东大模电实验-三极管放大电路设计

1东南大学电工电子实验中心实验报告课程名称：模拟电子电路基础第三次实验实验名称：三极管放大电路设计院（系）：专业：姓名：学号：实验室:105实验组别：同组人员：实验时间：2015年05月04日评定成绩：审阅教师：2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。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：参数符号参数值参数意义及设计时应该如何考虑VCBO≤40V(额)集电极基极电压。必须在此范围内工作否则将损坏三极管。VCEO≤30V(额)集电极发射极电压。同上。VEBO≤5V(额)发射极基极电压。同上。ICM≤500mA(额)集电极电流。同上。hFE96~246直流增益。VCE(sat)≤0.25V集电极发射极饱和压降。VBE≤1V基极发射极正向电压。fT≥140MHz特征频率。注：额——表示Absolutemaximumratings，最大额定值。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：①图3-1偏置电路名称：分压式偏置电路。②自动调节晶体管电流Ic以实现稳定直流工作点的作用的原理：当温度升高，会引起静态电流ICQ(≈IEQ)的增加，此时发射极直流电位UEQ=IEQ*RE也会增加，而由于基极电位UBQ基本固定不变，因此外加在BJT发射结上的电压UBEQ=UBQ-UEQ将减小，迫使IEQ减小，进而抑制了ICQ的增加，使ICQ基本维持不变，达到自动稳定静态工作点的目的。同理，当温度降低时，ICQ减小，UEQ同时减小，而UBEQ则上升促使IEQ增大，抑制了ICQ的减小，进而保证了Q点的稳定。③若R1、R2取得过大，则不能再起到稳定工作点的作用。这是因为在此情况下，流入基极的电流不可再忽略，UB不稳定导致直流工作点不稳定。33.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，总结出最佳实现方案。答：提高电压增益的方法：从增益的公式来看，可以通过提高β值与Rc、减小rbe值来提高增益，但各有其弊端。提高β虽可行但选择范围有限，改变Rc、rbe会影响到静态工作点。还可以在电路中引入正反馈，可这种方法会影响电路工作的稳定性，因而不常用。此外，还可以通过多级放大电路实现，这种方法往往增益大、输入电阻大、输出电阻小，在工程中广为应用。(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：不能，因为实验中所测信号幅度很小，用示波器测量将把噪声计入幅值，万用表测量的灵敏度低。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RiRS放大器从信号源吸取较大电流RiRS放大器从信号源获取最大功率①答：放大电路输入等效电路图：简单解释：放大器从信号源获得的功率为P=I2*Ri，I=Us/(Rs+Ri)，两式联立，解得，当Ri=Rs，放大器从信号源获取最大功率，最大功率为Pmax=Us2/(4Rs)。也可直接看出，Ri越小，放大器从信号源获取的电流越大。Ui=I*Ri，当Ri越大，放大器从信号源获取的电压越大。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。4图3-1放大器输入阻抗测量原理图答：由图得，Ri=Ui*Rs/(Us-Ui)。若Rs太大，Ui太小；Rs过小，Us与Ui太接近，测量困难。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：在输出不失真的情况下，降低电路的直流工作点；增大R1、R2并保证不影响UBE的稳定。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，通过连线回答下面的问题，并做简单解释。RO=RL负载从放大器获取较大电压RORL负载从放大器吸取较大电流RORL负载从放大器获取最大功率答：输出等效电路图：简单解释：负载从放大器获取的电压P=I2*RL，Uo=RL*Uo’/(RL+Ro)。当Ro=RL，负载从放大器获取最大功率。也可以直接看出，Ro越小，负载获得的电压越大，电流也越大。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。5图3-2放大器输出阻抗测量原理图答：Ro=(Uo’-Uo)*RL/Uo，若RL太小，Uo也太小，难以测量；RL太大，Uo’与Uo相当，Uo’-Uo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：Ro=Rd，可以减小Rd但此法将影响静态工作点；此外也可以引入负反馈的方法来减小输出电阻。