实验三三极管放大电路设计吴健雄学院.doc

实验三三极管放大电路设计一、实验目的1. 掌握单级放大电路的设计、工程估算、安装和调试；2. 了解三极管、场效应管各项根本器件参数、工作点、偏置电路、输入阻抗、输出阻抗、增益、幅频特性等的根本概念以及测量方法；3. 了解负反响对放大电路特性的影响。4. 掌握多级放大电路的设计、工程估算、安装和调试；5. 掌握根本的模拟电路的故障检查和排除方法，深化示波器、稳压电源 、交流毫伏表、函数发生器的使用技能训练。二、预习思考：1. 器件资料：上网查询本实验所用的三极管9013的数据手册，画出三极管封装示意图，标出每个管脚的名称，将相关参数值填入下表：封装示意图：参数符号参数值参数意义及设计时应该如何考虑VCBOMin 45V 集电极-基极击穿电压VCEO Min 25V 集电极-发射极击穿电压VEBO Min 5V 发射极-基极击穿电压ICM 500mAhFE下降一半时的集电极电流称作ICMhFE 64-300 直流电压增益VCE(sat) MA* 0.6V 集电极-发射极饱和压降VBE MA* 1.4V 基极-发射极正向电压fT Min 150MHZ 特征频率2. 偏置电路：图3-3中偏置电路的名称是什么.简单解释是如何自动调节晶体管的电流IC以实现稳定直流工作点的作用的，如果R1、R2取得过大能否再起到稳定直流工作点的作用，为什么.答：该偏置电路是分压偏置电路在该电路中R1，R2对电源电压进展了分压，这就保证了基极电压稳定为：。这样就为电路提供了稳定的工作点。具体来说，就是当环境温度升高时，ICQ增加，电阻RE上的压降加大，由于UB的固定，所以加到发射结上的电压减小，IBQ减小，从而使ICQ减小，通过这样的自动调节就稳定了静态工作点。如果R1，R2取值过大，就会导致流入基极的电流不可忽略，工作点不稳定。3. 电压增益：(I) 对于一个低频电压放大器，一般希望电压增益足够大，根据您所学的理论知识，分析有哪些方法可以提高电压增益，分析这些方法各自优缺点，总结出最正确实现方案。答： 在根本组态放大电路中，共发射极放大电路电压增益高但是高频特性查；共基极放大电路电压增益高、高频特性好但是输入阻抗低、共集电极放大电路输出阻抗低，高频特性好但是电压增益接近1。所以最好的方法就是使用组合放大电路。具体怎样组合，还是要以具体要求而定。 为了提高增益，需要调节参数，以共发射极电路为例： 共发射极组态电路的增益为： 所以可以通过增大RC与RL的方法来增加电路的增益。(II) 实验中测量电压增益的时候用到交流毫伏表，试问能否用万用表或示波器，为什么.答：不可以。本实验中的电压信号都非常小，大都在5MV左右，在实际实验中会发现这样小的信号在示波器中很难显示出来。而对于万用表来说，测量的误差也是非常大。所以用交流毫伏表是最好的选择。4. 输入阻抗：1) 放大器的输入电阻Ri反映了放大器本身消耗输人信号源功率的大小，设信号源内阻为RS，试画出图3-3中放大电路的输入等效电路图，通过连线答复下面的问题，并做简单解释：Ri= RS放大器从信号源获取较大电压Ri<< RS放大器从信号源吸取较大电流Ri>> RS放大器从信号源获取最大功率答：当Ri= RS，由于，由电路知识可知两电阻相等时可以获得最大的功率当Ri<< RS，输入阻抗很小，此时电流较大。当Ri>> RS，输入阻抗较大，此时分得电压较大。输入等效电路图如下：2) 图3-1是实际工程中测量放大器输入阻抗的原理图，试根据该图简单分析为什么串接电阻RS的取值不能太大也不能太小。 图3-1 放大器输入阻抗测量原理图 答：假设Rs太小，则UsUi，假设Rs太大，则Ui会很小。所以为了保证器件的直流工作点，保证器件正常工作，所以Rs不能太大也不能太小。