東南大學(xué)信息學(xué)院-模電實(shí)驗(yàn)三.doc

實(shí)驗(yàn)三 晶體放大器分析與設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、 熟悉仿真軟件Multisim的使用，掌握基于Multisim的瞬態(tài)仿真方法；2、 熟悉POCKET LAB硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，掌握基本功能的使用方法；3、 通過(guò)軟件仿真和硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，掌握晶體三極管放大器的分析和設(shè)計(jì)方法；4、 通過(guò)軟件仿真和硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，掌握?qǐng)鲂?yīng)管放大器的分析和設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)：在圖3-1所示電路中，雙極型晶體管2N3904的120，=0.7V。根據(jù)實(shí)驗(yàn)二中的直流工作點(diǎn)，計(jì)算該單級(jí)放大器的電壓增益,填入表3-1（CC1，CC2和CE1均可視為短路電容）圖3-1. 晶體三極管靜態(tài)工作點(diǎn)分析電路解：根據(jù)實(shí)驗(yàn)二的直流工作點(diǎn)分析：忽略和的作用，在小信號(hào)等效電路中，滿足設(shè)為兩端向三極管看進(jìn)去的等效電阻，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、 晶體三極管放大器仿真實(shí)驗(yàn)1、 根據(jù)圖3-1所示電路，在Multisim中搭建晶體三極管2N3904單級(jí)放大電路。加入峰峰值=50mV，頻率=10kHz的正弦波。仿真設(shè)置：Simulate-Run。結(jié)果查看：采用Agilent示波器XSC1，查看輸入、輸出兩路波形。雙擊該器件，出現(xiàn)示波器界面。調(diào)整2個(gè)通道的顯示方式，將它們的波形顯示出來(lái)，并采用測(cè)量工具，測(cè)試輸入、輸出波形的峰峰值，計(jì)算得到電壓增益，填入表格3-1。解：輸入波形峰峰值：50mV 輸出波形峰峰值：886.33mV因此可得：表3-1： 晶體三極管放大器增益計(jì)算值仿真值實(shí)測(cè)值放大器增益-18.09-17.73-17.222、 變輸入信號(hào)幅度峰峰值，取Vinpp=100mV，Vinpp=200mV，Vinpp=300mV，重新進(jìn)行瞬態(tài)仿真和頻譜分析，截取各輸入條件下的輸入輸出波形圖和頻譜分析圖，填入表3-2。表3-2：不同輸入情況下的輸入輸出波形圖瞬態(tài)波形圖頻譜分析Vinpp=50mV瞬態(tài)波形圖頻譜分析Vinpp=100mV瞬態(tài)波形圖頻譜分析Vinpp=200mV瞬態(tài)波形圖頻譜分析Vinpp=300mV思考題：請(qǐng)說(shuō)明不同輸入情況下的輸出波形有何差異，并嘗試解釋其原因。答：1、差異：在輸入正弦波頻率不變的情況下，輸出波形峰峰值隨輸入波形峰峰值的增大而增大，但是增幅逐漸減小。峰峰值50mV-300mV逐漸增大，放大器的電壓增益呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，甚至當(dāng)輸入波形的峰峰值增大到一定程度時(shí)，輸出波形出現(xiàn)失真。2、原因：放大器的電壓傳輸特性是非線性的，只在小信號(hào)變化的范圍內(nèi)近似為線性，當(dāng)輸入信號(hào)幅度逐漸增大時(shí)，電壓達(dá)到非線性區(qū)域，就會(huì)出現(xiàn)信號(hào)的失真。3、 取輸入信號(hào)為Vinpp=100mV，在信號(hào)源上串聯(lián)一個(gè)電阻表征信號(hào)源內(nèi)阻，如圖3-2所示。取該電阻為50、1k和10k重新進(jìn)行仿真，截取不同電阻情況下的輸入輸出波形圖，并估算源電壓增益，填入表3-3。圖3-2. 信號(hào)源內(nèi)阻表3-3：不同信號(hào)源內(nèi)阻的輸入輸出波形圖電壓增益-17.59電壓增益-17.64電壓增益-17.73源電壓增益-17.50源電壓增益-15.94源電壓增益-8.59R=50R=1kR=10k思考題：請(qǐng)說(shuō)明不同源電阻情況下的電壓增益的差異，并據(jù)此估算出晶體管放大器的內(nèi)阻。答：當(dāng)源電阻增大時(shí)，電壓增益增大，但是電壓源增益減小。 由【實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)】中的仿真值可知，17.73，因此，可估算出晶體管放大器的內(nèi)阻為10k。