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文檔簡介

1、實驗二 晶體三極管放大電路特性分析和研究一、實驗?zāi)康模?1熟悉仿真軟件Multisim的使用,掌握基于軟件的電路設(shè)計和仿真分析方法; 2熟悉仿真軟件Multisim的直流工作點分析、交流分析、溫度掃描和參數(shù)掃描分析方法; 3熟悉便攜式虛擬仿真實驗平臺,掌握基本功能的使用方法; 4通過軟件仿真,了解晶體三極管輸入特性和輸出特性; 5通過軟件仿真和硬件實驗驗證,觀測晶體三極管放大電路輸出波形與靜態(tài)工作點的關(guān)系,理解靜態(tài)工作點在晶體管放大電路中的作用,加深對截止失真和飽和失真的認(rèn)識;6、通過軟件仿真和硬件實驗驗證,掌握晶體三極管靜態(tài)工作點分析和設(shè)計方法;7、信號源內(nèi)阻對放大器性能的影響。8、掌握放大

2、器電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻、頻率特性的測試方法。9、熟悉常用電子儀器的使用。二、實驗預(yù)習(xí): 復(fù)習(xí)有關(guān)單級放大電路的內(nèi)容,熟悉基本原理、性能參數(shù)及各元件作用。根據(jù)圖2.1所示的電路,雙極型晶體管2N3904的120,VBE(on)=0.7V。計算Q1的各極直流電流、直流電壓和該單級放大器的電壓增益Av。設(shè)電位器調(diào)整到25%。填入表2.1計算欄。圖2.1 晶體三極管靜態(tài)工作點分析電路表2.1 晶體三極管2N3904靜態(tài)工作點(R2=20K)計算值仿真值實測值基極電流IB(A)NULL集電極電流IC(mA)集電極電壓(V)發(fā)射極電壓(V)工作區(qū)域電壓增益Av三、實驗設(shè)備 便攜式虛擬仿真實驗平

3、臺(PocketLab、元器件)、+5V直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字萬用表、信號發(fā)生器DF1642C、交流毫伏表DF2710B、雙蹤數(shù)字示波器CS-4125A。四、實驗內(nèi)容: (一) 仿真實驗1根據(jù)圖2.2(a)所示電路,在Multisim中進(jìn)行仿真分析,得到晶體管的輸出伏安特性。 圖2.2 二極管伏安特性實驗電路(a) IV分析儀與三極管的連接;(b) 用IV分析儀測得的三極管輸出伏安特性曲線仿真任務(wù):二極管選取型號2N3904,用IV分析儀對晶體管的伏安特性進(jìn)行測量。仿真設(shè)置:根據(jù)圖2.2(b)所示,點擊Sim_Param設(shè)置電壓掃描范圍和電流范圍,三極管V_ce兩端電壓范圍為06V,步進(jìn)50 mV

4、,I_b電流范圍為10A10 A,共10步,如圖2.3所示。然后運行Run,可得圖2.2(b)。點擊鼠標(biāo)右鍵,彈出菜單,選擇select trace ID,彈出如圖2.4所示下拉菜單,選擇所要的I_b,然后移動測量線,便可讀出V_ce值和I_c值,填入表2.2中。根據(jù)測得值計算電流放大倍數(shù),填入表中。圖2.3 模擬參數(shù)設(shè)置圖2.4 select trace ID界面表2.2 不同基極電流下的集電極電流和放大倍數(shù)I_b值I_c值o值值1A2A3A4A5A6A7A8A9A2. 根據(jù)圖2.1所示電路形式,在Multisim中搭建晶體三極管2N3904的直流偏置電路。仿真設(shè)置:Simulate Ana