3) 对于小信号放大器来说一般希望输入阻抗足够高，根据您所学的理论知识，分析有哪些方法可以提高图3-3中放大电路的输入阻抗。答： 对于不同组态的放大电路提高输入阻抗的方法各有不同对于3-3图中的共发射极放大电路来说，输入阻抗的表达式为： 由于rbe是改变不了的，所以可以适当提高R1与R2的阻值。 另外，参加电压跟随器也是不错的选择。5. 输出阻抗：1) 放大器输出电阻RO的大小反映了它带负载的能力，试分析图3-3中放大电路的输出阻抗受那些参数的影响，设负载为RL，画出输出等效电路图，通过连线答复下面的问题，并做简单解释。RO= RL负载从放大器获取较大电压RO<< RL负载从放大器吸取较大电流RO>> RL负载从放大器获取最大功率答：RO= RL，由于，由电路知识可知两电阻相等时可以获得最大的功率。RO<< RL，输出阻抗很小，此时电流较大。RO>> RL，输出阻抗较大，此时分得电压较大。 输出等效电路图与第四题中的等效电路图是类似。2) 图3-2是实际工程中测量放大器输出阻抗的原理图，试根据该图简单分析为什么电阻RL的取值不能太大也不能太小。图3-2 放大器输出阻抗测量原理图答： 所以要保证输出电流与输出电压都不能太小，所以负载电阻不能太大也不能太小。3) 对于小信号电压放大器来说一般希望输出阻抗足够小，根据您所学的理论知识，分析有哪些方法可以减小图3-3中放大电路的输出阻抗。答： 3-3中的放大电路是共发射极放大电路。其输出电阻是RC。所以要减小电路的输出阻抗，减小RC即可。6. 计算图3-3中各元件参数的理论值，其中：VCC=12V，Ui=5mV，RL=3K，RS=1K， T为9013指标要求：Au>50，Ri>1 K，RO<3K，fL<100Hz，fH>100kHz建议IC取2mA用Multisim软件对电路进展仿真实验，仿真结果填写在预习报告中。注：在教师给的题目中Rs取50，而这里Rs是1k，所以不明白应当取哪一个值，于是在仿真与实验中取的是501) 仿真原理图2) 参数选择计算，又， 其中IE取2mA，所以rbe约为1.5K，这样只要RB>1k，则就可以满足Ri>1k R0=RC,所以要符合RO<3，所以RC取3k 在此实验中，电容应当取得大一些，这样才能够使得下限频率低一些，所以选用了47F，旁路电容取100F。3) 仿真结果其中CH1为输入，CH2为输出。计算可得增益约为122，符合要求。通过波特仪观察幅频曲线：下限频率为94.5HZ上限频率为23.8MHZ所以上下限频率均符合题目要求。7. 对于小信号放大器来说一般希望上限频率足够大，下限频率足够小，根据您所学的理论知识，分析有哪些方法可以增加图3-3中放大电路的上限频率，那些方法可以降低其下限频率。 答 ：首先考虑上限频率。对于上限频率来说，计算公式为： 其中CM为密勒电容。所以为了增大上限截止频率，可以同比例地增大R1与R2. 对于下限频率，有， 所以为了减小下限频率，可以适当增大C1、C2、CE。8. 负反响对放大器性能的影响答：主要有以下几点：1. 负反响可以提高电路的稳定性。2. 负反响会减小电路的放大倍数。3. 负反响可以扩展通频带。4. 负反响可以减小非线性失真放大电路引起的。9. 设计一个由根本放大器级联而成的多级放大器，：VCC=12V，Ui=5mV，RL=1K，T为9013要求满足以下指标：| Au|>100，Ri>1 K，RO<1001) 仿真原理图2) 参数选择计算首先，所以Ri取了1M注：这里也出现了题目要求与报告里要求的矛盾，题目中Ri的要求是大于1M，所以在这里也取Ri大于1M其次对于增益来说主要由中间的共发射极放大电路来控制共发射极放大电路的增益为：题目中要求增益大于100倍，由此确定了图中的电阻取值。