帶寬的測量方法:(a)單級放大器放大特性 通特性(b)低通特性帶電

4、路頻率特性的下限頻率值主要受C1, C2和CE影響，其關系分別為:圖3-2幅頻特性示意圖3-2列出了常見的幅頻特性類型。(a)BW=fH-fL, (d)中的f0表示中心頻率；(b)幅頻特性反應了電路增益和頻率之間的關系，圖 和(d)中的fL表示下限頻率，fH表示上限頻率，帶寬和(c)中的f0表示截止頻率。在實驗中可采用“逐點法”測量不同頻率時的電壓放大倍數(shù) 來測量幅頻特性。測量時，保持輸入信號幅度不變，改變輸入信號頻率，每改變一次信號頻率，用交流毫伏表或示波器測量一個輸出電壓值，計算其增益，然后將測試數(shù)據(jù)列表、整理并在坐標紙上將其連接成曲線。由于函數(shù)發(fā)生器的輸出信號幅度在不同頻率時可能會有變化

5、，因此每改變一次頻率都要用交流毫伏表或示波器測量輸入信號的幅度，一定要保證輸入 信號的幅度不改變。為了更快更準確的測量幅頻特性，必須根據(jù)不同幅頻特性類型，選擇不同的測量技巧。 對于(a)可先測出中頻區(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個點進行測量，即可較準確 的繪制曲線。(b)和(c)也可參考這種方式來測量。對于(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量輸出信號，剛開始輸出信號幅度隨著頻率的增加而增加，當增加到某一個頻率時，輸出信號幅度隨著頻率的增加開始減小，則該頻率為中心頻率， 記

6、下該頻率對應的幅度，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、預習思考：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，標出每個管腳的名稱，將相關參數(shù)值填入下表：參數(shù)符號參數(shù)值參數(shù)意義及設計時應該如何考慮VCBO<40v發(fā)射極開路時，集電極 基極的之間的反向 擊穿電壓，是集電結所允許加的最高反向電壓VCEO<30v基極開路時，集電極 發(fā)射極之間的反向擊 穿電壓，此時集電結承受反向電壓Vebo<5v集電極開路時，發(fā)射極 基極之間的反向電壓，是發(fā)射結所允許加的最高反向電壓Ic<500mA最大集電極電

7、流，使B值明顯減小的Ic為IcMIE< -500mA最大發(fā)射極電流，使B值明顯減小的Ie為IehFE96246直流增益，共射直流電流系數(shù)"1 c/ IbVcE(sat)0.1(T)<0.25(MAX)V集電極發(fā)射極飽和電壓Vbe0.8(T)<1(MAX)V基極發(fā)射極電壓fT>140(MIN)MHZ晶體管頻率，特征頻率，使 B值下降到1的信號頻率稱為特征頻率2、偏置電路：圖3-1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)定直流工作點的作用的，如果Ri、R2取得過大能否再起到穩(wěn)定直流工作點的作用，為什么？答：共發(fā)射集偏置電路。利用R R

8、i,2構成的分壓器給三極管基極b提供電位 Ub,基極電位 Ub可近似求得為R2Ub*Vcc。R2 Ri當環(huán)境溫度升高時，Icq增加，電阻 Re上的壓降增大，由于基極電位 Ub固定，加到 發(fā)射結上的電壓減小，Ibq減小，從而使Icq減小，通過這樣的自動調(diào)節(jié)過程使 Icq恒定，即實 現(xiàn)了穩(wěn)定直流工作點的作用。如果Ri、R2取得過大，則|1減小，不能滿足 Ri、R2支路中的電流Ibq的條件，使 得Vbq在溫度變化時無法保持不變，無法起到穩(wěn)定直流工作點的作用。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)

9、缺點，總結出最佳實現(xiàn)方案。答: Au 出 (Rc/Rl) (RC/RL)口 Uirbe一 26mv、rb (I )| CQ提高增益的方法有：1) 增大集電極電阻 Rc和負載R。缺點：R太大，受Vcc的限制，會使電路不能正常 工作。2) Q點適當選高，即增大Icq。缺點：電路耗電大、噪聲大。3) 選用多級放大電路級聯(lián)形式來獲取足夠大的電壓增益。缺點：電路較復雜，輸 出信號易產(chǎn)生自激，需采取措施消除。(II) 實驗中測量電壓增益的時候用到交流毫伏表，試問能否用萬用表或示波器，為什 么？答:在頻率低于I00KHZ時萬用表的交流檔和交流毫伏表都可以比較精確地測量交流 電壓，當頻率大于100KHZ小于1

10、MHZ時，萬用表的測量精度下降，只能采用交流毫伏表測量，對于更高頻率的信號，必須選擇高頻毫伏表測量。而示波器測量的電壓 精度一般比毫伏表低一個數(shù)量級，無法在需要精確測量電壓值時的時候使用。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源功率的大小，設信號源內(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 做簡單解釋：Ri = Rs .放大器從信號源獲取較大電壓Ri << FS一卜放大器從信號源吸取較大電流Ri >>放大器從信號源獲取最大功率答：等效電路圖如下所示:2Us 2Pi Ii Ri() FRi Rs、Us

