單管放大電路實驗報告-王劍曉

./單管放大電路實驗報告電03王劍曉2010010929單管放大電路報告實驗目的掌握放大電路直流工作點的調(diào)整與測量方法；掌握放大電路主要性能指標的測量方法；了解直流工作點對放大電路動態(tài)特性的影響；掌握發(fā)射極負反饋電阻對放大電路動態(tài)特性的影響；掌握信號源阻RS對放大電路頻帶〔上下截止頻率的影響；實驗電路與實驗原理實驗電路如課本P77所示。圖中可變電阻RW是為調(diào)節(jié)晶體管靜態(tài)工作點而設置的。靜態(tài)工作點的估算與調(diào)整；將圖中基極偏置電路VCC、RB1、RB2用戴維南定理等效成電壓源,得到直流通路,如下圖1.2所示。其開路電壓VBB和阻RB分別為：VBB=RB2/<RB1+RB2>*VCC;RB=RB1//RB2;所以由輸入特性可得：VBB=RBIBQ+UBEQ+<RE1+RE2><1+Β>IBQ;即：IBQ=〔VBB-UBEQ/[Β<RE1+RE2>+RB];因此,由晶體管特性可知：ICQ=ΒIBQ；由輸出回路知：VCC=RCICQ+UCEQ+<RE1+RE2>IEQ;整理得：UCEQ=VCC-<RE1+RE2+RC>ICQ；分析：當Rw變化〔以下以增大為例時,RB1增大,RB增大,IBQ減??；ICQ減小；UCEQ增大,但需要防止出現(xiàn)頂部失真；若Rw減小變化相反,需要考慮底部失真〔截止失真；放大電路的電壓增益、輸入電阻和輸出電阻做出電路的交流微變等效模型：則：電壓增益Ai=UO/Ui=-?〔RC//RL/rbe;輸入電阻Ri=RB1//RB2//rbe；輸出電阻RO=RC;其中rbe=rbb’+<1+?>UT/IEQ,體現(xiàn)了直流工作點對動態(tài)特性的影響；分析：當RC、RL選定后,電壓增益主要決定于rbe,受到IEQ,即直流工作點的影響。由上面對直流工作點的分析可知,Rw變化〔以下以增大為例時ICQ減小,那么rbe增大,電壓增益Ai減小,輸入電阻Ri增大,輸出電阻RO基本不變,與直流無關；如果將發(fā)射極旁路電容CE改為與RE2并聯(lián),RE1成為交流負反饋電阻,電路的動態(tài)參數(shù)分別變?yōu)殡妷涸鲆鍭i=UO/Ui=-?〔RC//RL/[rbe+<1+?>RE1];輸入電阻Ri=RB1//RB2/[rbe+<1+?>RE1]；輸出電阻RO=RC;分析：此時電壓增益Ai減小〔RE1影響了放大倍數(shù),此時如果有rbe<<<1+?>RE1,則Ai=〔RC//RL/RE1,實現(xiàn)了穩(wěn)定；輸入電阻Ri增大〔使得更多的輸入信號被放大,輸出電阻RO基本不變；Rw變化〔以下以增大為例時ICQ減小,那么rbe增大,電壓增益Ai仍然減小,輸入電阻Ri增大,輸出電阻RO基本不變,與直流無關；放大電路電壓增益的幅頻特性和頻帶放大電路一般含有電抗,使得電路對不同頻率的信號具有不同的放大能力,即電壓增益是頻率的函數(shù)。電壓增益的大小與頻率的函數(shù)關系即是幅頻特性。需要注意的是：測量放大電路的動態(tài)指標必須在波形不失真的條件下進行,因此輸入信號不能太大,實驗中一般使用示波器監(jiān)視輸出信號的波形。三、實驗容與擴展容工作點的調(diào)整；調(diào)節(jié)Rw,分別使ICQ=1mA和2mA,測量VCEQ的值；工作點對放大電路的動態(tài)特性的影響；在ICQ=1mA和2mA時,測量電壓放大倍數(shù)、幅頻特性〔只測上下截止頻率、輸入電阻、輸出電阻。其中輸入正弦電壓信號Vi的幅度為5mV,頻率為1kHz。射極負反饋電阻對動態(tài)特性的影響；〔擴展容如果將發(fā)射極旁路電容CE改為與RE2并聯(lián),RE1成為交流負反饋電阻,在ICQ=1mA時,測量電壓放大倍數(shù)、幅頻特性〔只測上下截止頻率、輸入電阻、輸出電阻,總結射極負反饋電阻對電路動態(tài)特性的影響；注意事項：實驗中要將直流電源、信號源、示波器等電子儀器和實驗線路接地,以免引起干擾；電路性能指標的測試要在輸出電壓波形不失真和沒有明顯干擾的情況下進行；仿真〔仿真報告請見文檔"仿真報告"仿真電路圖見《電子電路實驗》p77圖3.1"單管共發(fā)射極放大電路"。