实验三晶体管放大器分析与设计

实验三晶体管放大器分析与设计实验目的：1.熟悉仿真软件Mulitisim的使用，掌握基于Mulitisim的瞬态仿真方法。2.熟悉POCKETLAB硬件实验平台，掌握基于功能的使用方法。3.通过软件仿真和硬件实验验证，掌握晶体三极管放大器的分析和设计方法。4.通过软件仿真和硬件实验验证，掌握场效应管放大器的分析设计方法。实验预习：在图3-1所示电路中，双极性晶体管2N3094的=120，V(BEon)=0.7v。根据实验二的直流工作点，计算该单级放大器的电压增益Av.填入表3-1.图3-1解：其交流通路等效电路如图3-11所示.由实验三可知其直流工作点为：Rbe=26/3.662k=7.1kRi=(7.1+121*0.2)=31.3kAi=120*4.7/1004.7=0.5614Av=0.5614*1000/31.3=17.935图3-11实验内容一．晶体三极管放大器仿真实验1.根据图3-1所示电路，在Multisim中搭建晶体三极管2N3094单级放大电路。加入峰峰值=50mv,频率等于10khz的正弦波。结果查看：采用示波器XCS1，查看输入输出两路波形。并用测量工具，测试输入输出波形的峰峰值，计算得到电压增益Av，填入表格3-1.实验测得的输入输出波形图如表3-2所示。表3-1：晶体三极管放大器增益计算值仿真值实测值放大器增益Av17.93517.72619.122.変输入信号峰峰值，取Vinpp=100mv，Vinpp=200mv，Vinpp=300mv，重新进行瞬态仿真和频谱分析，截取各输入条件下的输入输出波形图和频谱分析图，填入表3-2.表3-2：不同输入情况下的输入输出波形图。瞬态波形图频谱分析Vinpp=50mv瞬态波形图频谱分析Vinpp=100mv瞬态波形图频谱分析Vinpp=200mv瞬态波形图频谱分析Vinpp=300mv思考题：请说明不同输入情况下的输出波形有何差异，并尝试解释其原因。答：输入交流电压越大，输出波形的失真度越大。因为放大器的电压传输是非线性的，当输入电压比较小时，传输为近似线性，当输入电压增大，电压达到非线性的区域，就会出现输出波形失真的情况。3.取输入信号为Vinpp=100mv,在信号源上串联一个电阻表征信号源内阻，如图3-3所示。取该电阻为50、1k和10k欧姆重新进行仿真，截取不同电阻情况下的输入输出波形图，并估算电压增益Avs，填入表3-3.图3-3信号源内阻表3-3不同信号源内阻的输入输出波形图。源增益电压：17.516.08.75R=50欧R=1k欧R=10k欧思考题：请说明不同源电阻情况下的电压增益的差异，并据此估算出晶体管放大器的内阻。答：源电阻越大，输出电压的增益越小。17.5=Av[Ri/(50+Ri)]16=Av[Ri/(1k+Ri)]8.75=Av[Ri/(10k+Ri)].所以Ri=9.862k.4.改变旁路电容CE1，将其接在节点5和地之间，重新仿真图3-1，观察到什么现象？为什么？改变输入信号幅度，重新获得不失真波形，并测得此时的电压增益，与原电压增益比较，得到何种结果？请解释原因，并将两种增益值填入表3-4中。当CE1接5-0时输入输出波形如下：CE1接于7-0CE1接于5-0表3-4：CE1不同接法时的放大器增益CE1接于7-0CE1接于5-0电压增益Av17.72665分析：从图中可以看出当CE1接于7-0的时候输出电压的失真度较小近似为不是真波形，当CE1接于5-0的时候失真度较大，而且此时的电压增益增加很多。因为当CE1接于7-0的时候E端电流被短路，响应的输出电阻减小，导致输出电压变大，进而提高了电压增益。同时输出信号进入了非线性区域，产生失真。CE1接于7-0CE1接于5-0若将输入电流的峰峰值增加到100mv，则输出波形的失真度也增加。二．晶体三极管放大器硬件实验电路连接1.首先根据图3-1在面包板上搭试电路，并将POCKETLAB的直流输出端+5V和GND与电路的电源、地节点连接；POCKETLAB的一路输出端作为电路的输入信号，POCKETLAB的一路输出端接电路输入信号端；另一路输入端接电路输出信号端，分别测试输入输出两路信号。2.直流测试在进行波形测试之前，请采用实验二的直流测试法，使用POCKETLAB的直流电压表测试各点直流电压，以确保电路搭试正确。3.输入信号打开信号发生器界面，选择输入信号波形为正弦波，频率为5kHZ，信号峰峰值为50mV,直流偏置为0，两通道独立设置。点击按钮SET，正弦波信号将输出到电路输入端。4.交流波形测试打开示波器界面，选择合适的时间和电压刻度，显示三极管单端放大器的输入，输出波形。并在窗口中直接读出其输入输出波形的峰峰值，获得其电压增益，填入表格3-1，比较计算值，仿真值和测试值是否一致。其输出波形如下所示通过比较计算值、仿真值和实测值可以发现急速那只和仿真值相差不大，其中实测值相差相对较大一些，原因可能是晶体管本身的参数误差引起的，也可能是信号源停工的信号误差产生。三．场效应管放大器仿真实验1.根据图3-6所示电路，在MULTISIM中搭建MOS管IRF510单级放大电路。2.对该电路进行直流工作点分析，完成表格3-5.表3-5（1）场效应管放大器直流工作点（R1=1K,R2=4K）仿真值实测值V2(V)43.98V5(V)0.1480.31V4(V)2.7770.32I(R3)(uA)74115603.加入峰峰值=100mV，频率=5kHZ的正弦波，进行瞬态仿真，在示波器中查看波形，并将输入输出波形截图于图3-7，根据测量输入输出波形的峰峰值，求得该放大器增益为：仿真波形实测波形从波形和数据都可以看出，仿真和实测的结果完全不同，仿真的电路MOS管仍处於截至状态，而实测的电路显示出的MOS管已导通。接下来改变偏置电阻的比值，进行重新测量电路图如下：表3-5（2）场效应管放大器直流工作点（R1=1K,R2=6K）仿真值实测值V2(V)4.244.285V5(V)0.320.312V4(V)0.320.317I(R3)(uA)15601561仿真波形实测波形图3-7MOS管放大器瞬态波形此时仿真以及实测电路的MOS管均处于导通状态，所以输出的电流很小，等同于被短路。经多次试验发现，当偏置电阻为100k和200k的时候，输出电压被放大。电路如下表3-5（3）场效应管放大器直流工作点（R1=1K,R2=6K）仿真值实测值V2(V)3.3113.0V5(V)0.996m0.110V4(V)4.9813.39I(R3)(uA)5.329536.67硬件测得输入输出波形图如下电压增益Av=847/107=7.916四．场效应管放大器硬件实验重复第二项“晶体管放大器硬件实验”中的所有步骤，完成场效应管放大器IRF510的硬件实验，并将直流工作点测试结果填入表3-5.将瞬态实测波形截图填入图3-7.实验思考：将图3-1中的输出端改为节点5，使共射放大器变为共集放大器，查看输入、输出波形。对比共射放大器的输入输出波形，理解波形中的相位对比变化。由此可知，共射放大器是___反向____放大器；而共集放大器是__同向__放大器。下图分别为仿真以及实测的输入输出波形，可以看出来共集电路的输入输出波形同向，而共射放大器电路的输入输出波形反向。