单级放大电路设计模电实验

1、LimsEERB电子实验报告东南大学电工电子实验中心实验报告课程名称：电子电路基础第三次实验实验名称：单级电压放大电路设计院（系）:吴健雄专业：电类姓名：学号：实验室：实验组别：同组人员：实验时间：2011年5月5日评定成绩：审阅教师：、基本信息 实验时数： 时间要求： 教 材: 实验检查：实验三 单级电压放大电路设计6学时第1011周完成，第11周内交实验报告 电子线路实践 Page 16带班教师检查二、学习目标：1、掌握单级放大电路的设计、工程估算、安装和调试；2、了解三极管各项基本器件参数、工作点、偏置电路、输入阻抗、输出阻抗、增益、幅频 特性等的基本概念以及测量方法；3、了解负反馈对放

2、大电路特性的影响。4、 掌握基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。三、设计提示:YO“O*图3-1射级偏置电路1、对于图3-1中的偏置电路，只有R2支路中的电流|1>>|BQ时，才能保证 UBQ恒定实现自动稳定工作点的作用，所以工程中一般取：I1(510)Ibq (硅管)I1(1020)Ibq (锗管)。2、为了提高电路的稳定性，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 (锗管)。电路的静态工作点电流I CQU BQ U BE，由于是小信号

3、放大，所以ReIcq 一般取0.52mA。Icq确定后通过以下公式可计算Ri和R2的值:R2u BQiTu BQu BQ510 Ibq510 IcqRiVccU BQVccU BQ R2U BQ交流电压放大倍数AuRlRl1 re3001Rl。_26mV。1 CQ交流输入阻抗R% / Rl / R2%rb (1)re 300 (126mV。ICQ交流输出阻抗Roro RcRc °8、3 102RSrbe C13 102RCRL C22 (Re/1Rsrbep 匹)CE幅频特性曲线、上限频率、下限频率、截止频率中心频率、带宽的测量方法:(a)单级放大器放大特性 通特性(b)低通特性带电

4、路频率特性的下限频率值主要受C1, C2和CE影响，其关系分别为:图3-2幅频特性示意图3-2列出了常见的幅频特性类型。(a)BW=fH-fL, (d)中的f0表示中心频率；(b)幅频特性反应了电路增益和频率之间的关系，图 和(d)中的fL表示下限频率，fH表示上限频率，带宽和(c)中的f0表示截止频率。在实验中可采用“逐点法”测量不同频率时的电压放大倍数 来测量幅频特性。测量时，保持输入信号幅度不变，改变输入信号频率，每改变一次信号频率，用交流毫伏表或示波器测量一个输出电压值，计算其增益，然后将测试数据列表、整理并在坐标纸上将其连接成曲线。由于函数发生器的输出信号幅度在不同频率时可能会有变化

5、，因此每改变一次频率都要用交流毫伏表或示波器测量输入信号的幅度，一定要保证输入 信号的幅度不改变。为了更快更准确的测量幅频特性，必须根据不同幅频特性类型，选择不同的测量技巧。 对于(a)可先测出中频区的输出电压值，然后调高或调低频率使输出电压降到中频电压值的 0.707倍，从而找到fL和fH,然后在fL和fH之间和左右找3至5个点进行测量，即可较准确 的绘制曲线。(b)和(c)也可参考这种方式来测量。对于(d)可从较低的频率值逐步增加频率，用交流毫伏表或示波器测量输出信号，刚开始输出信号幅度随着频率的增加而增加，当增加到某一个频率时，输出信号幅度随着频率的增加开始减小，则该频率为中心频率， 记

6、下该频率对应的幅度，然后调高或调低频率使输出电压降到中心频率电压的0.707倍，从而找到fL和fH。四、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：参数符号参数值参数意义及设计时应该如何考虑VCBO<40v发射极开路时，集电极 基极的之间的反向 击穿电压，是集电结所允许加的最高反向电压VCEO<30v基极开路时，集电极 发射极之间的反向击 穿电压，此时集电结承受反向电压Vebo<5v集电极开路时，发射极 基极之间的反向电压，是发射结所允许加的最高反向电压Ic<500mA最大集电极电

7、流，使B值明显减小的Ic为IcMIE< -500mA最大发射极电流，使B值明显减小的Ie为IehFE96246直流增益，共射直流电流系数"1 c/ IbVcE(sat)0.1(T)<0.25(MAX)V集电极发射极饱和电压Vbe0.8(T)<1(MAX)V基极发射极电压fT>140(MIN)MHZ晶体管频率，特征频率，使 B值下降到1的信号频率称为特征频率2、偏置电路：图3-1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Ri、R2取得过大能否再起到稳定直流工作点的作用，为什么？答：共发射集偏置电路。利用R R

