單級(jí)放大電路設(shè)計(jì)模電實(shí)驗(yàn)

1、LimsEERB電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告東南大學(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：?jiǎn)渭?jí)電壓放大電路設(shè)計(jì)院（系）:吳健雄專業(yè)：電類姓名：學(xué)號(hào)：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(píng)定成績(jī)：審閱教師：、基本信息 實(shí)驗(yàn)時(shí)數(shù)： 時(shí)間要求： 教 材: 實(shí)驗(yàn)檢查：實(shí)驗(yàn)三 單級(jí)電壓放大電路設(shè)計(jì)6學(xué)時(shí)第1011周完成，第11周內(nèi)交實(shí)驗(yàn)報(bào)告 電子線路實(shí)踐 Page 16帶班教師檢查二、學(xué)習(xí)目標(biāo)：1、掌握單級(jí)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(cè)量方法；3、了解負(fù)反饋對(duì)放

2、大電路特性的影響。4、 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:YO“O*圖3-1射級(jí)偏置電路1、對(duì)于圖3-1中的偏置電路，只有R2支路中的電流|1>>|BQ時(shí)，才能保證 UBQ恒定實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)定工作點(diǎn)的作用，所以工程中一般?。篒1(510)Ibq (硅管)I1(1020)Ibq (鍺管)。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=(1 3)V (鍺管)。電路的靜態(tài)工作點(diǎn)電流I CQU BQ U BE，由于是小信號(hào)

3、放大，所以ReIcq 一般取0.52mA。Icq確定后通過(guò)以下公式可計(jì)算Ri和R2的值:R2u BQiTu BQu BQ510 Ibq510 IcqRiVccU BQVccU BQ R2U BQ交流電壓放大倍數(shù)AuRlRl1 re3001Rl。_26mV。1 CQ交流輸入阻抗R% / Rl / R2%rb (1)re 300 (126mV。ICQ交流輸出阻抗Roro RcRc °8、3 102RSrbe C13 102RCRL C22 (Re/1Rsrbep 匹)CE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(cè)量方法:(a)單級(jí)放大器放大特性 通特性(b)低通特性帶電

4、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:圖3-2幅頻特性示意圖3-2列出了常見的幅頻特性類型。(a)BW=fH-fL, (d)中的f0表示中心頻率；(b)幅頻特性反應(yīng)了電路增益和頻率之間的關(guān)系，圖 和(d)中的fL表示下限頻率，fH表示上限頻率，帶寬和(c)中的f0表示截止頻率。在實(shí)驗(yàn)中可采用“逐點(diǎn)法”測(cè)量不同頻率時(shí)的電壓放大倍數(shù) 來(lái)測(cè)量幅頻特性。測(cè)量時(shí)，保持輸入信號(hào)幅度不變，改變輸入信號(hào)頻率，每改變一次信號(hào)頻率，用交流毫伏表或示波器測(cè)量一個(gè)輸出電壓值，計(jì)算其增益，然后將測(cè)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(hào)幅度在不同頻率時(shí)可能會(huì)有變化

5、，因此每改變一次頻率都要用交流毫伏表或示波器測(cè)量輸入信號(hào)的幅度，一定要保證輸入 信號(hào)的幅度不改變。為了更快更準(zhǔn)確的測(cè)量幅頻特性，必須根據(jù)不同幅頻特性類型，選擇不同的測(cè)量技巧。 對(duì)于(a)可先測(cè)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(cè)量，即可較準(zhǔn)確 的繪制曲線。(b)和(c)也可參考這種方式來(lái)測(cè)量。對(duì)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(cè)量輸出信號(hào)，剛開始輸出信號(hào)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(hào)幅度隨著頻率的增加開始減小，則該頻率為中心頻率， 記

6、下該頻率對(duì)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(cè)，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(hào)參數(shù)值參數(shù)意義及設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該如何考慮VCBO<40v發(fā)射極開路時(shí)，集電極 基極的之間的反向 擊穿電壓，是集電結(jié)所允許加的最高反向電壓VCEO<30v基極開路時(shí)，集電極 發(fā)射極之間的反向擊 穿電壓，此時(shí)集電結(jié)承受反向電壓Vebo<5v集電極開路時(shí)，發(fā)射極 基極之間的反向電壓，是發(fā)射結(jié)所允許加的最高反向電壓Ic<500mA最大集電極電

