東大模電實(shí)驗(yàn)_三極管放大電路設(shè)計(jì)

1、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： 模擬電子電路基礎(chǔ) 第 三 次實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)名稱： 三極管放大電路設(shè)計(jì) 院（系）： 專 業(yè)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 實(shí) 驗(yàn) 室: 105 實(shí)驗(yàn)組別： 同組人員： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 2015年05月04日 評(píng)定成績(jī)： 審閱教師： 實(shí)驗(yàn)三 三極管放大電路設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 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、場(chǎng)效應(yīng)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)放大電路特性的影響。4. 掌握多級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)、工程估算、安裝和調(diào)試；5. 掌握基本的模擬電路的故障檢查和

2、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。二、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(huà)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VCBO40V (額)集電極基極電壓。必須在此范圍內(nèi)工作否則將損壞三極管。VCEO30V (額)集電極發(fā)射極電壓。同上。VEBO5V (額)發(fā)射極基極電壓。同上。ICM500mA (額)集電極電流。同上。hFE96246直流增益。VCE(sat)0.25V集電極發(fā)射極飽和壓降。VBE1V基極發(fā)射極正向電壓。fT140MHz特征頻率。注：額表示A

3、bsolute maximum ratings，最大額定值。2. 偏置電路：圖3-3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R1、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： 圖3-1偏置電路名稱：分壓式偏置電路。 自動(dòng)調(diào)節(jié)晶體管電流Ic以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定直流工作點(diǎn)的作用的原理：當(dāng)溫度升高，會(huì)引起靜態(tài)電流ICQ(IEQ)的增加，此時(shí)發(fā)射極直流電位UEQ=IEQ*RE也會(huì)增加，而由于基極電位UBQ基本固定不變，因此外加在BJT發(fā)射結(jié)上的電壓UBEQ=UBQ-UEQ將減小，迫使IEQ減小，進(jìn)而抑制了ICQ的增加，使ICQ基本維持不變，達(dá)到

4、自動(dòng)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的目的。同理，當(dāng)溫度降低時(shí)，ICQ減小，UEQ同時(shí)減小，而UBEQ則上升促使IEQ增大，抑制了ICQ 的減小，進(jìn)而保證了Q點(diǎn)的穩(wěn)定。 若R1、R2取得過(guò)大，則不能再起到穩(wěn)定工作點(diǎn)的作用。這是因?yàn)樵诖饲闆r下，流入基極的電流不可再忽略，UB不穩(wěn)定導(dǎo)致直流工作點(diǎn)不穩(wěn)定。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)缺點(diǎn)，總結(jié)出最佳實(shí)現(xiàn)方案。答：提高電壓增益的方法：從增益的公式來(lái)看，可以通過(guò)提高值與Rc、減小rbe值來(lái)提高增益，但各有其弊端。提高雖可行但選擇范圍有限，改變Rc、rbe會(huì)影

5、響到靜態(tài)工作點(diǎn)。還可以在電路中引入正反饋，可這種方法會(huì)影響電路工作的穩(wěn)定性，因而不常用。此外，還可以通過(guò)多級(jí)放大電路實(shí)現(xiàn)，這種方法往往增益大、輸入電阻大、輸出電阻小，在工程中廣為應(yīng)用。(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：不能，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中所測(cè)信號(hào)幅度很小，用示波器測(cè)量將把噪聲計(jì)入幅值，萬(wàn)用表測(cè)量的靈敏度低。4. 輸入阻抗：1) 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(huà)出圖3-3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 RS放大器

6、從信號(hào)源獲取最大功率 答：放大電路輸入等效電路圖：簡(jiǎn)單解釋：放大器從信號(hào)源獲得的功率為P=I2*Ri，I=Us/(Rs+Ri)，兩式聯(lián)立，解得，當(dāng)Ri=Rs，放大器從信號(hào)源獲取最大功率，最大功率為Pmax=Us2/(4Rs)。也可直接看出，Ri越小，放大器從信號(hào)源獲取的電流越大。Ui=I*Ri，當(dāng)Ri越大，放大器從信號(hào)源獲取的電壓越大。2) 圖3-1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3-1 放大器輸入阻抗測(cè)量原理圖 答：由圖得，Ri=Ui*Rs/(Us-Ui)。若Rs太大，Ui太?。籖s過(guò)小，Us與Ui太接近，測(cè)量困難。3