8、i,2构成的分压器给三极管基极b提供电位 Ub,基极电位 Ub可近似求得为R2Ub*Vcc。R2 Ri当环境温度升高时，Icq增加，电阻 Re上的压降增大，由于基极电位 Ub固定，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过程使 Icq恒定，即实 现了稳定直流工作点的作用。如果Ri、R2取得过大，则|1减小，不能满足 Ri、R2支路中的电流Ibq的条件，使 得Vbq在温度变化时无法保持不变，无法起到稳定直流工作点的作用。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

9、缺点，总结出最佳实现方案。答: Au 出 (Rc/Rl) (RC/RL)口 Uirbe一 26mv、rb (I )| CQ提高增益的方法有：1) 增大集电极电阻 Rc和负载R。缺点：R太大，受Vcc的限制，会使电路不能正常 工作。2) Q点适当选高，即增大Icq。缺点：电路耗电大、噪声大。3) 选用多级放大电路级联形式来获取足够大的电压增益。缺点：电路较复杂，输 出信号易产生自激，需采取措施消除。(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:在频率低于I00KHZ时万用表的交流档和交流毫伏表都可以比较精确地测量交流 电压，当频率大于100KHZ小于1

10、MHZ时，万用表的测量精度下降，只能采用交流毫伏表测量，对于更高频率的信号，必须选择高频毫伏表测量。而示波器测量的电压 精度一般比毫伏表低一个数量级，无法在需要精确测量电压值时的时候使用。4、输入阻抗：(I) 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3-1中放大电路的输入等效电路图，通过连线回答下面的问题，并 做简单解释：Ri = Rs .放大器从信号源获取较大电压Ri << FS一卜放大器从信号源吸取较大电流Ri >>放大器从信号源获取最大功率答：等效电路图如下所示:2Us 2Pi Ii Ri() FRi Rs、Us

11、2寺2s 2Rs RiRi对Pi关于Ri求导，当RUsIiUs ，当 RiRi RsUiUsRi ,当 RiRi Rsb =Rs时，Pi =0,所以 放大器从信号源获取最大功率。Rs时，放大器从信号获取较大电流。Rs时，放大器从信号源获取较大电压。(II) 图3-3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3-3放大器输入阻抗测量原理图答：若Rs取得过大，不满足当 RiRs条件，Ui较小，则放大器从信号源获取较小电压。电压表测量小信号的时候由于噪声干扰等原因测量精度下降，测量误差增加。若 Rs取得过小，又不满足 RiRs条件，则放

12、大器从信号源获得较小电流，Ui的值将会变得很大，会引起较大的误差。(III) 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 3-1中放大电路的输入阻抗。答：交流输入阻抗：Ri rbe/Ri/R2 300 (126mV)；Icq适当增大 Ri, R2的电阻值，保证满足R1，R2支路中11Ibq的条件，或者 使用电流放大系数(B )大的三极管，也可以在输出信号不失真的情况下降低静态工作点。5、输出阻抗：(I)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3-1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，通过连线回

13、答下面的问题，并做简单解释。Ro = Rl. 负载从放大器获取较大电压Ro << FL. 负载从放大器吸取较大电流Ro >> FL负载从放大器获取最大功率答:分析如下:2 22 R0I 0 2R0 I0PlIl Rl() Rl2RoRlRo2RoRlRl当Ro Rl时,RoI 0IlRo Rl.RoIoRlUlRo Rl负载从放大器获得最大功率。，当RoRl，负载从放大器获得较大电流。FL iRo，当RoRl ,负载从放大器获得较大电压。史1Rl(II)图3-4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。们号图3-

14、4放大器输出阻抗测量原理图答：若RL取值过大，电流源的电流只有一小部分流经RL,输出电流过小。但若RL过小，则通过 RL的电流即通过集电极端的电流过大，将会损坏三极管。(III) 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3-1中放大电路的输出阻抗。答：交流输出阻抗：Ro rce/Rc Rc,由于rce太大，减小对放大电路的输出阻抗的 减小没有多少影响，因此主要是减小RC的阻值。6、计算图3-1中各元件参数的理论值，其中已知：Vcc=12V, Ui=5mV, FL=3KQ, Rs=50 Q, T 为 9013指标要求：Au>50, R