7、流，使B值明顯減小的Ic為IcMIE< -500mA最大發(fā)射極電流，使B值明顯減小的Ie為IehFE96246直流增益，共射直流電流系數(shù)"1 c/ IbVcE(sat)0.1(T)<0.25(MAX)V集電極發(fā)射極飽和電壓Vbe0.8(T)<1(MAX)V基極發(fā)射極電壓fT>140(MIN)MHZ晶體管頻率，特征頻率，使 B值下降到1的信號(hào)頻率稱為特征頻率2、偏置電路：圖3-1中偏置電路的名稱是什么？簡(jiǎn)單解釋是如何自動(dòng)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Ri、R2取得過(guò)大能否再起到穩(wěn)定直流工作點(diǎn)的作用，為什么？答：共發(fā)射集偏置電路。利用R R

8、i,2構(gòu)成的分壓器給三極管基極b提供電位 Ub,基極電位 Ub可近似求得為R2Ub*Vcc。R2 Ri當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，Icq增加，電阻 Re上的壓降增大，由于基極電位 Ub固定，加到 發(fā)射結(jié)上的電壓減小，Ibq減小，從而使Icq減小，通過(guò)這樣的自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程使 Icq恒定，即實(shí) 現(xiàn)了穩(wěn)定直流工作點(diǎn)的作用。如果Ri、R2取得過(guò)大，則|1減小，不能滿足 Ri、R2支路中的電流Ibq的條件，使 得Vbq在溫度變化時(shí)無(wú)法保持不變，無(wú)法起到穩(wěn)定直流工作點(diǎn)的作用。3、電壓增益：(I) 對(duì)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(shí)，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)

9、缺點(diǎn)，總結(jié)出最佳實(shí)現(xiàn)方案。答: Au 出 (Rc/Rl) (RC/RL)口 Uirbe一 26mv、rb (I )| CQ提高增益的方法有：1) 增大集電極電阻 Rc和負(fù)載R。缺點(diǎn)：R太大，受Vcc的限制，會(huì)使電路不能正常 工作。2) Q點(diǎn)適當(dāng)選高，即增大Icq。缺點(diǎn)：電路耗電大、噪聲大。3) 選用多級(jí)放大電路級(jí)聯(lián)形式來(lái)獲取足夠大的電壓增益。缺點(diǎn)：電路較復(fù)雜，輸 出信號(hào)易產(chǎn)生自激，需采取措施消除。(II) 實(shí)驗(yàn)中測(cè)量電壓增益的時(shí)候用到交流毫伏表，試問(wèn)能否用萬(wàn)用表或示波器，為什 么？答:在頻率低于I00KHZ時(shí)萬(wàn)用表的交流檔和交流毫伏表都可以比較精確地測(cè)量交流 電壓，當(dāng)頻率大于100KHZ小于1

10、MHZ時(shí)，萬(wàn)用表的測(cè)量精度下降，只能采用交流毫伏表測(cè)量，對(duì)于更高頻率的信號(hào)，必須選擇高頻毫伏表測(cè)量。而示波器測(cè)量的電壓 精度一般比毫伏表低一個(gè)數(shù)量級(jí)，無(wú)法在需要精確測(cè)量電壓值時(shí)的時(shí)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(hào)源功率的大小，設(shè)信號(hào)源內(nèi)阻為Rs，試畫出圖3-1中放大電路的輸入等效電路圖，通過(guò)連線回答下面的問(wèn)題，并 做簡(jiǎn)單解釋：Ri = Rs .放大器從信號(hào)源獲取較大電壓Ri << FS一卜放大器從信號(hào)源吸取較大電流Ri >>放大器從信號(hào)源獲取最大功率答：等效電路圖如下所示:2Us 2Pi Ii Ri() FRi Rs、Us

11、2寺2s 2Rs RiRi對(duì)Pi關(guān)于Ri求導(dǎo)，當(dāng)RUsIiUs ，當(dāng) RiRi RsUiUsRi ,當(dāng) RiRi Rsb =Rs時(shí)，Pi =0,所以 放大器從信號(hào)源獲取最大功率。Rs時(shí)，放大器從信號(hào)獲取較大電流。Rs時(shí)，放大器從信號(hào)源獲取較大電壓。(II) 圖3-3是實(shí)際工程中測(cè)量放大器輸入阻抗的原理圖，試根據(jù)該圖簡(jiǎn)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(cè)量原理圖答：若Rs取得過(guò)大，不滿足當(dāng) RiRs條件，Ui較小，則放大器從信號(hào)源獲取較小電壓。電壓表測(cè)量小信號(hào)的時(shí)候由于噪聲干擾等原因測(cè)量精度下降，測(cè)量誤差增加。若 Rs取得過(guò)小，又不滿足 RiRs條件，則放