5、lyses DC Operating Point,在彈出窗口中(如圖2.5)選擇需要列出的靜態(tài)工作各節(jié)點電壓和各支路電流,然后點擊Simulation,進(jìn)行直流工作點分析。在彈出的直流工作點窗口(如圖2.6)的菜單中選取Tools,再選取Export to Excel,可將輸出結(jié)果轉(zhuǎn)入到EXCEL中,并填入表2.1中的仿真欄。或者運行Run,直接讀取XMM1、XMM2、XMM3顯示的數(shù)值,可知基極、集電極和發(fā)射極的電壓。圖2.5 選取直流工作點圖2.6 保存直流工作點3根據(jù)圖2.1所示電路形式,在Multisim中搭建晶體三極管2N3904單級放大電路。加入峰峰值=5mV,頻率=1kHz的正弦

6、波。調(diào)整電位器的值約為25%處。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。雙擊示波器XSC1器件,出現(xiàn)如圖2.7所示的示波器界面。調(diào)整2個通道的顯示方式,將它們的波形顯示出來,并采用如圖所指的測量工具,測試輸入,輸出波形的峰峰值,計算得到電壓增益Av,填入表格2.1。圖2.7 Multisim 安捷倫示波器4在保持電路工作狀態(tài)不變的情況下,改變輸入信號幅度峰峰值,取Vinpp=5mV,Vinpp=10mV,Vinpp=20mV,Vinpp=30mV,Vinpp=40mV,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

7、頻譜分析圖,填入表2.3。此時在輸出端接上頻率分析儀如圖2.8所示。圖2.8 電路接入頻譜分析儀表2.3 不同輸入情況下的輸入輸出波形圖瞬態(tài)波形圖頻率分析Vinpp=5mV瞬態(tài)波形圖頻率分析Vinpp=10mV瞬態(tài)波形圖頻率分析Vinpp=20mV瞬態(tài)波形圖頻率分析Vinpp=30mV瞬態(tài)波形圖頻率分析Vinpp=40mV思考題:請說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。5.在保持輸入信號Vinpp=10mV的情況下,將圖2.1中的電位器調(diào)到10%,可觀察到如圖2.9所示的波形。試問此時輸出波形的失真為何失真?其原因是什么?圖2.9 放大器輸入、輸出波形將圖2.1中的電位器調(diào)到

8、60%,可觀察到如圖2.10所示的波形。試問此時輸出波形的失真為何失真?其原因是什么?圖2.10 放大器輸入、輸出波形6. 將圖2.1中的電位器調(diào)到25%,從小到大調(diào)節(jié)輸入信號的幅度,直到輸出波形出現(xiàn)失真,此時的輸入信號應(yīng)該是放大器處于目前狀態(tài)的最大信號,即輸入信號的動態(tài)范圍。7. 取輸入信號仍為Vinpp=5mV,在信號源上串聯(lián)一個電阻R8,表征信號源內(nèi)阻,如圖2.11所示。取該電阻為50、1k和13k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Avs,填入表2.4。 圖2.11 信號源內(nèi)阻表2.4 不同信號源內(nèi)阻的輸入輸出波形圖源電壓增益Avs=源電壓增益Avs=源

9、電壓增益Avs=R=50R=1kR=13k8將R4用用200和400的兩個電阻串聯(lián),且將旁路電容C3接在節(jié)點9和地之間,得到如圖2.12所示電路。重新仿真,觀察到什么現(xiàn)象?為什么?改變輸入信號幅度,重新獲得不失真波形,并測得此時的電壓增益,與原電壓增益比較,得到何種結(jié)果?請解釋原因,并將兩種增益值填入表2.5。圖2.12 改變C3的位置表2.5 CE1不同接法時的放大器增益C3接于9-0CE1接于10-0放大器增益AV(二)基于便攜式虛擬仿真平臺的硬件實驗 本實驗采用便攜式虛擬仿真實驗平臺和實驗室里提供的設(shè)備對電路進(jìn)行有關(guān)性能測量。具體步驟如下:1電路連接首先根據(jù)圖2.14在面包板上搭試電路,