4、 改變旁路電容CE1，將其接在節(jié)點(diǎn)2和地之間，重新仿真圖3-1，觀察到什么現(xiàn)象？為什么？改變輸入信號(hào)幅度，重新獲得不失真波形，并測(cè)得此時(shí)的電壓增益，與原電壓增益比較，得到何種結(jié)果？請(qǐng)解釋原因，并將兩種增益值填入表3-4。（1）將旁路電容接在節(jié)點(diǎn)2和地之間，現(xiàn)象（即輸入輸出波形）如圖3-3所示。圖3-3. 改變旁路電容，將其接在節(jié)點(diǎn)2和地之間，輸入輸出波形圖（2） 改變輸入信號(hào)峰峰值為40mV，重新獲得不失真波形，如圖3-4所示。圖3-4. 改變輸入信號(hào)幅度，重新獲得不失真波形表3-4：CE1不同接法時(shí)的放大器增益CE1接于3-0CE1接于2-0電壓增益-17.73-72.75分析：改變旁路電容的節(jié)點(diǎn)后，輸出波形出現(xiàn)失真現(xiàn)象。通過(guò)調(diào)節(jié)輸入信號(hào)幅度，獲得不失真波形，由表中數(shù)據(jù)可以看出，此時(shí)增益為72.75，與原電壓增益相比，電壓增益急劇增大。 出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因：放大器的電壓傳輸特性是非線性的，只有當(dāng)輸入信號(hào)幅度以及增益不大時(shí)才為線性輸出。而當(dāng)旁路電容CE1接在節(jié)點(diǎn)2和地之間，RE2被短路，增益明顯變大，輸出為非線性。因此，輸出波形出現(xiàn)明顯失真。2、 晶體三極管放大器硬件實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)采用POCKET LAB實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的直流+5V電源、信號(hào)發(fā)生器、直流電壓表和示波器。1、 電路連接首先根據(jù)圖3-1在面包板上搭試電路，并將POCKET LAB的直流輸出端+5V和GND與電路的電源、地節(jié)點(diǎn)連接；POCKET LAB的一路輸出端作為電路的輸入信號(hào)；POCKET LAB的一路輸入端接電路輸入信號(hào)端；另一路輸入端接電路輸出信號(hào)端，分別測(cè)試輸入輸出兩路信號(hào)。2、 直流測(cè)試在進(jìn)行波形測(cè)試之前，請(qǐng)采用實(shí)驗(yàn)二的直流測(cè)試辦法，使用POCKET LAB的直流電壓表測(cè)試各點(diǎn)直流電壓，以確保電路搭試正確。3、 輸入信號(hào)在電腦中打開(kāi)POCKET LAB的信號(hào)發(fā)生器界面，選擇輸入信號(hào)波形為正弦波，頻率為5kHz，信號(hào)幅度為50mV，DC Offset=0V，兩通道獨(dú)立設(shè)置。點(diǎn)擊按鈕Set，正弦波信號(hào)將輸出到電路輸入端。4、 交流波形測(cè)試在電腦中打開(kāi)POCKET LAB的示波器界面，選擇合適的時(shí)間和電壓刻度，顯示三極管單端放大器的輸入，輸出波形。并在窗口中直接讀出其輸入輸出波形的峰峰值，獲得其電壓增益，填入表3-1，比較計(jì)算值，仿真值和測(cè)試值是否一致。答：在POCKET LAB的示波器界面，可直接讀出輸入輸出波形的峰峰值，如下圖所示。因此，。在誤差允許范圍內(nèi)，可認(rèn)為計(jì)算值、仿真值和測(cè)試值一致。3、 場(chǎng)效應(yīng)管放大器仿真實(shí)驗(yàn)1、 根據(jù)圖3-5所示電路，在Multisim中搭建MOS管IRF510單級(jí)放大電路。圖3-5. MOS管IRF510單級(jí)放大電路對(duì)該電路進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析，完成表3-5。（注：因器件原因，無(wú)法進(jìn)行場(chǎng)效應(yīng)管的實(shí)測(cè)。）表3-5. 場(chǎng)效應(yīng)管放大器直流工作點(diǎn)仿真值實(shí)測(cè)值2.7754.0000.148I（R3）（A）741.832、 加入峰峰值=100mV，頻率=5kHz的正弦波，進(jìn)行瞬態(tài)仿真，在示波器中查看波形，并將輸入輸出波形截圖于圖3-7，根據(jù)測(cè)量輸入輸出波形的峰峰值，求得該放大器的增益為：仿真波形實(shí)測(cè)波形增益：13.72增益：圖3-7. MOS管放大器瞬態(tài)波形4、 場(chǎng)效應(yīng)管放大器硬件實(shí)驗(yàn)重復(fù)第二項(xiàng)“晶體三極管放大器硬件實(shí)驗(yàn)”中的所有步驟，完成場(chǎng)效應(yīng)管放大器IRF510的硬件實(shí)驗(yàn)，并將直流工作點(diǎn)測(cè)試結(jié)果填入表3-5。將