11、2寺2s 2Rs RiRi對Pi關于Ri求導，當RUsIiUs ，當 RiRi RsUiUsRi ,當 RiRi Rsb =Rs時，Pi =0,所以 放大器從信號源獲取最大功率。Rs時，放大器從信號獲取較大電流。Rs時，放大器從信號源獲取較大電壓。(II) 圖3-3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3-3放大器輸入阻抗測量原理圖答：若Rs取得過大，不滿足當 RiRs條件，Ui較小，則放大器從信號源獲取較小電壓。電壓表測量小信號的時候由于噪聲干擾等原因測量精度下降，測量誤差增加。若 Rs取得過小，又不滿足 RiRs條件，則放

12、大器從信號源獲得較小電流，Ui的值將會變得很大，會引起較大的誤差。(III) 對于小信號放大器來說一般希望輸入阻抗足夠高，根據(jù)您所學的理論知識，分析有 哪些方法可以提高圖 3-1中放大電路的輸入阻抗。答：交流輸入阻抗：Ri rbe/Ri/R2 300 (126mV)；Icq適當增大 Ri, R2的電阻值，保證滿足R1，R2支路中11Ibq的條件，或者 使用電流放大系數(shù)(B )大的三極管，也可以在輸出信號不失真的情況下降低靜態(tài)工作點。5、輸出阻抗：(I)放大器輸出電阻 Ro的大小反映了它帶負載的能力，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，設負載為Rl,畫出輸出等效電路圖，通過連線回

13、答下面的問題，并做簡單解釋。Ro = Rl. 負載從放大器獲取較大電壓Ro << FL. 負載從放大器吸取較大電流Ro >> FL負載從放大器獲取最大功率答:分析如下:2 22 R0I 0 2R0 I0PlIl Rl() Rl2RoRlRo2RoRlRl當Ro Rl時,RoI 0IlRo Rl.RoIoRlUlRo Rl負載從放大器獲得最大功率。，當RoRl，負載從放大器獲得較大電流。FL iRo，當RoRl ,負載從放大器獲得較大電壓。史1Rl(II)圖3-4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。們號圖3-

14、4放大器輸出阻抗測量原理圖答：若RL取值過大，電流源的電流只有一小部分流經(jīng)RL,輸出電流過小。但若RL過小，則通過 RL的電流即通過集電極端的電流過大，將會損壞三極管。(III) 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)您所學的理論知識， 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：交流輸出阻抗：Ro rce/Rc Rc,由于rce太大，減小對放大電路的輸出阻抗的 減小沒有多少影響，因此主要是減小RC的阻值。6、計算圖3-1中各元件參數(shù)的理論值，其中已知：Vcc=12V, Ui=5mV, FL=3KQ, Rs=50 Q, T 為 9013指標要求：Au>50, R

15、>1 KQ, Ro<3KQ, fL<100Hz, fH>100kHz (建議 Ic取 2mA)用Multisim軟件對電路進行仿真實驗，仿真結果填寫在預習報告中。答：本實驗所用的三極管9013是硅管，(3=1451）對于上圖中的偏置電路，只有R2支路中的電流|1|bq時，才能保證 Vbq恒定實現(xiàn)2)|CQ自動穩(wěn)定工作點的作用，因此為了滿足功能工作點的需求，取Vbq Vbe，取 |c=2MAIi= 25I bq， Vbq =3v3)R2Ri4)AuReVbqVBq|1Vcc25|bqVbq145 3 <8.7K，取 R210K；25 2(12 3) 10VbqUo(

16、Rc/Rl)Ui30K(Rc/Rl)145 (3/3) 103rbe(126mv)|CQ“98.950300 (1 145)FRi rbe300 (1R0 r 0 / / RcRc, Rc26mv)| CQ3K30026(1 % 22K 1K符合指標要求。Vbqre| CQ其他參數(shù)：Vbq VbeqICQ3 0.71.15K2RW 100K,R110K,C1,C247u,CE 100u7、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)您所學的理論知識，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：下限頻率主要受 C1,C2和CE的影

17、響：C1，減小電源內(nèi)阻，為降低下限頻率，可以增大耦合電容2 （R/R2/%） RsC1等。fHX-，其中C' Cbe C'，R 咲/臥，（RJ/R/Rs），為增加上限截止頻2 RC率，可以選取rbb，、Cbc小的三極管。& 負反饋對放大器性能的影響答：1使放大倍數(shù)降低，從而可以增大帶寬;2提高放大的穩(wěn)定性；3減少輸出失真和噪聲；4調(diào)節(jié)輸入和輸出阻抗， 其中并聯(lián)負反饋降低輸入阻抗，串聯(lián)負反饋提高輸入阻抗， 電壓負反饋降低輸出阻抗，電流負反饋提高輸出阻抗。五、基本實驗內(nèi)容1、研究靜態(tài)工作點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lcQ=2mA,測量靜態(tài)時晶體管