10、并將PocketLab的CN2中直流輸出端+5V和GND與電路的電源、地節(jié)點連接;PocketLab的CN1中信號輸出端S0或S1作為電路的輸入信號接C2左側(cè)(也可以用1端口);PocketLab的CN1中輸入端C1和C2分別接到電路輸入信號端和電阻R5,分別測試輸入輸出兩路信號。所有連接如圖2.14所示。注意電位器調(diào)節(jié)到約25%處,即1-3的電阻為35k。圖2.14 硬件連接示意圖2節(jié)點電壓測量用USB接口線將PocketLab與計算機相連,將PocketLab的CN1中輸入端C1和C2與Q1的基極和發(fā)射極相連,閉合PocketLab電源開關(guān),在電腦中打開“虛擬實驗室”,點擊電源開關(guān)置“ON

11、”,如顯示連接正常,表明PocketLab正常工作。然后在Function功能中選擇直流電壓表,在主面板選擇直流電壓表界面,設(shè)定C1、C2的直流偏置為零,點擊Set完成設(shè)置;點擊ON/OFF開關(guān),處于ON狀態(tài),上方將實時顯示C1、C2信號的直流電壓,可檢查晶體管基極和發(fā)射極電壓是否合適。同樣將PocketLab的CN1中輸入端C1和C2與Q1的基極和集電極相連,用直流電壓表測量它們的電壓,以檢查電壓值是否合適,確保電路搭試正確。3輸入信號產(chǎn)生將PocketLab的CN1中輸入端C1和C2分別接到電路輸入信號端和電阻R5相連,在PocketLab的主面板中選擇信號發(fā)生器,出現(xiàn)信號發(fā)生器界面如圖2

12、.15所示,選擇輸出信號波形為正弦波,頻率為1kHz,信號幅度Vpp為5mV,DC Offset=0V。點擊按鈕Set,正弦波信號將輸出到電路輸入端。圖2.15 信號發(fā)生器界面4輸入、輸出交流波形測試在PocketLab的Function功能欄中選擇示波器,在主面板中選擇示波器,出現(xiàn)如圖2.15所示的示波器操作界面。選擇合適的時間和電壓刻度,顯示三極管單級放大器的輸入、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,填入表格2.6,比較計算值,仿真值和測試值是否一致。圖2.22 示波器波形顯示表2.6 晶體三極管放大器增益計算值仿真值實測值放大器增益AV5、觀察放大器輸出隨

13、輸入信號幅度變化根據(jù)仿真情況,從小到大逐漸改變發(fā)生器所產(chǎn)生信號的幅度,用PocketLab的示波器界面,選擇合適的時間和電壓刻度,顯示三極管單級放大器的輸入、輸出波形。6、觀察實際的截止失真和飽和失真根據(jù)仿真結(jié)果,調(diào)節(jié)電位器R6,讓放大電路工作在截止?fàn)顟B(tài)或飽和狀態(tài),用PocketLab的示波器界面,選擇合適的時間和電壓刻度,顯示三極管單級放大器的輸入、輸出波形。(三)基于實驗室的實測實驗 1、電路連接將圖2.14在面包板上搭試電路與PocketLab脫離,用直流穩(wěn)壓電源+5V輸出端接到該電路的+5V,電源的地端接到該電路的接地處。將信號發(fā)生器輸出端接到放大電路輸入端;示波器的CH1和CH2分別

14、接放大電路的輸入端和輸出端,分別測試放大電路的工作狀態(tài)。注意電位器調(diào)節(jié)到約25%處,即1-3的電阻為35k。這樣基于便攜式虛擬仿真的實驗與實驗室的實驗電路狀態(tài)是一樣的,便于不同實驗條件下結(jié)果的比較。2、電壓放大倍數(shù)測量在放大器輸入端加入頻率為1kHz的正弦波信號vi,調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器的輸出信號幅度旋鈕使放大器輸入電壓的峰-峰值約為10mV,同時用示波器觀察放大器輸出信號波形。在輸出波形不失真的情況下,用交流毫伏表分別測量表2.7三種情況的輸入端信號幅值Vi(有效值)和輸出信號幅值Vo(有效值),并用示波器觀察輸入信號和輸出信號的相位關(guān)系。測量數(shù)據(jù)記錄表2.7中。表2.7 電壓放大倍數(shù)測量數(shù)據(jù)R3