12、大器從信號(hào)源獲得較小電流，Ui的值將會(huì)變得很大，會(huì)引起較大的誤差。(III) 對(duì)于小信號(hào)放大器來(lái)說(shuō)一般希望輸入阻抗足夠高，根據(jù)您所學(xué)的理論知識(shí)，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：Ri rbe/Ri/R2 300 (126mV)；Icq適當(dāng)增大 Ri, R2的電阻值，保證滿足R1，R2支路中11Ibq的條件，或者 使用電流放大系數(shù)(B )大的三極管，也可以在輸出信號(hào)不失真的情況下降低靜態(tài)工作點(diǎn)。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(guò)連線回

13、答下面的問(wèn)題，并做簡(jiǎn)單解釋。Ro = Rl. 負(fù)載從放大器獲取較大電壓Ro << FL. 負(fù)載從放大器吸取較大電流Ro >> FL負(fù)載從放大器獲取最大功率答:分析如下:2 22 R0I 0 2R0 I0PlIl Rl() Rl2RoRlRo2RoRlRl當(dāng)Ro Rl時(shí),RoI 0IlRo Rl.RoIoRlUlRo Rl負(fù)載從放大器獲得最大功率。，當(dāng)RoRl，負(fù)載從放大器獲得較大電流。FL iRo，當(dāng)RoRl ,負(fù)載從放大器獲得較大電壓。史1Rl(II)圖3-4是實(shí)際工程中測(cè)量放大器輸出阻抗的原理圖，試根據(jù)該圖簡(jiǎn)單分析為什么電 阻Rl的取值不能太大也不能太小。們號(hào)圖3-

14、4放大器輸出阻抗測(cè)量原理圖答：若RL取值過(guò)大，電流源的電流只有一小部分流經(jīng)RL,輸出電流過(guò)小。但若RL過(guò)小，則通過(guò) RL的電流即通過(guò)集電極端的電流過(guò)大，將會(huì)損壞三極管。(III) 對(duì)于小信號(hào)電壓放大器來(lái)說(shuō)一般希望輸出阻抗足夠小，根據(jù)您所學(xué)的理論知識(shí)， 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：Ro rce/Rc Rc,由于rce太大，減小對(duì)放大電路的輸出阻抗的 減小沒(méi)有多少影響，因此主要是減小RC的阻值。6、計(jì)算圖3-1中各元件參數(shù)的理論值，其中已知：Vcc=12V, Ui=5mV, FL=3KQ, Rs=50 Q, T 為 9013指標(biāo)要求：Au>50, R

15、>1 KQ, Ro<3KQ, fL<100Hz, fH>100kHz (建議 Ic取 2mA)用Multisim軟件對(duì)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：本實(shí)驗(yàn)所用的三極管9013是硅管，(3=1451）對(duì)于上圖中的偏置電路，只有R2支路中的電流|1|bq時(shí)，才能保證 Vbq恒定實(shí)現(xiàn)2)|CQ自動(dòng)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Vbq Vbe，取 |c=2MAIi= 25I bq， Vbq =3v3)R2Ri4)AuReVbqVBq|1Vcc25|bqVbq145 3 <8.7K，取 R210K；25 2(12 3) 10VbqUo(

16、Rc/Rl)Ui30K(Rc/Rl)145 (3/3) 103rbe(126mv)|CQ“98.950300 (1 145)FRi rbe300 (1R0 r 0 / / RcRc, Rc26mv)| CQ3K30026(1 % 22K 1K符合指標(biāo)要求。Vbqre| CQ其他參數(shù)：Vbq VbeqICQ3 0.71.15K2RW 100K,R110K,C1,C247u,CE 100u7、對(duì)于小信號(hào)放大器來(lái)說(shuō)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(shí)，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

