單級電壓放大電路設(shè)計

10/10單級電壓放大電路設(shè)計

東南大學(xué)電工電子實驗中心

實驗報告

課程名稱：電子電路實踐

第三次實驗

實驗三單級電壓放大電路設(shè)計

一、基本信息

實驗時數(shù)：6學(xué)時

時間要求：第10～11周完成，第11周內(nèi)交實驗報告

教材：《電子線路實踐》Page1～6

實驗檢查：帶班教師檢查

二、學(xué)習(xí)目標(biāo)：

1、掌握單級放大電路的設(shè)計、工程估算、安裝和調(diào)試；

2、了解三極管各項基本器件參數(shù)、工作點、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量方法；

3、了解負(fù)反饋對放大電路特性的影響。

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)計提示：

圖3-1射級偏置電路

1、對于圖3-1中的偏置電路，只有R2支路中的電流I1>>IBQ時，才能保證UBQ恒定實現(xiàn)自

動穩(wěn)定工作點的作用，所以工程中一般取：

1(5~10)

BQ

II

=（硅管）

1(10~20)

BQ

II

=（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=(5~10)UBE，即UBQ=(3～

5)V（硅管），UBQ=(1～3)V（鍺管）。3、電路的靜態(tài)工作點電流E

BE

BQCQRUUI-≈

，由于是小信號放大，所以ICQ一般取0.5~2mA。

4、ICQ確定后通過以下公式可計算R1和R2的值：

()()CQ

BQ

BQ

BQ

BQIUIUIUR1051051

2~~?=

=

=

β，()BQ

BQCC

BQ

CCURUV

IUVR21

1-=

-=

。

5、交流電壓放大倍數(shù)()()

CQ

L

e

bLbe

L

ImVRrrRrRAu2613001βββββ++?-

=++?-=?-

='

''

。6、交流輸入阻抗1226////(1)300(1)ibebebeCQ

mV

RrRRrrrIββ=≈=++=++。7、交流輸出阻抗//OoCCRrRR=≈。

8、電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：

()()121103CrRfbeSL?+?≥π~，()()2

21

103CRRfLCL?+?≥π~，

()

E

be

SELCrRRf?++?≥)//(~β

π121

31。

9、幅頻特性曲線、上限頻率、下限頻率、截止頻率中心頻率、帶寬的測量方法：

A

(a)單級放大器放大特性

(b)低通特性(c)高通特性

(d)帶

通特性

圖3-2幅頻特性示意圖

幅頻特性反應(yīng)了電路增益和頻率之間的關(guān)系，圖3-2列出了常見的幅頻特性類型。(a)和(d)中的fL表示下限頻率，fH表示上限頻率，帶寬BW=fH-fL，(d)中的f0表示中心頻率；(b)和(c)中的f0表示截止頻率。在實驗中可采用“逐點法”測量不同頻率時的電壓放大倍數(shù)Au來測量幅頻特性。測量時，保持輸入信號幅度不變，改變輸入信號頻率，每改變一次信號頻率，用交流毫伏表或示波器測量一個輸出電壓值，計算其增益，然后將測試數(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)生器的輸出信號幅度在不同頻率時可能會有變化，因此每改變一次頻率都要用交流毫伏表或示波器測量輸入信號的幅度，一定要保證輸入信號的幅度不改變。

為了更快更準(zhǔn)確的測量幅頻特性，必須根據(jù)不同幅頻特性類型，選擇不同的測量技巧。對于(a)可先測出中頻區(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個點進(jìn)行測量，即可較準(zhǔn)確的繪制曲線。(b)和(c)也可參考這種方式來測量。對于(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量輸出信號，剛開始輸出信號幅度隨著頻率的增加而增加，當(dāng)增加到某一個頻率時，輸出信號幅度隨著頻率的增加開始減小，則該頻率為中心頻率，記下該頻率對應(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)查詢本實驗所用的三極管9013的數(shù)據(jù)手冊，畫出三極管封裝示意圖，標(biāo)出每個管腳的名稱，將相關(guān)參數(shù)值填入下表：