其中RS＝0,為實驗室所用信號發(fā)生器的阻。與器件盒中的器件參數(shù)相匹配。2Multisim7中的元件選擇三極管選用實際元件,型號為MRF9011L,將模型參數(shù)中的β〔即BF改為212；其它元件都選用虛擬器件。仿真容a.靜態(tài)工作點在ICQ=1mA和2mA時,測量VCEQ的值,并記錄RB1的值。RB1可選用Multisim中的"VirtualLinearPotentiometer"元件。b.動態(tài)特性仿真在ICQ=1mA和2mA時,測量電壓放大倍數(shù)和幅頻特性。其中輸入正弦電壓信號Vi的幅度為5mV,頻率為1kHz。六、仿真心得：1在仿真進行過程中,應保持RW的值不變；2RW的量程要為100kΩ；3新接入萬用表后,對電流和電壓是有影響的,也就是會產(chǎn)生誤差；4看清楚要對誰測量,提前做好測量準備,以免測量時出現(xiàn)遺漏或差錯；〔一預習報告1、預習計算晶體管的主要參數(shù)為：B=260,VBE=0.7V,rbb’=10歐,fT=300MHz,Cb’c=1pF,計算實驗地那路的主要性能指標,以備與實驗測試結果進行分析比較?！?首先計算直流狀態(tài)下的ICQ、UCEQ以及此時的Rw：IBQ=<VBB-UBEQ>/<RB+<I+?><RE1+RE2>>UCEQ=VCC-ICQ<RC+RE1+RE2>ICQ=1mA時,IBQ=ICQ/?=1/260mA;帶入,解得RB1=77.170kΩ;此時,UCEQ=7.495VICQ=2mA時,IBQ=ICQ/?=2/260mA;帶入,解得RB1=41.357kΩ;此時,UCEQ=2.991V〔2其次,計算各交流量：電壓放大倍數(shù)AU、輸入電阻Ri、輸出電阻RO：<1>ICQ=1mA時,RB1=77.170KΩ；此時rbe=rbb’+UT/IBQ=0.010+26*0.26=6.86KΩ；電壓放大倍數(shù)為：AU=UO/Ui=-?<RC//RL>/rbe=-75.94;輸入電阻Ri=RB1//RB2//rbe=4.44kΩ;輸出電阻RO=RC=3.3kΩ;<2>ICQ=2mA時,RB1=41.357KΩ；此時rbe=rbb’+UT/IBQ=0.01+26*0.26/2=3.39KΩ；電壓放大倍數(shù)為：AU=UO/Ui=-?<RC//RL>/rbe=-153.666;輸入電阻Ri=RB1//RB2//rbe=2.59kΩ;輸出電阻RO=RC=3.3kΩ;2、主要實驗步驟實驗數(shù)據(jù)表格〔1測量直流工作點ICQmARw/ΩUCEQ/V12〔2測量計算電壓放大倍數(shù)ICQ/mARw/ΩUi/VUO/VAU12〔3測量計算輸入電阻RiICQ/mAUo/V〔斷開R1Uo’/V〔接入R1Ri=Uo’/<Uo-Uo’>/Ω12〔4測量計算輸出電阻ROICQ/mA開路時UOC/V接通時UOC’/VRO/V12〔5測量頻帶ICQ/mAUoUo/√2上限fH/Hz下限fL/Hz12<6>提高要求——有負反饋的情況〔只測當ICQ=1.0mA的情況ICQ/mAUCEQ/VUO/VUI/VAURO/ΩRI/ΩfH/HzfL/Hz主要實驗步驟：測量?：測量直流工作點：用萬用表測量集電極對地電壓使之為8.4V〔ICQ=1mA時,UC=12V-3.6V=8.4V和4.8V〔ICQ=2mA時,UC=12V-3.6V*2=4.8V；記錄下此時的Rw；并測量UCEQ；測量動態(tài)特性：電壓放大倍數(shù)：將輸入電壓、輸出電壓分別加在示波器兩輸入端,調(diào)節(jié)Rw的值分別為上步驟中記錄的值,測量Ui、UO的峰值,相比后得到AU；測量輸入電阻Ri：在輸入端串聯(lián)R1=3.6kΩ,調(diào)節(jié)Rw的值分別為上步驟中記錄的值,測量輸出電壓Uo、Uo’；由公式Ri=Uo’/<Uo-Uo’>即可計算Ri；測量輸出電阻RO:在輸出端串聯(lián)R2=4.7kΩ,調(diào)節(jié)Rw的值分別為上步驟中記錄的值,測量輸出電壓Uo、Uo’；由公式RO=〔UOC/UOC’-1*R2即可計算RO；測量頻帶：調(diào)節(jié)Rw的值分別為上步驟中記錄的值,保持輸入電壓為近似5mV不變,分別向上、向下調(diào)節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器的頻率,測量輸出電壓的幅值使之為5mV*AU/√2,讀取此時的頻率,記錄?！