單級低頻電壓放大電路課件

1、東南大學電工電子實驗中心實驗報告課程名稱：電子線路實踐第三、四次實驗實驗名稱：單級低頻電壓放大電路 院（ 系）：電氣工程學院 專 業(yè)：姓 名： 學 號：實 驗 室： 實驗組別：無同組人員： 實驗時間：評定成績： 審閱老師：實驗報告格式實驗準備：1. 實驗目的和要求（或電路需要實現(xiàn)的功能及主要功能指標）2. 實驗原理及實現(xiàn)方案3. 實驗電路設(shè)計與參數(shù)選擇4. 需要設(shè)計的參數(shù)及數(shù)據(jù)測量方法5. 理論計算數(shù)據(jù)或軟件模擬數(shù)據(jù)6. 實驗數(shù)據(jù)記錄格式7. 實驗使用儀器準備（包括儀器的名稱、型號、規(guī)格、編號、實用狀況）8. 實驗過程或?qū)嶒灢襟E實驗過程：1. 實驗步驟與實驗數(shù)據(jù)記錄2. 實驗最終電路與電路參數(shù)

2、3. 實驗中出現(xiàn)的問題及解決方案實驗總結(jié)：1. 實驗數(shù)據(jù)處理2. 實驗誤差分析3. 實驗結(jié)果討論4. 思考題一、 實驗目的和要求1、 掌握單級放大電路的工程估算、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、 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 、交流電壓表、函數(shù)發(fā)生器的使用技能訓練。二、 實驗原理預習思考：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(guān)參數(shù)值填入下表：封裝示意圖如右圖參數(shù)符號參數(shù)值參數(shù)意義及設(shè)計時應該如何考

3、慮VCBO40v集電極允許加的最高反向電壓VCEO30v基極開路時，集電極與發(fā)射極間的反向擊穿電壓VEBO5v集電極開路時，發(fā)射極與集電極間的反向擊穿電壓IC500mA最大集電極電流IE-500mA最大發(fā)射極電流hFE96/246共射直流電流系數(shù)VCE(sat)0.1v集電極-發(fā)射極飽和壓降VBE0.8v基極-發(fā)射極壓降fT140MHz特征頻率2、 偏置電路：教材圖1-3中偏置電路的名稱是什么，簡單解釋是如何自動調(diào)節(jié)BJT的電流IC以實現(xiàn)穩(wěn)定直流工作點的作用的，如果R1 、R2取得過大能否再起到穩(wěn)定直流工作點的作用，為什么？答：該電路為射極偏置電路。 利用R1、R2構(gòu)成的分壓器給三極管基極b提

4、供電位UB。如果滿足電流I1IBQ的條件，基極電位可以近似由UB=Vcc。當環(huán)境溫度升高，ICQ 增大，RE 壓降增大。由于基極電位固定，發(fā)射極上電壓減小，IBQ 減小，使得ICQ減小，通過這樣的自動調(diào)節(jié)ICQ趨于穩(wěn)定。 如果R1 、R2取得過大，R1中電流很小，不能滿足R1R2支路中的電流I1IBQ的條件。此時，UBQ在溫度變化時無法保持基本不變，直流工作點穩(wěn)定的實現(xiàn)失效。3、 電壓增益：(I) 對于一個低頻放大器，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)缺點，總結(jié)出最佳實現(xiàn)方案。答：依據(jù)電壓增益計算公式采用下述方法可以提高電壓增益：

5、增大集電極電阻RC和負載的輸入阻抗RL。缺點：RC太大，受VCC的限制，會使晶體管進入飽和區(qū)，電路將不能正常工作。 Q點適當選高，即增大ICQ。缺點：電路耗電大、噪聲高。 選取高值的三極管 選用多極放大電路級聯(lián)形式來獲取足夠大的電壓增益。一般二級電路的放大倍數(shù)可達幾百倍，三級電路的放大倍數(shù)可達幾千倍。缺點：電路較復雜，輸出信號易產(chǎn)生自激，需采取措施消除。最佳方案是：在射結(jié)電阻兩端并聯(lián)一個大電容，對于交流近似短路，但不影響工作點的大小和穩(wěn)定性，成為射極旁路電容。(II) 實驗中測量電壓增益的時候用到交流毫伏表，試問如果用萬用表或示波器可不可以，有什么缺點。答：在頻率低于100KHz時萬用表（指多