18、集電極一發(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，調(diào)節(jié)信號源輸出電壓Us使Ui=5mV ,測量并記錄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，必須確保在Uo基本不失真時讀數(shù)。 重新調(diào)整Rw,使Icq分別為1.5mA和2.5mA,重復上述測量，將測量結果記入表 3-1中。 （4）根據(jù)測量結果計算放大器的Au、Ri、Ro。表3- 1靜態(tài)工作點變化對放大器性能的影響靜態(tài)工作點電流lcc（mA）21.5測量值測量值理論值誤差輸入端接地Ubq(V)2.652.13|3.162.23.2%Ucq(V)6.127.23|4.80

19、7.53.6%Ueq(V)2.001.50|2.511.500輸入信號Ui=5mVUS(mV)5.205.20Uo(V)0.450.780.5834.5%Uo' IV0.230.340.3912.8%計算值Ubeq0.650.630.710%UCEQ4.125.7364.5%Au90 （不帶 負載）46 （帶負 載）156 （不帶負載）68 （帶負 載）-115.1 （不帶負載）-77.5 （帶負載）26.2% （不帶負載）12.2% （帶負載）Ri/k Q2.941.852.2116.3%Ro/k Q2.873.88322.6%實驗結果分析：從表中數(shù)據(jù)誤差可看出，有幾項的數(shù)據(jù)誤差是比

20、較大的，達到了20%+一方面是測量誤差所致，另一方面，則是設計的靜態(tài)工作點ICQ=1.5mA 不合適所致，1.5mA 是直流負載線的中點，而非交流負載線的中點，因此測量誤差較大。2、觀察不同靜態(tài)工作點對輸出波形的影響（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)工作點對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、小測量值Ubq(V)0.05mv678mv3.703.20截止時變大， 飽和時變小Ucq(V)11.410.563.353.

21、81Ueq(V)01.20mv3.033.13計算 值lcc(mA)00.0013.043.13Ubeq0.05mv0.670.670.07Uceq11.410.560.320.68Ri240k16.8k2.24k2.75k4止亠J 4JL4U 丄丄丄丄亠Iurfi / GGrnV M 500ju$圖2完全截止失真輸入輸出波形（實驗提示：此時可以加大輸入信號幅度）圖3飽和失真輸入輸出波形:140實驗結果分析：做完全截止時 R1要斷開，由于 Vcc對基極不再有驅(qū)動電流。由于發(fā)射 結正向?qū)〞r，有個閾值電壓，輸入電壓要大于它，因此輸入電壓要加的比較大，三極管才能正常工作。做完全飽和時，R2要斷開，

22、并且要加大 R1的值，否則基極就會產(chǎn)生過飽和電流，這樣即使輸入電流在其上疊加（反向減?。┲?，仍不能將其從過飽和區(qū)中拉出。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-f。帶負載時測量Icq= 2.11mA，Uop-p =3.35v實驗結果分析：此次的輸入電壓為 50mA，那么放大倍數(shù)為3.36/0.05=67.2，而理論計算 的放大倍數(shù)約為100，誤差接近30%，說明在波形失真的臨界點，波形還沒有變形，但放大 倍數(shù)已經(jīng)有了很明顯的下降。3、測量放大器幅頻特性曲線調(diào)整

23、Icq=x（設計值），保持Ui=5mV不變，改變信號頻率，用逐點法測量不同頻率下的Uo值，計入表3-3中，并畫出幅頻特性曲線，記錄下限頻率匸、上限頻率 伯，計算帶寬BW。這里我設計的ICQ=1.5mA，測量的數(shù)據(jù)如下表：表3-3放大電路的幅頻特性f/kHz0.10.150.200.55100300400450500700Uo/V0.260.350.390.500.560.550.430.390.370.310.24Au120 120畑100 ilO 7060 524020 Ji19-J-2401 86 7B沁* 48系歹丄LOG(f)圖4幅頻特性圖下限頻率fL =400HZ上限頻率 怕=190

24、KZ帶寬BW =189.4KHZ實驗結果分析：下線截止頻率超過 100HZ,并且與計算值得誤差較大，個人覺得這是所 給公式只取大于等于造成的，因為計算式只是最小值，而不是真實值。六、提高實驗內(nèi)容1、相位測量a）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；答：Vi 超前 Vo Q = ?t/T 23600 =2.77 / 5.05*360 =197.5f=fL時的輸入輸出波形圖：180。這實驗結果分析：從波形和計算結果都可以發(fā)現(xiàn)輸出波形落后輸入波形大概 也說明共射極放大電路是反相放大。b）輸入Ui=5mV，f=fH，用示波器雙蹤顯示輸入輸出波形，記