單級放大電路設(shè)計(jì)模電實(shí)驗(yàn)

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： 電子電路基礎(chǔ) 第 三 次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱： 單級電壓放大電路設(shè)計(jì) 實(shí) 驗(yàn) 室: 實(shí)驗(yàn)組別： 同組人員： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 2011 年 5 月5 日 評定成績： 審閱教師： 實(shí)驗(yàn)三 單級電壓放大電路設(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量方法；3、 了解負(fù)反饋對放大電路特性的影響。4、 掌

2、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I1>>IBQ時(shí)，才能保證UBQ恒定實(shí)現(xiàn)自動穩(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、

3、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、 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 (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”測量不同頻率時(shí)的電壓放大倍數(shù)Au來測量幅頻特性。測量時(shí)

4、，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(gè)輸出電壓值，計(jì)算其增益，然后將測試數(shù)據(jù)列表、整理并在坐標(biāo)紙上將其連接成曲線。由于函數(shù)發(fā)生器的輸出信號幅度在不同頻率時(shí)可能會有變化，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(zhǔn)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(gè)點(diǎn)進(jìn)行測量，即可較準(zhǔn)確的繪制曲線。(b)和(c)也可參考這

5、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(dāng)增加到某一個(gè)頻率時(shí)，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，記下該頻率對應(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，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：參數(shù)符號參數(shù)值參數(shù)意義及設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該如何考慮VCBO<40vVCEO<30vVEBO<5vICIEhFEVCE(sat)VBEfT2、

6、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(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：。當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，R1、R2R1、R23、 電壓增益：(I) 對于一個(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，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：提高增益的方法有：(II) 實(shí)驗(yàn)中測量電壓增益的時(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：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(shè)信號源內(nèi)阻為RS

7、，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 << 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：等效電路圖如下所示：對關(guān)于求導(dǎo)，當(dāng)=時(shí)，=0，所以 放大器從信號源獲取最大功率。，當(dāng)時(shí)，放大器從信號獲取較大電流。，當(dāng)時(shí)，放大器從信號源獲取較大電壓。(II) 圖3-3是實(shí)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 (III) 答：取得過小，又不滿足條件，則放大器從信號源

8、獲得較小電流，的值將會變得很大，會引起較大的誤差。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3-1中放大電路的輸入阻抗。答：交流輸入阻抗：；的條件，或者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：分析如下：當(dāng)時(shí)，負(fù)載從放大器獲得最大功率。，當(dāng)，負(fù)載從

9、放大器獲得較大電流。，當(dāng)，負(fù)載從放大器獲得較大電壓。(II) 圖3-4是實(shí)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3-4 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(xué)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：，由于太大，減小對放大電路的輸出阻抗的減小沒有多少影響，因此主要是減小的阻值。6、 計(jì)算圖

10、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：支路中的電流時(shí)，才能保證恒定實(shí)現(xiàn)自動穩(wěn)定工作點(diǎn)的作用，因此為了滿足功能工作點(diǎn)的需求，取= ，=3v，取=2MA,取 ； 符合指標(biāo)要求。其他參數(shù)：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3-1中放大電路的上限頻率，那些

11、方法可以降低其下限頻率。答：下限頻率主要受C1,C2和CE的影響：，為降低下限頻率，可以增大耦合電容C1，減小電源內(nèi)阻等。，其中，為增加上限截止頻率，可以選取、小的三極管。8、 負(fù)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(fù)反饋降低輸入阻抗，串聯(lián)負(fù)反饋提高輸入阻抗，電壓負(fù)反饋降低輸出阻抗，電流負(fù)反饋提高輸出阻抗。五、基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容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(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

12、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(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，重復(fù)上述測量，將測量結(jié)果記入表3-1中。(4) 根據(jù)測量結(jié)果計(jì)算放大器的Au、Ri、Ro。表31 靜態(tài)工作點(diǎn)變化對放大器性能的影響靜態(tài)工作點(diǎn)電流ICQ(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|4.807.53.6%UEQ(V)2.001.50|2.511.500