此组合放大电路的输出电阻表达式为：，要求输出电阻小于100，由此也确定了最后一级，即共集电极放大电路的参数，如图中所示。对于电容来说，都按照取大的理念来确定的。3) 仿真结果其中CH1为输入，CH2为输出，由得到的数据计算得增益约为115.3倍，符合题目要求。三、实验内容1. 根本要求：图3-3 射极偏置电路1) 研究静态工作点变化对放大器性能的影响(1) 调整RW，使静态集电极电流ICQ=2mA，测量静态时晶体管集电极发射极之间电压UCEQ。记入表3-3中。(2) 在放大器输入端输入频率为f=1kHz的正弦信号，调节信号源输出电压US使Ui=5mV，测量并记录US、UO和UO负载开路时的输出电压的值并填于表3-1中。注意：用双踪示波器监视UO及Ui的波形时，必须确保在UO根本不失真时读数。(3) 根据测量结果计算放大器的Au、Ri、Ro。表3-1 静态工作点变化对放大器性能的影响静态工作点电流ICQ(mA)12测量值测量值理论值误差输入端接地UBQ(V)1.72.662.701.5%UCQ(V)8.426.126.002%UEQ(V)1.0842.032.001.5%输入信号Ui=5mVUS(mV)5.15.185.21.6%UO(V)0.2750.5200.5023.6%UO (V)0.5401.010.9841.73%计算值UBEQ0.6160.630.710%UCEQ7.3384.094.002.25%Au55104100.43.98%Ri/k2.51.391.2511.2%RO/k2.892.762.884.2%实验结果分析：由实验数据可以看出，绝大多数的数据的误差都在1%左右，说明实验结果是符合要求的，但是也有个别数据误差相对较大，比方输出电压、增益以及输入电阻，其中输入电阻的误差最大，到达了百分之十左右。对于输出阻抗的异常的分析，主要是：本实验中采用的RS只有50，而输入电阻式上千，由输入阻抗的计算式：可知由于RS很小，所以US与Ui的差量很小，所以US一旦有一点点误差，都会对RI的测量造成巨大的误差，所以Ri的测量值会有这么大的误差。 对于其他的数据误差，原因主要有：1. 小信号下的测量容易产生误差。2. 工作点不准确，造成了与理论值之间的误差3. 值等与三极管特性有关的值的误差。2) 观察不同静态工作点对输出波形的影响(1) 改变RW的阻值，使输出电压波形出现截止失真，绘出失真波形，并将测量值记录表3-2中。(2) 改变RW的阻值，使输出电压波形出现饱和失真，绘出失真波形，并将测量值记录表3-2中。表3-2 不同静态工作点对输出波形的影响完全截止截止失真饱和失真完全饱和RW变化对失真的影响测量值UBQ(V)0.5491.8393.63.686RW增加时容易出现截止失真；RW减小时容易出现饱和失真。UCQ(V)11.889.683.303.145UEQ(V)0.0371.2382.973.039波形见以下图见以下图见以下图见以下图计算值ICQ(mA)约为00.772.93UBEQ0.5120.6010.6030.647UCEQ11.8438.3420.330.106R1417k110.5k46.7k45.1k饱和失真图像：完全饱和失真图像：输入截止失真图像：输出完全截止失真图像：输入输出实验提示：测量截止失真波形时可以加大输入信号幅度实验结果分析：对于饱和失真与截止失真的原理，可以由以下图进展很好的概括： 分析实验中所得的数据可以看出，当静态工作点升高时，出现了饱和失真；当静态工作点降低时，出现了截止失真。这里对工作点的调节是通过调节ICQ来完成的，而ICQ的调节是根据公式： 所以调节UB即可，即调节Rw即可。