6、功能數(shù)字式萬用表，且其頻率測量指標在100khz以上）的交流擋和交流毫伏表都可以比較精確得測量交流電壓，當頻率大于100KHz小于1MHz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得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(shè)信號源內(nèi)阻為RS，試畫出圖1-3中放大電路的輸入等效電路圖，回答下面的連線題，并做簡單解釋： 答：放大電路的輸入等效電路圖如右圖，圖中RS為信號源內(nèi)阻。信號源VS、放大電路輸入阻抗 Ri 、信號

7、源內(nèi)阻RS串連成回路，計算可得： （1） （2）（3）（4） 非理想信號源輸出的VS和RS固定，輸出功率有限，即VSI為常量 根據(jù)公式（1），Ri RS，加在Ri上的電壓增加 根據(jù)公式（4），Ri RS，加在Ri上的功率最大(II) 教材圖1-4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。答：如果串聯(lián)電阻RS過大信號Vi值將很小，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，RS過小則信號Vi值將很大，由于電壓表分辨率有限，同樣會引入較大誤差(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

8、識，分析有哪些方法可以提高教材圖1-3中放大電路的輸入阻抗。答：依據(jù)交流輸入阻抗計算公式采用下述方法可以提高輸入阻抗： 增大R1 、R2值，同時保證滿足R1R2支路中的電流I1IBQ的條件。 選高值的三極管。 在保證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，試分析教材圖1-3中放大電路的輸入阻抗受那些參數(shù)的影響，設(shè)負載為RL，畫出輸出等效電路圖，回答下面的連線題，并做簡單解釋。答：放大器輸出阻抗。輸出等效電路圖參見右圖。連線題分析可參看輸入阻抗預習題（I）的分析，其中放大器輸出電壓VO視為信號源VS，放大電路輸出阻抗 R0 視

9、為信號源內(nèi)阻RS，負載RL視為輸入阻抗Ri(II) 教材圖1-5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。答：從上題可知，若RL的取值太大，負載將從放大器獲取較大的電壓，電路可以等效成一個恒電源，無法實現(xiàn)輸出電壓可調(diào)；若RL的取值太小，負載將從放大器吸收較大電流，容易引入干擾，對電阻的電能消耗也會增大，同時噪聲大。(III) 對于小信號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教材圖1-3中放大電路的輸出阻抗。理論上，減小RC的值可以減小放大電路的輸出阻抗。測量電路時，減小負載電阻RL的值也可以減小放大

10、電路的輸出阻抗。6、 計算教材圖1-3中各元件參數(shù)的理論值，其中已知：VCC=12V，Vi=5mV，RL=3K，RS=50， T為9013指標要求：AV50，Ri1 K，RO3K，fL100kHz（建議IC取2mA）答：設(shè)計過程：本實驗所用三極管9013是硅管，=1601）對于圖1-3中的偏置電路，只有R2支路中的電流I1IBQ時，才能保證VBQ恒定實現(xiàn)自動穩(wěn)定工作點的作用，因此為了滿足工作點需求，?。篒1=25IBQ2）為了提高電路的穩(wěn)定性，一般要求VBQVBE，工程中一般取VBQ=(510)VBE，即VBQ=(35)V，這里取VBQ=3V；3）電路的靜態(tài)工作點電流 ，由于是小信號放大，所以

11、ICQ一般取0.52mA，這里取2mA；4）計算R1和R2的值：，取R2=10K5） 符合設(shè)計要求符合設(shè)計要求6）計算RE的值，取RE=1K7）計算RC的值RCRL=3K8）按常規(guī)取 C1=C2 = 47 uF ； CE = 100uF根據(jù)以上設(shè)計過程，圖1-3中各元件參數(shù)如下：RW = 100K R1= 10K R2= 10K RC= 3K RE = 1K C1 = 47u C2 = 47u CE = 100u 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)您所學的理論知識，分析有哪些方法可以增加教材圖1-3中放大電路的上限頻率，那些方法可以降低其下限頻率。答：電路頻