封裝示意圖：

參數(shù)符號參數(shù)值參數(shù)意義及設(shè)計時應(yīng)該如何考慮

2、偏置電路：

圖3-1中偏置電路的名稱是什么？簡單解釋是如何自動調(diào)節(jié)晶體管的電流IC以實現(xiàn)穩(wěn)定直流工作點的作用的，如果R1、R2取得過大能否再起到穩(wěn)定直流工作點的作用，為什么？

答：

分壓偏置。

由于R1、R2起到分壓的作用，確保電路的靜態(tài)工作點，從而使得Ic，Ib穩(wěn)定。

如果R1、R2取值過大，導(dǎo)致R1，R2電路中電流小，從而會影響到流入基極的電流，不穩(wěn)定直流工作點。

3、電壓增益：

(I)對于一個低頻電壓放大器，一般希望電壓增益足夠大，根據(jù)您所學(xué)的理論知識，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，總結(jié)出最佳實現(xiàn)方案。

答：

一級放大器而言，共射和共基和放大倍數(shù)是相對較大的，但是缺陷是輸出阻抗較大。共集基本沒有放大作用，但是輸出阻抗遠(yuǎn)小于共射和共基，在希望有較大的電壓增益時一般不會采用。

對于共射的增益

//

clu

be

RRA

r

β

=-

由于β、

be

r是三極管本身參數(shù)而Rl是負(fù)載，都無法改變，因此可以通過適當(dāng)增大Rc的方法增大增益。

多級放大器級聯(lián)可以利用共射、共基和共集各自的輸入輸出特性，組成級聯(lián)放大電路，從而使得電路的特性達(dá)到最優(yōu)化，但是具體的電路參數(shù)要根據(jù)實際的要求來決定。

(II)實驗中測量電壓增益的時候用到交流毫伏表，試問能否用萬用表或示波器，為什么？

答：

不能。原因是實驗中所測的信號幅度都很小，而萬用表和示波器測量時本身的信號干擾等誤差是不可避免的，會導(dǎo)致信號有很大毛刺，想比較而言交流毫伏表測量的干擾就要小很多。

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源功率的大小，設(shè)信號源內(nèi)阻

為RS，試畫出圖3-1中放大電路的輸入等效電路圖，通過連線回答下面的問題，并

做簡單解釋：

Ri=RS放大器從信號源獲取較大電壓

Ri>RS放大器從信號源獲取最大功率

答：

Ri=RS放大器從信號源獲取最大功率

Ri>RS放大器從信號源獲取較大電壓

當(dāng)Ri=RS，由于P=[Us/(Ri+Rs)]2Ri，此時P最大。

當(dāng)Ri>RS，輸入阻抗較大，由U=Us/(Ri+Rs)*Ri，此時分得電壓較大。

(II)圖3-3是實際工程中測量放大器輸入阻抗的原理圖，試根據(jù)該圖簡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放大器輸入阻抗測量原理圖

答：

因為必須保證器件正常工作，所以放大器的輸入電壓電流等受到限制。

(III)對于小信號放大器來說一般希望輸入阻抗足夠高，根據(jù)您所學(xué)的理論知識，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：

由于分壓式共射放大電路的輸入阻抗Ri=R1//R2//rbe，其中rbe是三極管的本身屬性無法改變，因此要增大輸入阻抗，同時要保持靜態(tài)工作點不變，可以適當(dāng)?shù)耐壤龃驲1、R2。

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，通過連線回答下面的問題，并做簡單解釋。

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：

RO=RL，負(fù)載從放大器獲取最大功率。

RO>RL，負(fù)載從放大器獲取較大電壓。

原理與上面輸入阻抗部分是一致的，只是將輸出阻抗看成Rs，負(fù)載看成輸入。

(II)圖3-4是實際工程中測量放大器輸出阻抗的原理圖，試根據(jù)該圖簡單分析為什么電阻RL的取值不能太大也不能太小。

圖3-4放大器輸出阻抗測量原理圖

答：

()ooolIU'/RR=+，()oololUU'*R/RR=+。要保證這兩個值都不太小，就必須

保證Rl適中。若Rl過小則Uo會很小，若Rl過大則導(dǎo)致Io較小。

(III)對于小信號電壓放大器來說一般希望輸出阻抗足夠小，根據(jù)您所學(xué)的理論知識，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：