所以RW增加时容易出现截止失真；RW减小时容易出现饱和失真。 在调试完全截止失真时直接将RW换为400k的电阻。 从波形和数据来看，实验构造式符合实验预期与要求的。 从实验结果也可以看出，在放大电路中应中选择适中的工作点，防止失真。3测量放大器的最大不失真输出电压分别调节RW和US，用示波器观察输出电压UO波形，使输出波形为最大不失真正弦波。测量此时静态集电极电流ICQ和输出电压的峰峰值UOP-P。带负载时测量 ICQ=3.25mA ，UOP-P =2.68V输入输出实验结果分析：由实验数据可知当ICQ=3.25mA,时，可以得到最大不失真输出电压2.68V峰峰值，由波形图可以看出输出的波形是非常对称圆润没有失真的。如果再增大输入信号的电压，则就会同时出现饱和失真与截止失真。所以在选择静态工作点时，应当尽量选择在这个值附近，以保证可以输出较大的信号而不失真。4) 测量放大器幅频特性曲线（1） 使用扫频仪测出放大器的幅频特性曲线并记录曲线，读出下限频率fL、上限频率fH。2调整ICQ=2mA，保持Ui=5mV不变，完成以下内容，计入表3-3中：(I) 参考1中测得曲线，分别在低频区取fL、中频区任取和高频区取fH各取一点测量UO值，记录下限频率fL、上限频率fH，计算带宽BW。(II) 输入Ui=5mV，f=fL，用示波器双踪显示输入输出波形，记录波形，并测量两者间的相位差；(III) 输入Ui=5mV，f=fH，用示波器双踪显示输入输出波形，记录波形，并测量两者间的相位差。表3-3 放大电路的幅频特性f/kHzfL=0.038f=10fH=900UO/V0.170.5580.372Vi超前Vo = t/T 3600108.57114.5带宽BW =899.962KHZ实验结果分析：由数据表可看出，下限频率为38HZ，上限频率为900KHZ,下限频率是比较低的，上限频率也比较高，带宽较大，符合要求。f=fL时的输入输出波形图：输入输出实验结果分析：由于频率很小时，耦合电容无法忽略，所以测得的增益会下降，同时也会产生一定的相位差f=fH时的输入输出波形图：输出输入实验结果分析：当频率很大时，三极管的极间电容无法忽略，所以增益也会下降，相位差也会因此而改变。2提高要求1设计一个分别由共源CS、共射CE和共集CC构成的三级放大电路，要求满足以下指标：设共源、共射和共集的输出电压分别为UO1、UO2和UOAu>100，Ri>1M，RO<100。写出具体设计过程，计算电路参数以及Au、Ri和RO的理论值。设置适宜的静态工作点，在放大器输入端输入频率为f=1kHz的正弦信号，调节信号源输出电压US使Ui=5mV，用示波器双踪显示Ui、Uo的波形，在输出波形不失真的情况下，记录波形，测量US、UO和UO负载开路时输出电压并计入表3-4中。根据测量结果计算放大器的Au、Ri、Ro，与理论值比较。表3-4 多级放大器技术指标测量测量值理论值误差输入信号Ui=5mVUS(mV)5.065.040.39%UO1(mV) 5.87.421.6%UO2(V)0.6260.8828.7%UO(V)0.6240.8324.8%UO (V)0.6240.83825.5%计算值Au124.817628.9%Ri/k833116024.4%RO/k096.3100%（1） 设计过程首先，对于多级放大电路来说，耦合方式有组织容耦合、变压器耦合、直接耦合三种方式，其中阻容耦合有着保持各级静态工作点相互独立的优点，所以在设计中采用了这一方式。其次，题目中要求输入阻抗大于1M。此多级放大电路第一级是共源放大电路，其输入电阻为： 所以为了到达这个要求，直接讲RG接为1M欧。然后，要求输出电阻小于100欧。