12、率特性的下限頻率分析可采用RC高通電路的分析方法：耦合電容和輸入阻抗或輸出阻抗構(gòu)成一個高通電路，所以下限頻率值組要受C1、C2和CE的影響，關(guān)系如下：所以增大C1、C2和CE的值或級間信號和耦合方式采用直接耦合方式，可以降低放大器的下限頻率。放大器的上限頻率主要受三極管極間電容的影響，選擇極間電容較小的三極管可提高放大器的上限頻率。要有效的增大fH，必須選用rbb1、Cbc小而特征頻率fT高的三極管，或者將放大器改接成共基極放大器。另外，引入負反饋也能夠降低下限頻率，增大上限頻率。8、 負反饋對放大器性能的影響引入交流負反饋后，放大器的放大倍數(shù)將下降，其表達式為。式中，F(xiàn)為反饋網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù)；

13、A為無負反饋時的放大倍數(shù)。引入負反饋后通頻帶加寬，負反饋放大器的上限頻率fHF與下限頻率fLF的表達式分別為 和。引入負反饋還會改變放大器的輸入電阻與輸出電阻，其中并聯(lián)負反饋能降低輸入阻抗，串聯(lián)負反饋能提高輸入阻抗，電壓負反饋使輸出阻抗降低，電流負反饋使輸出阻抗升高。三、 實驗內(nèi)容（一） 單級低頻電壓放大電路（基礎(chǔ)）1、裝接電路：按圖1-3所示電路，在模擬試驗箱的面包板上裝接原件。2、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ICQ=2mA，測量靜態(tài)時晶體管集電極-發(fā)射極之間的電壓VCEQ（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VS使V

14、i=5mA，測量并記錄Vs、Vo和Vo，并記入表1-1中。）靜態(tài)工作點ICQ（mA）12測量值測量值理論值誤差輸入端接地VBQ(V)1.70052.69972.70.01%VCQ(V)9.2636.1286.02.13%VEQ(V)1.07942.06282.03.14%輸入信號Vi=5mVVS(mV)6.4507.2407.432.55%VO(V)0.5801.071.0660.40%VO(V)0.2950.540.5331.31%計算值VBEQ0.62110.63690.79.01%VCEQ818364.06524.01.56%AV-59-108-106.61.31%Ri/k1.9011.

15、8872.068.39%Ro/k3.222.983.00.67%計算過程分析：a) 當ICQ=1mA時rbe=200+（1+）=5426 Au=55.28b) 當ICQ=2mA時，取=200IEQ2mA,則UEQ=REIEQ=2VUCQ=VCC-ICQRC=12V-6V=6VUCEQ=UCQ-UEQ=4VUBQ=UBEQ+ICQRE=0.7+2=2.7V動態(tài)分析，得：Ri=R1/R2/rbe=2.2k （rbe=200+（1+）=2.813 k）I1IBQ I1I2=UBQ/R2，R1=(VCC-UBQ)/I1,得R134.4 K rbeRoRC=3 kAu=-106.6輸入電阻的測量：Ri=

16、Ri1=1.901 k Ri2=1.887 k Ri3=2.06 k輸出電阻的測量：Ro1=3.22 k Ro2=2.98 k Ro3=3.0 k3、觀察不同靜態(tài)工作點對輸出波形的影響（1） 增大RW的阻值，觀察輸出電壓波形是否出現(xiàn)截止失真，描出失真波形。（2） 減小RW的阻值，觀察輸出電壓波形是否出現(xiàn)飽和失真，描出失真波形。（3）完全截止(開關(guān)特性觀察)截止失真飽和失真完全飽和(開關(guān)特性觀察)測量值VBQ(V)0.0011.9973.47012.01VCQ(V)12.0112.011.37311.22VEQ(V)01.4112.80111.22計算值ICQ(mA)0.010.013.560.