17、響：C1，減小電源內(nèi)阻，為降低下限頻率，可以增大耦合電容2 （R/R2/%） RsC1等。fHX-，其中C' Cbe C'，R 咲/臥，（RJ/R/Rs），為增加上限截止頻2 RC率，可以選取rbb，、Cbc小的三極管。& 負(fù)反饋對(duì)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(duì)放大器性能的影響（1）調(diào)整Rw,使靜態(tài)集電極電流lcQ=2mA,測(cè)量靜態(tài)時(shí)晶體管

18、集電極一發(fā)射極之間電壓UCeq。記入表3-1中。（2）在放大器輸入端輸入頻率為f=1kHz的正弦信號(hào)，調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出電壓Us使Ui=5mV ,測(cè)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)。 重新調(diào)整Rw,使Icq分別為1.5mA和2.5mA,重復(fù)上述測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果記入表 3-1中。 （4）根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算放大器的Au、Ri、Ro。表3- 1靜態(tài)工作點(diǎn)變化對(duì)放大器性能的影響靜態(tài)工作點(diǎn)電流lcc（mA）21.5測(cè)量值測(cè)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|4.80

19、7.53.6%Ueq(V)2.001.50|2.511.500輸入信號(hào)Ui=5mVUS(mV)5.205.20Uo(V)0.450.780.5834.5%Uo' IV0.230.340.3912.8%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/k Q2.941.852.2116.3%Ro/k Q2.873.88322.6%實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：從表中數(shù)據(jù)誤差可看出，有幾項(xiàng)的數(shù)據(jù)誤差是比

20、較大的，達(dá)到了20%+一方面是測(cè)量誤差所致，另一方面，則是設(shè)計(jì)的靜態(tài)工作點(diǎn)ICQ=1.5mA 不合適所致，1.5mA 是直流負(fù)載線的中點(diǎn)，而非交流負(fù)載線的中點(diǎn)，因此測(cè)量誤差較大。2、觀察不同靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)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(cè)量值記錄表3-2中。（2）改變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(cè)量值記錄表3-2中。表3-2不同靜態(tài)工作點(diǎn)對(duì)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(cè)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.

21、81Ueq(V)01.20mv3.033.13計(jì)算 值lcc(mA)00.0013.043.13Ubeq0.05mv0.670.670.07Uceq11.410.560.320.68Ri240k16.8k2.24k2.75k4止亠J 4JL4U 丄丄丄丄亠Iurfi / GGrnV M 500ju$圖2完全截止失真輸入輸出波形（實(shí)驗(yàn)提示：此時(shí)可以加大輸入信號(hào)幅度）圖3飽和失真輸入輸出波形:140實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：做完全截止時(shí) R1要斷開，由于 Vcc對(duì)基極不再有驅(qū)動(dòng)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，

22、并且要加大 R1的值，否則基極就會(huì)產(chǎn)生過(guò)飽和電流，這樣即使輸入電流在其上疊加（反向減?。┲?，仍不能將其從過(guò)飽和區(qū)中拉出。3、測(cè)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(cè)量此時(shí)靜態(tài)集電極電流Icq和輸出電壓的峰峰值 Uop-f。帶負(fù)載時(shí)測(cè)量Icq= 2.11mA，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(shuō)明在波形失真的臨界點(diǎn)，波形還沒(méi)有變形，但放大 倍數(shù)已經(jīng)有了很明顯的下降。3、測(cè)量放大器幅頻特性曲線調(diào)整

23、Icq=x（設(shè)計(jì)值），保持Ui=5mV不變，改變信號(hào)頻率，用逐點(diǎn)法測(cè)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，記錄下限頻率匸、上限頻率 伯，計(jì)算帶寬BW。這里我設(shè)計(jì)的ICQ=1.5mA，測(cè)量的數(shù)據(jù)如下表：表3-3放大電路的幅頻特性f/kHz0.10.150.200.55100300400450500700Uo/V0.260.350.390.500.560.550.430.390.370.310.24Au120 120畑100 ilO 7060 524020 Ji19-J-2401 86 7B沁* 48系歹丄LOG(f)圖4幅頻特性圖下限頻率fL =400HZ上限頻率 怕=190

24、KZ帶寬BW =189.4KHZ實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：下線截止頻率超過(guò) 100HZ,并且與計(jì)算值得誤差較大，個(gè)人覺(jué)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(cè)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(cè)量?jī)烧唛g的 相位差；答：Vi 超前 Vo Q = ?t/T 23600 =2.77 / 5.05*360 =197.5f=fL時(shí)的輸入輸出波形圖：180。這實(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 也說(shuō)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