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單管放大電路實(shí)驗(yàn)報(bào)告電03 王劍曉2010010929單管放大電路報(bào)告一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 掌握放大電路直流工作點(diǎn)的調(diào)整與測量方法;(2) 掌握放大電路主要性能指標(biāo)的測量方法;(3) 了解直流工作點(diǎn)對放大電路動態(tài)特性的影響;(4) 掌握發(fā)射極負(fù)反饋電阻對放大電路動態(tài)特性的影響;(5) 掌握信號源內(nèi)阻RS對放大電路頻帶(上下截止頻率)的影響;二、 實(shí)驗(yàn)電路與實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)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(diǎn)而設(shè)置的。(1) 靜態(tài)工作點(diǎn)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和內(nèi)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+) IBQ; 即:IBQ=(VBB- UBEQ)/(RE1+ RE2)+ RB; 因此,由晶體管特性可知:ICQ=IBQ; 由輸出回路知:VCC= RC ICQ + UCEQ+(RE1+ RE2) IEQ; 整理得:UCEQ= VCC-(RE1+ RE2+ RC) ICQ; 分析:當(dāng)Rw變化(以下以增大為例)時,RB1增大,RB增大,IBQ減小;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);(2) 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(diǎn)對動態(tài)特性的影響;分析:當(dāng)RC、RL選定后,電壓增益主要決定于rbe,受到IEQ,即直流工作點(diǎn)的影響。由上面對直流工作點(diǎn)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(guān);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(fù)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?。≧E1影響了放大倍數(shù)),此時如果有rbe(1+) RE1,則Ai=(RC/RL)/RE1,實(shí)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(guān);(3) 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(guān)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(biāo)必須在波形不失真的條件下進(jìn)行,因此輸入信號不能太大,實(shí)驗(yàn)中一般使用示波器監(jiān)視輸出信號的波形。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與擴(kuò)展內(nèi)容(1) 工作點(diǎn)的調(diào)整;調(diào)節(jié)Rw,分別使ICQ=1mA和2mA,測量VCEQ的值;(2) 工作點(diǎn)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。(3) 射極負(fù)反饋電阻對動態(tài)特性的影響;(擴(kuò)展內(nèi)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(fù)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(jié)射極負(fù)反饋電阻對電路動態(tài)特性的影響;四、 注意事項(xiàng):(1) 實(shí)驗(yàn)中要將直流電源、信號源、示波器等電子儀器和實(shí)驗(yàn)線路接地,以免引起干擾;(2) 電路性能指標(biāo)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(jìn)行;五、 仿真(仿真報(bào)告請見文檔“仿真報(bào)告”)1) 仿真電路圖見電子電路實(shí)驗(yàn)p77圖3.1“單管共發(fā)射極放大電路”。其中RS0,為實(shí)驗(yàn)室所用信號發(fā)生器的內(nèi)阻。與器件盒中的器件參數(shù)相匹配。 2)Multisim 7中的元件選擇三極管選用實(shí)際元件,型號為MRF9011L,將模型參數(shù)中的(即BF)改為212;其它元件都選用虛擬器件。2) 仿真內(nèi)容a. 靜態(tài)工作點(diǎn)在ICQ=1mA和2mA時,測量VCEQ的值,并記錄RB1的值。RB1可選用Multisim中的“Virtual Linear Potentiometer”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(jìn)行過程中,應(yīng)保持RW的值不變;2)RW的量程要為100 k;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(zhǔn)備,以免測量時出現(xiàn)遺漏或差錯;(一)預(yù)習(xí)報(bào)告1、預(yù)習(xí)計(jì)算晶體管的主要參數(shù)為:B=260,VBE=0.7V,rbb=10歐,fT=300MHz,Cbc=1pF,計(jì)算實(shí)驗(yàn)地那路的主要性能指標(biāo),以備與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果進(jìn)行分析比較。(1)首先計(jì)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=77.170k;此時,UCEQ=7.495VICQ=2mA時,IBQ= ICQ/ =2/260mA; 帶入,解得RB1=41.357k;此時,UCEQ=2.991V(2)其次,計(jì)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=77.170K;此時rbe=rbb+UT/ IBQ=0.010+26*0.26=6.86 K;電壓放大倍數(shù)為:AU =UO / Ui=-(RC/ RL)/ rbe=-75.94;輸入電阻Ri= RB1/ RB2/rbe=4.44 k;輸出電阻RO=RC=3.3 k;ICQ=2mA時, RB1=41.357K;此時rbe=rbb+UT/ IBQ=0.01+26*0.26/2=3.39 K;電壓放大倍數(shù)為:AU =UO / Ui=-(RC/ RL)/ rbe=-153.666;輸入電阻Ri= RB1/ RB2/rbe=2.59 k;輸出電阻RO=RC=3.3 k;2、主要實(shí)驗(yàn)步驟a) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格(1)測量直流工作點(diǎn)ICQmARw/UCEQ/V12(2)測量計(jì)算電壓放大倍數(shù)ICQ/mARw/Ui/VUO/VAU12(3)測量計(jì)算輸入電阻RiICQ/mAUo/V(斷開R1)Uo/V(接入R1)Ri= Uo/( Uo- Uo)/12(4)測量計(jì)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(fù)反饋的情況(只測當(dāng)ICQ=1.0mA的情況)ICQ/mAUCEQ/VUO/VUI/VAURO/RI/fH/HzfL/Hzb) 主要實(shí)驗(yàn)步驟:(1) 測量:(2) 測量直流工作點(diǎn):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;(3) 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=3.6k,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(jì)算Ri;測量輸出電阻RO: 在輸出端串聯(lián)R2=4.7k,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(jì)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。