13、輸入信號Ui=5mVUS(mV)5.205.20UO(V)0.450.780.5834.5%UO (V)0.230.340.3912.8%計(jì)算值UBEQ0.650.630.710%UCEQ4.125.7364.5%Au90（不帶負(fù)載）46（帶負(fù)載）156（不帶負(fù)載）68（帶負(fù)載）-115.1（不帶負(fù)載）-77.5（帶負(fù)載）26.2%（不帶負(fù)載）12.2%（帶負(fù)載）Ri/k2.941.852.2116.3%RO/k2.873.88322.6%實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：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

14、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(shí)變大，飽和時(shí)變小UCQ(V)11.410.563.353.81UEQ(V)01.20mv3.033.13計(jì)算值ICQ(mA)00.0013.043.13UBEQ0.05mv0.670.670.07UCEQ11.410.560.320.68R1240k16.8k2.24k2.75k圖1 截止失真輸入輸出波形：輸出波形輸入波形圖2 完全截止失真輸入輸出波形（實(shí)驗(yàn)提示：此時(shí)

15、可以加大輸入信號幅度）：輸出波形輸入波形圖3 飽和失真輸入輸出波形：輸出波形輸入波形實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：做完全截止時(shí)R1要斷開，由于Vcc對基極不再有驅(qū)動電流。由于發(fā)射結(jié)正向?qū)〞r(shí)，有個(gè)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(shí)，R2要斷開，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（反向減小）之后，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(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)測量 ICQ= 2.

16、11mA ，UOP-P = 3.35v 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jì)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(diǎn)，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ICQ=x(設(shè)計(jì)值)，保持Ui=5mV不變，改變信號頻率，用逐點(diǎn)法測量不同頻率下的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。這里我設(shè)計(jì)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/kHz0.10.150.200.5510030040045050070

17、0UO/V0.260.350.390.500.560.550.430.390.370.310.24LOG(f)Au圖4 幅頻特性圖下限頻率fL = 400HZ 上限頻率fH = 190KZ 帶寬BW = 189.4KHZ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：下線截止頻率超過100HZ，并且與計(jì)算值得誤差較大，個(gè)人覺得這是所給公式只取大于等于造成的，因?yàn)橛?jì)算式只是最小值，而不是真實(shí)值。六、提高實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、相位測量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，并測量兩者間的相位差；答：Vi超前Vo = t/T 3600 = 2.77 / 5.05*360 =197.5 f=fL時(shí)的輸入輸出波

18、形圖：197.5輸出波形輸入波形 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：從波形和計(jì)算結(jié)果都可以發(fā)現(xiàn)輸出波形落后輸入波形大概180。這也說明共射極放大電路是反相放大。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，并測量兩者間的相位差。答：Vi超前Vo = t/T 3600 = 165 / 250 * 360=230.4. f=fH時(shí)的輸入輸出波形圖：輸出波形輸入波形230.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：可以看出放大器此時(shí)的相位差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了180，不在是純粹的反相電路。原因可能是再高頻時(shí)三極管內(nèi)部的電容相應(yīng)顯現(xiàn)出來，對相位產(chǎn)生了較大影響。2、 負(fù)反饋對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，并和前面實(shí)驗(yàn)測量的結(jié)果進(jìn)行分析比較。圖3-5 電流串聯(lián)負(fù)反饋放大電路電路的增益Vo= 64.4 輸入阻抗Ri= 4.2K 輸出阻抗Ro= 3.1k 下限頻率fL = 100HZ 上限頻率fH = 750KHZ 帶寬BW = 749.9KHZ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：發(fā)現(xiàn)引入負(fù)反饋后電路增益變小，輸入阻抗變大，輸出阻抗不變，下線截止頻率下降，上限截止頻率