捕K結報告1、實驗數(shù)據(jù)記錄、處理及分析1數(shù)據(jù)記錄、處理〔1測量β值實驗中利用學習機和示波器測得MRF9011L的輸出特性曲線,測得,小與理論值的260?！?測量直流工作點ICQmARw/ΩUCEQ/V150.9k7.38222.1k2.88〔3測量計算電壓放大倍數(shù)ICQ/mARw/ΩUi/VUO/VAU158.5k5.00m0.343168.62219.2k5.00m0.6532130.65測量計算輸入電阻RiICQ/mAUo/V〔斷開R1Uo’/V〔接入R1Ri=Uo’/<Uo-Uo’>/Ω15.00m4.01m4.05k25.00m3.63m2.65k〔5測量計算輸出電阻RO〔實際輸出端串聯(lián)電阻為5.1kΩICQ/mA開路時UOC/V接通時UOC’/VRO/V10.63800.4042.95k21.11220.7022.98k〔6測量頻帶ICQ/mAUo/VUo/√2/V上限fH/Hz下限fL/Hz10.4100.30001.8730M134.220.7080.50061.3560M224.4〔7提高要求——有負反饋的情況〔只測當ICQ=1.0mA的情況ICQ/mAUCEQ/VUO/VUI/VAURO/ΩRI/ΩfH/HzfL/Hz17.3845.40m5.00m-9.083.28k10.79k25.43.214M注：該提高要由王劍曉同學在課堂上完成,但由于當時未能完成全部的數(shù)據(jù)處理,因此未經(jīng)任老師批準,只將部分處理好的數(shù)據(jù)以及原始數(shù)據(jù)交給助教老師過目。2數(shù)據(jù)分析通過理論估算與仿真結果,我們來進行實驗結果的對比分析。理論計算根據(jù)測量結果,?=212首先計算直流狀態(tài)下的ICQ、UCEQ以及此時的RwIBQ=<VBB-UBEQ>/<RB+<I+?><RE1+RE2>>UCEQ=VCC-ICQ<RC+RE1+RE2>ICQ=1mA時,IBQ=ICQ/?=1/212mA;帶入解得RB1=79.74kΩ;此時,UCEQ=7.50V.ICQ=2mA時,IBQ=ICQ/?=2/212mA;帶入解得RB1=43.07kΩ;此時,UCEQ=3.00V.其次,計算各交流量：電壓放大倍數(shù)AU、輸入電阻Ri、輸出電阻RO：ICQ=1mA時,RB1=79.74KΩ；此時rbe=rbb’+UT/IBQ=10+26*212=5.52KΩ；電壓放大倍數(shù)為：AU=UO/Ui=-?<RC//RL>/rbe=-76.95;輸入電阻Ri=RB1//RB2//rbe=3.84kΩ;輸出電阻RO=RC=3.3kΩ;ICQ=2mA時,RB1=43.07KΩ；此時rbe=rbb’+UT/IBQ=10+26*212/2=2.77KΩ；電壓放大倍數(shù)為：AU=UO/Ui=-?<RC//RL>/rbe=-153.34;輸入電阻Ri=RB1//RB2//rbe=2.22kΩ;輸出電阻RO=RC=3.3kΩ;提高要求：〔ICQ=1mA此時RB1=79.74KΩ,rbe=5.52KΩ；電壓放大倍數(shù)為：AU=UO/Ui=-?<RC//RL>/〔〔1+?*RE1+rbe=-8.83輸入電阻Ri=RB1//RB2//〔rbe+〔1+?