由在后面串入一共集放大電路，減小輸出阻抗。

6、計算圖3-1中各元件參數(shù)的理論值，其中

已知：VCC=12V，Ui=5mV，RL=3KΩ，RS=50Ω，T為9013

指標(biāo)要求：Au>50，Ri>1KΩ，RO100kHz（建議IC取2mA）用Multisim軟件對電路進(jìn)行仿真實驗，仿真結(jié)果填寫在預(yù)習(xí)報告中。答：

我們用SXT2907A代替。實際測得9013的bf為140，Multisim中查得SXT2907A的bf為100~300。

經(jīng)過測試，在信號源置零時，將RW調(diào)節(jié)至12.68kΩ時，Ic為2mA。此時的靜態(tài)工作點測試如下：

Uc=5.85V，Ub=2.70V，Ue=2.06V。

在外加信號源的情況下：

當(dāng)輸入信號（Ui）有效值為5mV時，測得此時的電源電壓Us和輸出電壓Uo分別為18.374mV和500.59mV。而如果輸出開路，則測得開路電壓Uo’為726.17mV。

輸入輸出信號的波形如圖所示：

利用波特儀測得幅頻特性曲線如圖所示：

7、對于小信號放大器來說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，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：

根據(jù)fH和fL表達(dá)式，增大的方法是減小R1和R2（同比例）。fL主要受C1、C2、CE的影響

()()1

21

103CrRfbeSL?+?≥π~，

()

()2

21

103CRRfLCL?+?≥π~，

()

E

be

SELCrRRf?++?≥)//(~β

π121

31

因此可以通過適當(dāng)增大C1、C2、CE減小

8、負(fù)反饋對放大器性能的影響

答：

在共射放大電路上增加負(fù)反饋之后，增益減小，但是其他性能都有所提高，

如輸入阻抗、

輸出阻抗都會增大，另外能夠增大帶寬，并對噪聲，干擾和溫漂具有一定的抑制作用。

五、基本實驗內(nèi)容

1、研究靜態(tài)工作點變化對放大器性能的影響

(1)調(diào)整RW，使靜態(tài)集電極電流ICQ=2mA，測量靜態(tài)時晶體管集電極—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，調(diào)節(jié)信號源輸出電壓US使Ui=5mV，

測量并記錄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，必須確保在UO基本不失真時讀數(shù)。

(3)重新調(diào)整RW，使ICQ分別為1.5mA和2.5mA，重復(fù)上述測量，將測量結(jié)果記入表3-1中。

(4)根據(jù)測量結(jié)果計算放大器的Au、Ri、Ro。

實驗結(jié)果分析：

誤差分析：基本上誤差還是在允許范圍內(nèi)，靜態(tài)工作點部分可能存在一些的誤差，誤差主要在輸入阻抗上，原因是在測量Us時已經(jīng)有不小的誤差，電阻并不是精密電阻，存在誤差，利用Us和Ui計算Ri時又將這部分誤差放大，導(dǎo)致最后得到的結(jié)果不太理想。

實驗結(jié)論：從兩組數(shù)據(jù)的對比可以看到，靜態(tài)工作點對輸入輸出阻抗，電壓增益等參數(shù)都有非常大的影響，因此合理選擇靜態(tài)工作的重要性不言而喻。后面還會提到飽和失真和截止失真的問題，同樣也跟靜態(tài)工作點緊密聯(lián)系。

由三極管的Ic和Uce圖像可知，三極管的靜態(tài)工作點會影響三極管出現(xiàn)飽和失真和截止失真這兩種情況，這也是我們在實驗中所要關(guān)注的地方。