15、>1 KQ, Ro<3KQ, fL<100Hz, fH>100kHz (建议 Ic取 2mA)用Multisim软件对电路进行仿真实验，仿真结果填写在预习报告中。答：本实验所用的三极管9013是硅管，(3=1451）对于上图中的偏置电路，只有R2支路中的电流|1|bq时，才能保证 Vbq恒定实现2)|CQ自动稳定工作点的作用，因此为了满足功能工作点的需求，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符合指标要求。Vbqre| CQ其他参数：Vbq VbeqICQ3 0.71.15K2RW 100K,R110K,C1,C247u,CE 100u7、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 3-1中放大电路的上限频率， 那些方法可以降低其下 限频率。答：下限频率主要受 C1,C2和CE的影

17、响：C1，减小电源内阻，为降低下限频率，可以增大耦合电容2 （R/R2/%） RsC1等。fHX-，其中C' Cbe C'，R 咲/臥，（RJ/R/Rs），为增加上限截止频2 RC率，可以选取rbb，、Cbc小的三极管。& 负反馈对放大器性能的影响答：1使放大倍数降低，从而可以增大带宽;2提高放大的稳定性；3减少输出失真和噪声；4调节输入和输出阻抗， 其中并联负反馈降低输入阻抗，串联负反馈提高输入阻抗， 电压负反馈降低输出阻抗，电流负反馈提高输出阻抗。五、基本实验内容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lcQ=2mA,测量静态时晶体管

18、集电极一发射极之间电压UCeq。记入表3-1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表3-1中。注意：用双综示波器监视Uo及Ui的波形时，必须确保在Uo基本不失真时读数。 重新调整Rw,使Icq分别为1.5mA和2.5mA,重复上述测量，将测量结果记入表 3-1中。 （4）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lcc（mA）21.5测量值测量值理论值误差输入端接地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输入信号Ui=5mVUS(mV)5.205.20Uo(V)0.450.780.5834.5%Uo' IV0.230.340.3912.8%计算值Ubeq0.650.630.710%UCEQ4.125.7364.5%Au90 （不带 负载）46 （带负 载）156 （不带负载）68 （带负 载）-115.1 （不带负载）-77.5 （带负载）26.2% （不带负载）12.2% （带负载）Ri/k Q2.941.852.2116.3%Ro/k Q2.873.88322.6%实验结果分析：从表中数据误差可看出，有几项的数据误差是比

20、较大的，达到了20%+一方面是测量误差所致，另一方面，则是设计的静态工作点ICQ=1.5mA 不合适所致，1.5mA 是直流负载线的中点，而非交流负载线的中点，因此测量误差较大。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变大、小测量值Ubq(V)0.05mv678mv3.703.20截止时变大， 饱和时变小Ucq(V)11.410.563.353.

21、81Ueq(V)01.20mv3.033.13计算 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$图2完全截止失真输入输出波形（实验提示：此时可以加大输入信号幅度）图3饱和失真输入输出波形:140实验结果分析：做完全截止时 R1要断开，由于 Vcc对基极不再有驱动电流。由于发射 结正向导通时，有个阈值电压，输入电压要大于它，因此输入电压要加的比较大，三极管才能正常工作。做完全饱和时，R2要断开，

22、并且要加大 R1的值，否则基极就会产生过饱和电流，这样即使输入电流在其上叠加（反向减小）之后，仍不能将其从过饱和区中拉出。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-f。带负载时测量Icq= 2.11mA，Uop-p =3.35v实验结果分析：此次的输入电压为 50mA，那么放大倍数为3.36/0.05=67.2，而理论计算 的放大倍数约为100，误差接近30%，说明在波形失真的临界点，波形还没有变形，但放大 倍数已经有了很明显的下降。3、测量放大器幅频特性曲线调整

23、Icq=x（设计值），保持Ui=5mV不变，改变信号频率，用逐点法测量不同频率下的Uo值，计入表3-3中，并画出幅频特性曲线，记录下限频率匸、上限频率 伯，计算带宽BW。这里我设计的ICQ=1.5mA，测量的数据如下表：表3-3放大电路的幅频特性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)图4幅频特性图下限频率fL =400HZ上限频率 怕=190

24、KZ带宽BW =189.4KHZ实验结果分析：下线截止频率超过 100HZ,并且与计算值得误差较大，个人觉得这是所 给公式只取大于等于造成的，因为计算式只是最小值，而不是真实值。六、提高实验内容1、相位测量a）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；答：Vi 超前 Vo Q = ?t/T 23600 =2.77 / 5.05*360 =197.5f=fL时的输入输出波形图：180。这实验结果分析：从波形和计算结果都可以发现输出波形落后输入波形大概 也说明共射极放大电路是反相放大。b）输入Ui=5mV，f=fH，用示波器双踪显示输入输出波形，记