15、/kRL/kVi/mVVo/mVAv輸入信號vi和輸出信號vo波形3.323.3103、輸入、輸出電阻測量 輸入電阻和輸出電阻是放大器的重要性能指標(biāo),輸入電阻可以反映放大器從信號源獲取信號的能力。為了測量放大器的輸入電阻,按圖2.23所示電路在被測放大器與信號源之間串接一個已知電阻,輸入交流電壓,在放大器正常工作的情況下,用交流毫伏表測出Vs和Vi,則根據(jù)輸入電阻的定義可得只要測得Vs、Vi,且已知電阻R,就可測得輸入電阻Ri。注意,電阻R的取值不宜過大或過小,否則會產(chǎn)生較大測量誤差。通常取R與Ri為同一數(shù)量級為好。圖2.23 放大器輸入電阻與輸出電阻測量原理電路對于輸出電阻Ro的測量,根據(jù)圖

16、2.23所示電路,在放大器正常工作的條件下,用毫伏表測出輸出端不接負(fù)載RL的輸出電壓Vo和接入負(fù)載后的輸出電壓VL,則根據(jù)即可求得輸出電阻在測試過程中,應(yīng)保持RL接入前后輸入信號的大小不變。根據(jù)上述測量原理,在放大器輸入端加入頻率為1kHz的正弦波信號vs,調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器的輸出信號幅度旋鈕使放大器輸入電壓的峰-峰值約為10mV,用示波器觀察放大器輸出信號波形。在輸出波形不失真的情況下,用交流毫伏表分別測量信號源輸出幅值Vs、輸入端信號幅值Vi(有效值)和接入負(fù)載時輸出信號幅值VL(有效值),斷開負(fù)載后,測得輸出電壓Vo。將測得的數(shù)據(jù)填入表2.8中。表2.8 輸入、輸出電阻測量數(shù)據(jù)Vs/mVVi

17、/mVRi/kVL/mVVo/mVRo/k測量值理論值測量值理論值4、幅頻特性曲線測量放大器的頻率特性是放大器電壓放大倍數(shù)的幅值和相位與輸入信號頻率f之間的關(guān)系曲線。常用通頻帶BW0.7來表示。通頻帶則是電壓放大倍數(shù)隨頻率下降到中頻放大倍數(shù)的0.707倍()時所對應(yīng)的上限頻率fH和下限頻率fL之差。BW0.7=fH-fL。放大器的幅頻特性是通過測量不同頻率信號時的放大倍數(shù)來實現(xiàn)的。常采用逐點測試方法,每改變一個信號頻率,測量其相應(yīng)的電壓放大倍數(shù)Av。測量時應(yīng)注意取點要恰當(dāng),在低頻段與高頻段應(yīng)多測幾個點,在中頻段可以少測幾點,便于繪出幅頻特性曲線。放大器的相頻特性的測試可以通過雙蹤示波器顯示測量

18、相位差。將輸入、輸出兩個正弦波形同時顯示在示波器屏幕上,其正弦波周期為T,相位寬度為T1,則相位差=T1/T×360°。正確選擇頻率測試點,通常在測量幅頻特性的同時,用示波器監(jiān)測不同頻率點的,即可繪出相頻特性曲線。根據(jù)幅頻特性測量原理,在保持輸入信號Vi幅度不變的情況下,改變信號源頻率f,逐點測出相應(yīng)的輸出電壓值Vo,測量數(shù)據(jù)填入表2.9中。表2.9 幅頻特性的測量數(shù)據(jù)頻率f/kHz輸出電壓Vo/mV增益Av=Vo/Vi 為了信號源頻率取值合適,可先粗測一下頻率f,找出中頻范圍,然后再仔細(xì)測繪找出fL和fH,同時可用示波器監(jiān)測輸入、輸出信號的相位差,測量相頻特性。 五、實驗報告

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