2、觀察不同靜態(tài)工作點對輸出波形的影響

(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，并將測量值記錄

表3-2中。

表3-2不同靜態(tài)工作點對輸出波形的影響

圖1截止失真輸入輸出波形：

圖2完全截止失真輸入輸出波形（實驗提示：此時可以加大輸入信號幅度）：圖3飽和失真輸入輸出波形：

實驗結(jié)果分析：

由實驗數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)靜態(tài)工作點（這里指ICQ）升高時，容易出現(xiàn)飽和失真，而靜態(tài)工作點Uce降低時，容易出現(xiàn)飽和失真。這里靜態(tài)工作點的調(diào)節(jié)是通過調(diào)節(jié)R1實現(xiàn)的。而飽和失真和截止失真可以分別看成完全飽和與完全截止到放大區(qū)中間的過渡階段。

由理論知識可知，對于Uce與Ic關(guān)系圖，iC=0時截止，iC=UCEQ/RC≈VCC/RC時飽和。而iC=IC+ic，因此如果IC較大，則加上正弦交流信號ic后iC上下的幅度都有所增加，最大值更容易達(dá)到VCC/RC而產(chǎn)生飽和失真，如果IC較小，則加上正弦交流信號ic后iC的最小值更容易達(dá)到0而產(chǎn)生截止失真。

因此在選擇靜態(tài)工作點時，因盡量選在0~VCC/RC中間的位置。盡可能避免失真出現(xiàn)。

3、測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。測量此時靜態(tài)集電極電流ICQ和輸出電壓的峰峰值UOP-P。

帶負(fù)載時測量ICQ=2.34mA，UOP-P=5.82V

實驗結(jié)果分析：

當(dāng)ICQ=2.34時，得到最大不失真輸出UOP-P=5.82V，再增大輸入信號源電壓Us即同時出現(xiàn)飽和失真和截止失真。

在選取靜態(tài)工作點時，調(diào)節(jié)R1的值，應(yīng)盡量選在這個值附近，以保證能夠?qū)Ρ容^大的信號進(jìn)行放大而不出現(xiàn)失真。

3、測量放大器幅頻特性曲線

調(diào)整ICQ=x(設(shè)計值)，保持Ui=5mV不變，改變信號頻率，用逐點法測量不同頻率下的UO值，計入表3-3中，并畫出幅頻特性曲線，記錄下限頻率fL、上限頻率fH，計算帶寬BW。

幅頻特性曲線

下限頻率fL=160Hz上限頻率fH=500kHz帶寬BW=500kHz

實驗結(jié)果分析：

由測得數(shù)據(jù)繪得的幅頻特性曲線與理想曲線符合的較好。由于此時保持輸入信號Ui=5mV，因此得到的輸出電壓有效值與Au是成正比的，當(dāng)f=10kHz時，輸出電壓最大，即放大倍數(shù)最大，中頻放大倍數(shù)在這附近取到。在f=160Hz和500kHz時的輸出電壓為中頻輸出電壓的0.707倍左右，此時即下限頻率和上限頻率。

六、提高實驗內(nèi)容

1、相位測量

a）輸入Ui=5mV，f=fL，用示波器雙蹤顯示輸入輸出波形，記錄波形，并測量兩者間的相位差；

答：Vi超前Voφ=?t/T?3600=146.16°

f=fL時的輸入輸出波形圖：

實驗結(jié)果分析：

實際與理論的誤差為34°左右，可見相位差減小。根據(jù)放大相量公式：

，(1)(1)

L

ususmLH

fj

fAAffjjff??

=?

++

在低頻f=fL情況，經(jīng)過化簡可得此時(1)

ususmj

AAj??

=?

+，相位提前，與實際情況相

符。在下限頻率時提前的相位應(yīng)該是45°，實際測得的相位差偏小，可能是由于中頻和下限頻率的測量有偏差。

b）輸入Ui=5mV，f=fH，用示波器雙蹤顯示輸入輸出波形，記錄波形，并測量兩者間的

相位差。

答：Vi超前Voφ=?t/T?3600

=213.84°

f=fH時的輸入輸出波形圖：

實驗結(jié)果分析：

由圖像我們可知，高頻時的相位應(yīng)該比180°落后45°。

這里測得的與低頻時提前的相

位很接近，可能是電容充放電問題，及噪聲干擾導(dǎo)致中頻區(qū)測量有問題，導(dǎo)致低頻和高頻的值都有偏差。

2、負(fù)反饋對放大器性