最后一级是共集电极放大电路，其输出电阻的计算式为： 其中rs应当为前一级，即共发射极放大电路的输出电阻。由此凑出了96.3欧的输出电阻。 然后，就是增益了。题目中要求增益大于100，而共集电极放大电路的增益几乎为1，共源放大电路的增益也不大，所以主要靠共发射极放大电路来提高增益。对于共发射极放大电路，增益的表达式为： 其中 由此凑出了176的增益。 这样，就完成了电路的设计。但是，在实际调试过程中，遇到了波形失真，增益不够等等各种各样的问题，所以会实时地调整电路的参数，让电路符合题目要求。所以，实际使用的电路与设计好的电路是有一些不同的，这也是实际值与理论值有一定差距的原因之一。2双踪显示输入输出波形图：输出输入3实验结果分析：可以说，从实验的数据来看，是非常不尽如人意的。单单看放大器的输出，无论是从增益来说还是从波形来说还是从输入、输出电阻来说都是比较出色的，都是很好的到达了题目的要求的，但是坏就坏在与理论值的误差上。这里的误差其实是有原因可循的，分析主要有以下几点：1. 第一点也是最主要的一点就是实际电路与设计电路的不同。由于在实际调试过程中设计的电路无论是增益还是波形都打不到要求，而且极其不稳定。所以就直接在实际搭接的电路上进展调试。到了最终验收时，整个电路已经有了不小的改动。但是，验收完毕后就立即撤除了电路，而忘记记录最终版本的电路参数，所以就造成了实际测量与理论值计算的电路不是一个电路，这很显然会使得实测数据与理论值数据之间的误差。对于这个失误，在此向教师抱歉，请求谅解。2. 由实验数据可以看出，误差主要来源于第一级放大，后面两级是比较准确的。第一级的放大没有能够到达理想的增益。对于电路本身，有误差也是在所难免的。比方静态工作点的不稳定，比方值的误差等等都会造成测量的误差。3. 由实验数据可以看出，误差主要来源于第一级放大，后面两级是比较准确的。第一级的放大没有能够到达理想的增益。4. 对于输出电阻测量的巨大误差，应当归结于仪器的精度。由于输出电阻相对于负载是非常小的，所以有负载与没负载的情况下输出电压的差值是非常小的。而测量时是用示波器进展测量的，示波器对于小信号的测量本身就存在一定的误差，这就造成了有负载与没负载的情况下输出电压的测量值是一样的，于是测得的输出电阻为0。4总结多级放大器的设计方法经过这次实验，总结了以下几点多级放大器的设计方法：1. 设计放大器时，首先要选择耦合的方式：阻容耦合可以使各级静态工作点相互独立；变压器耦合不仅可以使各级静态工作点相互独立，也能够使后级负载得到最大功率；直接耦合可以使电路简单。所以要根据具体的电路功能要求来选择耦合方式。2. 其次，是选择各种组态的放大电路。在根本组态放大电路中，共发射极放大电路电压增益高但是高频特性查；共基极放大电路电压增益高、高频特性好但是输入阻抗低、共集电极放大电路输出阻抗低，高频特性好但是电压增益接近1。所以在设计组合放大电路时，要根据具体的电路功能要求来组合不同组态的放大电路，发挥每一种电路的长处。2采用电压串联负反响电路，分析负反响对输入电阻、输出电阻及放大倍数的影响。无反响负反响输入信号Ui=5mVUS(mV)5.175.1UO1(mV) 5.8mv1.17UO2(V)0.6260.0225UO(V)0.6240.12UO (V)0.6240.12计算值Au124.824Ri/k294k500kRO/k00加上负反响后的电路图：输入输出加上负反响后双踪显示输入输出波形图分析：由数据表可以看出，加上串联负反响之后，输入电阻变大，输出电阻没变，电压增益变小。在理论上串联负反响能提高输入阻抗，电压负反响使输出阻抗降低，负反响能降低电路增益。可以看出，实际测量与理论上是吻合的输出阻抗没变是因为实测的输出阻抗都几乎为0，不能够再降低了。