(二)終結(jié)報(bào)告1、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄、處理及分析1)數(shù)據(jù)記錄、處理(1)測量值 實(shí)驗(yàn)中利用學(xué)習(xí)機(jī)和示波器測得MRF9011L的輸出特性曲線,測得=iciB=212,小與理論值的260。(2)測量直流工作點(diǎn)ICQmARw/UCEQ/V150.9k7.38222.1k2.88(3)測量計(jì)算電壓放大倍數(shù)ICQ/mARw/Ui/VUO/VAU158.5k5.00m0.343168.62219.2k5.00m0.6532130.65(4) 測量計(jì)算輸入電阻RiICQ/mAUo/V(斷開R1)Uo/V(接入R1)Ri= Uo/( Uo- Uo)/15.00m4.01m4.05k25.00m3.63m2.65k(5)測量計(jì)算輸出電阻RO(實(shí)際輸出端串聯(lián)電阻為5.1k)ICQ/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(fù)反饋的情況(只測當(dāng)ICQ=1.0mA的情況)ICQ/mAUCEQ/VUO/VUI/VAURO/RI/fH/HzfL/Hz17.3845.40m5.00m-9.083.28k10.79k25.43.214M注:該提高要求是由王劍曉同學(xué)在課堂上完成,但由于當(dāng)時未能完成全部的數(shù)據(jù)處理,因此未經(jīng)任老師批準(zhǔn),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(jié)果,我們來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比分析。(1) 理論計(jì)算根據(jù)測量結(jié)果,=212首先計(jì)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=79.74k;此時,UCEQ=7.50V.ICQ=2mA時,IBQ= ICQ/ =2/212mA; 帶入解得RB1=43.07k;此時,UCEQ=3.00V.其次,計(jì)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=79.74K;此時rbe=rbb+UT/ IBQ=10+26*212=5.52 K;電壓放大倍數(shù)為:AU =UO / Ui=-(RC/ RL)/ rbe=-76.95;輸入電阻Ri= RB1/ RB2/rbe=3.84 k;輸出電阻RO=RC=3.3 k;ICQ=2mA時, RB1=43.07K;此時rbe=rbb+UT/ IBQ=10+26*212/2=2.77 K;電壓放大倍數(shù)為:AU =UO / Ui=-(RC/ RL)/ rbe=-153.34;輸入電阻Ri= RB1/ RB2/rbe=2.22 k;輸出電阻RO=RC=3.3k;提高要求:(ICQ=1mA)此時RB1=79.74K,rbe=5.52 K;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)=10.00K;輸出電阻RO=RC=3.3 k;(2)理論值、仿真值、實(shí)驗(yàn)值的對比表格如下ICQ=1mA時:Rw/kUCEQ/VAU Ri/ kRO/ kfL/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(shí)驗(yàn)值58.57.38-68.624.052.95134.21.873 MICQ=2mA時:Rw/kUCEQ/VAU Ri/ kRO/ kfLfH理論值23.073.00-153.342.223.30仿真值20.03.01-131.682.572.89239.175.312M實(shí)驗(yàn)值19.22.88-130.652.652.98224.41.356M提高要求(ICQ=1mA):Rw/kUCEQ/VAU Ri/ kRO/ kfLfH理論值59.77.50-8.8310.03.30仿真值55.07.53-8.7610.31 3.2718.4153.66M實(shí)驗(yàn)值58.57.38-9.0810.793.2825.43.214M從數(shù)據(jù)直觀看:大多數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比仿真值比相對理論值更相近,說明實(shí)際電路較理論更復(fù)雜,其各量的影響因素更多。3)下面對仿真、實(shí)驗(yàn)所造成的誤差進(jìn)行分析:所需參數(shù)的求解公式:電壓放大倍數(shù)為:AU =UO / Ui=-(RC/ RL)/ rbe;輸入電阻Ri= RB1/ RB2/rbe;輸出電阻RO=RC;(1) 理論值的誤差:由于理論計(jì)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(jì)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)/(RE1+ RE2)+ RB; IBQ減??;ICQ= IBQ; ICQ減??;UCEQ= VCC-(RE1+ RE2+ RC) ICQ; UCEQ不定;注意:上述分析忽略了C1C2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(zhǔn)確的。(2)理論值與仿真值:在誤差允許范圍內(nèi),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(luò),使得電壓放大倍數(shù)AU將偏小。 (3)理論值與實(shí)驗(yàn)值:在誤差允許范圍內(nèi),實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(dāng)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(fù)反饋和無負(fù)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(fù)反饋的特性,增益下降的同時應(yīng)該有頻帶展寬,即有負(fù)反饋時的BW應(yīng)遠(yuǎn)大于無負(fù)反饋時的BW??梢妼?shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)值:相比理論值,實(shí)驗(yàn)值與仿真值更為接近,但是由于實(shí)驗(yàn)中很多未知因素的影響使得實(shí)驗(yàn)值與仿真值還有一定的誤差。原因:由于具體實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室環(huán)境的影響以及操作中的誤差,導(dǎo)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(dǎo)致其偏小。 綜上所述,實(shí)驗(yàn)值、理論值和仿真值都存在一定的誤差??偨Y(jié)誤差產(chǎn)生的原因:(1)實(shí)驗(yàn)儀器的誤差測上限截止頻率時,會受到示波器中電容等內(nèi)部元件的影響,并且由于示波器分辨率的問題導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)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(diǎn)時,也會帶入儀器誤差;(2)三極管參數(shù)的誤差由于實(shí)際晶體管和仿真及計(jì)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rbe時,因此在靜態(tài)電流ICQ=2mA的狀態(tài)下,實(shí)驗(yàn)值與理論的差別較大;(3)實(shí)際電路中電容的影響實(shí)驗(yàn)電路中所用的旁路電容
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