*RE1=10.00KΩ；輸出電阻RO=RC=3.3kΩ;〔2理論值、仿真值、實驗值的對比表格如下①ICQ=1mA時：Rw/kΩUCEQ/VAURi/kΩRO/kΩfL/HZfH/HZ理論值59.77.50-76.953.843.30\\仿真值55.07.53-71.884.543.09130.881.3M實驗值58.57.38-68.624.052.95134.21.873M②ICQ=2mA時:Rw/kΩUCEQ/VAURi/kΩRO/kΩfLfH理論值23.073.00-153.342.223.30\\仿真值20.03.01-131.682.572.89239.175.312M實驗值19.22.88-130.652.652.98224.41.356M③提高要求〔ICQ=1mA：Rw/kΩUCEQ/VAURi/kΩRO/kΩfLfH理論值59.77.50-8.8310.03.30\\仿真值55.07.53-8.7610.313.2718.4153.66M實驗值58.57.38-9.0810.793.2825.43.214M從數(shù)據(jù)直觀看：大多數(shù)實驗數(shù)據(jù)相比仿真值比相對理論值更相近,說明實際電路較理論更復雜,其各量的影響因素更多。3>下面對仿真、實驗所造成的誤差進行分析：所需參數(shù)的求解公式：①電壓放大倍數(shù)為：AU=UO/Ui=-?<RC//RL>/rbe;②輸入電阻Ri=RB1//RB2//rbe;③輸出電阻RO=RC；理論值的誤差：由于理論計算時的等效模型是中頻等效模型,忽略了耦合電容和極間電容的影響,因而造成理論計算的誤差。由于CE使RE1+RE2的等效值變大。VBB=RB2/<RB1+RB2>*VCC;VBB基本不變；RB=RB1//RB2;RB基本不變；IBQ=〔VBB-UBEQ/[β<RE1+RE2>+RB];IBQ減?。籌CQ=βIBQ；ICQ減??；UCEQ=VCC-<RE1+RE2+RC>ICQ；UCEQ不定；注意：上述分析忽略了C1\C2和極間電容的影響,雖然誤差小了一些,但是具體來說仍是不準確的?！?理論值與仿真值：在誤差允許圍,仿真的輸入輸出電阻普遍小于理論值,而電壓放大倍數(shù)偏小。原因：由于并聯(lián)在電阻兩端的極間電容的影響,造成輸入電流偏大,輸入電阻Ri將偏小,輸出電阻RO也將偏小,同時由于耦合電容組成高通網(wǎng)絡,使得電壓放大倍數(shù)AU將偏小?！?理論值與實驗值：在誤差允許圍,實驗中的輸入電阻值比理論值偏大,但是輸出電阻和電壓放大倍數(shù)偏小。原因：輸入電阻偏大,有著多方面的原因。存在系統(tǒng)誤差與偶然誤差。同時由于耦合電容和旁路電容的存在將導致輸入電流偏小,所以輸入電阻偏大。電壓放大倍數(shù)偏小的原因同上；下面分析輸出電阻偏小的可能原因：可能由于晶體管的極間電阻rce相對于Rc和RL相差不大,不能忽略；如果忽略,則相當于少了一個并聯(lián)的電阻,故理論值相對比較的大。比較有負反饋和無負反饋電阻時的幅頻特性,可見無反饋情況下的頻帶寬度BW小于有反饋時的頻帶寬度。根據(jù)負反饋的特性,增益下降的同時應該有頻帶展寬,即有負反饋時的BW應遠大于無負反饋時的BW。可見實驗結論與理論有差距。經(jīng)分析,其原因可能是由于示波器的×10檔探頭的截止頻率約為2-3MHz左右,因此由于探頭的頻率限制,可能造成誤差。〔4仿真值與實驗值：相比理論值,實驗值與仿真值更為接近,但是由于實驗中很多未知因素的影響使得實驗值與仿真值還有一定的誤差。原因：由于具體實驗中的分布電容和耦合電容與仿真工具中的器件參數(shù)不同,再考慮上溫度和實驗室環(huán)境的影響以及操作中的誤差,導致fL偏大,同樣極間電容、測量工具的限制等因素也影響著fH,導致其偏小。綜上所述,實驗值、理論值和仿真值都存在一定的誤差?？偨Y誤差產(chǎn)生的原因：〔1實驗儀器的誤差測上限截止頻率時,會受到示波器中電容等部元件的影響,并且由于示波器分辨率的問題導致數(shù)據(jù)不準確,此外頻率信號發(fā)生器也會給電路帶來影響；用數(shù)字萬用表測電阻以及靜態(tài)工作點時,也會帶入儀器誤差；〔2三極管參數(shù)的誤差由于實際晶體管和仿真及計算所用的器件參數(shù)不完全一致,性能不能替代,特別是估算動態(tài)電阻時,因此在靜態(tài)電流的狀態(tài)下,實驗值與理論的差別較大；〔3實際電路中電容的影響實驗電路中所用的旁路電容有22uF,仿真