17、27VBEQ00010.5860.6690.79VCEQ12.0110.5991.4280R11.210550.2924.700.025截止失真的波形： 飽和失真的波形：4、 測量放大器的最大不失真輸出電壓輸出電壓波形如下圖：Vi有效值（mV）Vop-p（V）ICQ（mA）7.7201.942.8145、 測量放大器的幅頻特性曲線調(diào)整ICQ=2mA(設(shè)計值)，保持Vi=5mV不變，改變信號頻率，用逐點法測量不同頻率下的VO值，計入表1-2中，并畫出幅頻特性曲線，記錄下限頻率fL、上限頻率fH，計算帶寬BWa） 輸入Vi=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

18、位差b） 輸入Vi=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放大器幅頻特性f/kHz0.050.070.10.110.120.20.30.40.55Vo/V0.260.320.3820.40.4190.4750.50.510.520.55f/kHz1050100150200300500600700750Vo/V0.580.570.50.4420.3950.30.20.170.1420.14計算得到的放大器Au-f的關(guān)系表格f/kHz0.050.070.10.110.120.20.30.40.55Au526476.48083.895100102104110f

19、/kHz1050100150200300500600700750Au11611410088.47960403428.428幅頻特性曲線：輸入Vi=5mV，f=fL=107.15Hz時的輸入輸出波形：通過光標測量法，得=140.0（Vi超前）輸入Vi=5mV，f=fH=107.15Hz時的輸入輸出波形：通過光標測量法，得=224.66（Vi超前）6、 負反饋對放大器性能的影響在實驗電路中增加反饋電阻RF=10，構(gòu)成電流串聯(lián)負反饋放大器, 調(diào)整ICQ=x(設(shè)計值)，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，并和前面實驗測量的結(jié)果進行分析比較。靜態(tài)工作點電流X=2本

20、次試驗誤差本次測量前次測量理論值輸入信號Vi=5mVVS(mV)6,87.2406.681.8%VO(V)0.671.070.6221.9%VO (V)0.340.540.3110.32%下限頻率fL74.99Hz107.15Hz上限頻率fH251.18kHz208.93kHz計算值A(chǔ)V-77-72-62.20.32%Ri/k2.782.782.976.4%RO/k2.902.983.003.3%BW251.105Khz208.82kHz放大器的幅頻特性數(shù)據(jù)記錄：f/kHz0.070.0750.0780.10.150.30.81.010.0Vo/V0.240.250.2550.2750.30.

21、3210.3380.340.35Au485051556064.267.66870f/kHz100150200250300400500550600Vo/V0.320.2850.2550.220.20.160.140.120.118Au645751444032282423.6幅頻特性曲線如下圖：四、 思考題1、 如將實驗電路中的NPN管換為PNP管，試問：這時電路要作哪些改動才能正常工作？經(jīng)過正確改動后的電路其飽和失真和截止失真波形是否和原來相同？為什么？答：（1）將+Vcc改為-Vcc，C1、C2、Ce反接。（2）這時底部失真為截止失真，頂部失真為飽和失真（與NPN管相反），輸入輸出波形仍為反相。即IBQ下降，ICQ也下降，|VCE|上升，當IBQ上升，ICQ上升，|VCE|下降。2、 圖1-3電路中上偏置串接R1起什么作用？答：偏置電路中串接R1是防止調(diào)整Rw為零電阻時，IB上升,發(fā)射結(jié)電流過大損壞PN結(jié)。3、在實驗電路中，如果電容器C2漏電嚴重，試問當接上RL后，會對放大器性能產(chǎn)生哪些影響？答：如果電容C2漏電嚴重，當接上RL后，電路的靜態(tài)工作點ICQ、VCEQ將受到影響，輸出電壓Vo由于漏電電阻的分壓作用而使Vo下降。4、 級偏置電路中的分壓電阻R1、R2若取得過小，將對放大電路的動態(tài)指標（如Ri及fL）產(chǎn)生什