7、) 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3-3中放大電路的輸入阻抗。答：在輸出不失真的情況下，降低電路的直流工作點(diǎn)；增大R1、R2并保證不影響UBE的穩(wěn)定。5. 輸出阻抗：1) 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3-3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(huà)出輸出等效電路圖，通過(guò)連線回答下面的問(wèn)題，并做簡(jiǎn)單解釋。 RO = RL負(fù)載從放大器獲取較大電壓 RO RL負(fù)載從放大器獲取最大功率答：輸出等效電路圖：簡(jiǎn)單解釋：負(fù)載從放大器獲取的電壓P=I2*RL，Uo=RL*Uo/(RL+Ro)。當(dāng)Ro=RL，負(fù)載從

8、放大器獲取最大功率。也可以直接看出，Ro越小，負(fù)載獲得的電壓越大，電流也越大。2) 圖3-2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。圖3-2 放大器輸出阻抗測(cè)量原理圖答：Ro=(Uo-Uo)*RL/Uo，若RL太小，Uo也太小，難以測(cè)量；RL太大，Uo與Uo相當(dāng)，Uo-Uo太小。3) 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3-3中放大電路的輸出阻抗。答：Ro=Rd，可以減小Rd但此法將影響靜態(tài)工作點(diǎn)；此外也可以引入負(fù)反饋的方法來(lái)減小輸出電阻。6. 計(jì)算圖3-3中各元件參數(shù)的理論值，

9、其中已知：VCC=12V，Ui=5mV，RL=3K，RS=1K， T為9013指標(biāo)要求：Au50，Ri1 K，RO3K，fL100kHz（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(xiě)在預(yù)習(xí)報(bào)告中。1) 仿真原理圖Multisim仿真電路圖：2) 參數(shù)選擇計(jì)算設(shè)UBEQ=0.7V，=100。其中ICQ最好取2mA。令UBQ=5.7V，UEQ=5V，又ICQ=2mAIEQ，RE=UEQ/ICQ=2.5k，取RE=2k+510。rbb=200，rbe1.5k。取Rc=2k。RL= Rc|RL=1.2 k。R1=14.7 k，R2=6.8k。Au=-(Rc|RL)/rbe=

10、8050Ri=R1|R2|rbe=1.134 k1 kRo=Rc=2k100，Ri1 K，RO1M，取RG3=2M。令UGQ=5V，則RG1=270k，RG2=200k。若IDQ=2mA，UGSQ=2.2V，USQ=2.8V，Rs1.4k，可取Rs=2k，相應(yīng)的可取RD=2k，仿真時(shí)為了保證合適的放大倍數(shù)這個(gè)值有所調(diào)整，只是計(jì)算大概參數(shù)范圍。此時(shí)gm2.24，Au2.8。第二級(jí)目的在于放大：UB2Q=2.5V，取RB1=20k，RB2=5.1k。IE2Q=0.5mA，RE=3.3k，Rc=6.8。第三級(jí)目的在于減小輸出電阻：UB3Q=8.6V，ICQ=2mA，圖中R63.65k取3.3k，負(fù)載

11、RA取4.7 k。關(guān)于電容的選擇，要使交流信號(hào)通過(guò)時(shí)電容相當(dāng)于短路，電容值要盡量大，本電路中所取電容為47F、100F。我的第一、二級(jí)電路間采用電容耦合，靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立；第二、三級(jí)電路則采用直接耦合，因?yàn)楸M管它們的靜態(tài)工作點(diǎn)相互影響，但參數(shù)值計(jì)算簡(jiǎn)單，而且直接耦合能夠減少元器件，方便搭電路與檢查錯(cuò)誤。3) 仿真結(jié)果其中Channel_A為輸出信號(hào)，Channel_B為輸入信號(hào)。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 基本要求：圖3-3 射極偏置電路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ICQ=2mA，測(cè)量靜態(tài)時(shí)晶體管集電極發(fā)射極之間電壓UCEQ。記入表3-3中。(2) 在放

12、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（負(fù)載開(kāi)路時(shí)的輸出電壓）的值并填于表3-1中。注意：用雙蹤示波器監(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)。(3) 根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算放大器的Au、Ri、Ro。相關(guān)波形圖：由圖可知：放大倍數(shù)約為97倍，符合要求。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ICQ(mA)12測(cè)量值測(cè)量值理論值誤差輸入端接地UBQ(V)2.8835.9285.82.2%UCQ(V)9.687.6884%UEQ(V)2.2695.2845.025.3%輸入信號(hào)Ui=5mVUS(mV)1

13、47.55.0747.9%UO(V)0.2230.360.38717%UO (V)0.3160.640.6450.78%計(jì)算值UBEQ0.6140.6440.7817.4%UCEQ7.4112.3962.9819.6%Au44.67277.427%Ri/k5.043.3843.462.2%RO/k1.9871.93941.9500.54%實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：測(cè)量靜態(tài)工作點(diǎn)時(shí)，輸入端接地，誤差并不大，在正常范圍內(nèi)。當(dāng)Ui=5mV時(shí)，Us的理論值與測(cè)量值即出現(xiàn)較大誤差，這是因?yàn)椋旧鞺i值太小，接線過(guò)程中不免產(chǎn)生噪聲與干擾，這個(gè)噪聲值使本來(lái)就比較小的電壓產(chǎn)生較大的偏差，此外信號(hào)在電路中的耦合也會(huì)有所損耗

14、，所以Us的誤差較大也是可以理解的。而由于本電路中并沒(méi)有負(fù)反饋，電路對(duì)噪聲、溫漂等抗干擾能力弱，導(dǎo)致UBEQ 與UCEQ產(chǎn)生較大誤差。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變化對(duì)失真的影響測(cè)量值UBQ(V)1.2791.4275.9926.33Rw增大易出現(xiàn)截止失真，Rw減小易出現(xiàn)飽和失真；Rw越大（?。刂梗柡停┦д嬖絽柡?。UCQ

15、(V)9.769.595.9316.18UEQ(V)0.6940.8386.595.68波形如下如下如下如下計(jì)算值ICQ(mA)1.121.2053.03452.91/UBEQ(V)0.5850.589-0.5980.65/UCEQ(V)9.0868.752-0.6590.5/R157k50.38k6.82k6.09k /相關(guān)波形圖如下： 完全截止 截止失真 飽和失真 完全飽和（實(shí)驗(yàn)提示：測(cè)量截止失真波形時(shí)可以加大輸入信號(hào)幅度）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：在以上失真波形中只調(diào)節(jié)了Rw的值，輸入信號(hào)幅度沒(méi)改變。通過(guò)調(diào)節(jié)Rw的值使得靜態(tài)工作點(diǎn)改變，Rw越小靜態(tài)工作點(diǎn)越高，反映在輸出波形上，波形越容易出現(xiàn)底部失真

16、，即飽和失真；反之，Rw越大靜態(tài)工作點(diǎn)越低，越容易出現(xiàn)截止失真。在計(jì)算時(shí)，設(shè)R1=14.7k，實(shí)際調(diào)節(jié)時(shí)，可保留R1=4.7k，串入電位器；此外，必要的話，將4.7k去掉直接用電位器代替。和之前的相聯(lián)系，要求在輸出信號(hào)基本不失真時(shí)讀數(shù)就是為了保證電路的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置合理。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-P。帶負(fù)載時(shí)測(cè)量 ICQ= 2mA ，UOP-P = 1.88V 此時(shí)輸入信號(hào)有效值為Uirms = 35mV實(shí)驗(yàn)圖如下：實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：波形產(chǎn)生失真的原因可能有

17、多種，可能是由于工作點(diǎn)設(shè)置不合理過(guò)高或過(guò)低，而產(chǎn)生飽和失真或截止失真，如前一內(nèi)容所測(cè)波形。在靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置合理的情況下，如果輸入信號(hào)幅度過(guò)大仍然會(huì)導(dǎo)致波形失真，本內(nèi)容即在這種情況下測(cè)定最大不失真輸出電壓。4) 測(cè)量放大器幅頻特性曲線 （1）使用掃頻儀測(cè)出放大器的幅頻特性曲線并記錄曲線，讀出下限頻率fL、上限頻率fH。（2）調(diào)整ICQ=2mA，保持Ui=5mV不變，完成以下內(nèi)容，計(jì)入表3-3中：(I) 參考（1）中測(cè)得曲線，分別在低頻區(qū)（取fL）、中頻區(qū)（任?。┖透哳l區(qū)（取fH）各取一點(diǎn)測(cè)量UO值，記錄下限頻率fL、上限頻率fH，計(jì)算帶寬BW。(II) 輸入U(xiǎn)i=5mV，f=fL，用示波器雙蹤顯

18、示輸入輸出波形，記錄波形，并測(cè)量?jī)烧唛g的相位差；(III) 輸入U(xiǎn)i=5mV，f=fH，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。表3-3 放大電路的幅頻特性f/kHzfL=53.0Hzf=3.8kHzfH=132kHzUO/V0.240.3650.413Vi超前Vo = t/T 3600108.87190.08帶寬BW = 132kHz 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：與仿真結(jié)果相比，下限頻率有所減小，而上限頻率卻大大降低，不排除在掃頻儀上下限頻率讀的不準(zhǔn)的情況，測(cè)出上限頻率=132kHz卻讓人難以理解，觀察數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在此頻率下輸出信號(hào)幅度并沒(méi)有衰減，可以判斷此時(shí)并非在上限頻率附近，即上限頻率測(cè)定值錯(cuò)誤。（可是為什么掃頻儀顯示的是132kHz？）理論上Vi相位應(yīng)超前Vo相位180，實(shí)際上在上限