6.计算图3-3中各元件参数的理论值，其中已知：VCC=12V，Ui=5mV，RL=3KΩ，RS=1KΩ，T为9013指标要求：Au50，Ri1KΩ，RO3KΩ，fL100Hz，fH100kHz（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。1)仿真原理图Multisim仿真电路图：2)参数选择计算设UBEQ=0.7V，β=100。其中ICQ最好取2mA。令UBQ=5.7V，UEQ=5V，又ICQ=2mA≈IEQ，RE=UEQ/ICQ=2.5kΩ，取RE=2kΩ+510Ω。rbb’=200Ω，rbe≈1.5kΩ。取Rc=2kΩ。RL’=Rc||RL=1.2kΩ。R1=14.7kΩ，R2=6.8kΩ。Au=-β(Rc||RL)/rbe=80506Ri=R1||R2||rbe=1.134kΩ1kΩRo=Rc==2kΩ3kΩ满足要求。其中电容尽量取大。3)仿真结果77.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：增加上限频率：选择rbb’,Cb’c小、fT高的三极管。在不能选择三极管的情况下，可通过减小R1、R2来实现上限频率的增大，但要注意输入电阻与增益随之改变。降低下限频率：提升C1、C2、CE（旁路电容）值，这三个值是影响下限频率的主要因素。8.负反馈对放大器性能的影响答：电路中引入负反馈之后，增益减小，带宽、输入阻抗、输出阻抗增大，对噪声温漂等干扰有抗干扰能力，总的来说负反馈能有效提高电路的性能。9.设计一个由基本放大器级联而成的多级放大器，已知：VCC=12V，Ui=5mV，RL=1KΩ，T为9013要求满足以下指标：|Au|100，Ri1KΩ，RO100Ω1)仿真原理图2)参数选择计算多级放大器中各级放大电路往往各有其功能，比如本次设计的三级放大电路，第一级共源放大，主要用于增大输入电阻，第二级共射放大，主要用于信号放大，最后一级8共集放大用于减小输出电阻。从这一基本设计思想出发，依次确定各级放大电路的参数。Vcc=12V。第一级目的在于增大输入电阻，并对信号进行小幅放大：Ri=RG3+RG1//RG21MΩ，取RG3=2MΩ。令UGQ=5V，则RG1=270kΩ，RG2=200kΩ。若IDQ=2mA，UGSQ=2.2V，USQ=2.8V，Rs≈1.4kΩ，可取Rs=2kΩ，相应的可取RD=2kΩ，仿真时为了保证合适的放大倍数这个值有所调整，只是计算大概参数范围。此时gm≈2.24，Au≈2.8。第二级目的在于放大：UB2Q=2.5V，取RB1=20kΩ，RB2=5.1kΩ。IE2Q=0.5mA，RE=3.3kΩ，Rc=6.8Ω。第三级目的在于减小输出电阻：UB3Q=8.6V，ICQ=2mA，图中R6≈3.65kΩ取3.3kΩ，负载RA取4.7kΩ。关于电容的选择，要使交流信号通过时电容相当于短路，电容值要尽量大，本电路中所取电容为47μF、100μF。我的第一、二级电路间采用电容耦合，静态工作点相互独立；第二、三级电路则采用直接耦合，因为尽管它们的静态工作点相互影响，但参数值计算简单，而且直接耦合能够减少元器件，方便搭电路与检查错误。3)仿真结果其中Channel_A为输出信号，Channel_B为输入信号。三、实验内容91.基本要求：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基本不失真时读数。(3)根据测量结果计算放大器的Au、Ri、Ro。相关波形图：10由图可知：放大倍数约为97倍，符合要求。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)2.8835.9285.82.2%UCQ(V)9.687.6884%UEQ(V)2.2695.2845.025.3%输入信号Ui=5mVUS(mV)147.55.0747.9%UO(V)0.2230.360.38717%UO’(V)0.3160.640.6450.78%计算值UBEQ0.6140.6440.7817.4%UCEQ7.4112.3962.9819.6%Au44.67277.427%Ri/kΩ5.043.3843.462.2%RO/kΩ1.9871.93941.9500.54%实验结果分析：测量静态工作点时，输入端接地，误差并不大，在正常范围内。当Ui=5mV时，Us的理论值与测量值即出现较大误差，这是因为，本身Ui值太小，接线过程中不免产生噪声与干扰，这个噪声值使本来就比较小的电压产生较大的偏差，此外信号在电路中的耦合也会有所损耗，所以Us的误差较大也是可以理解的。而由于本电路中并没有负反馈，电路对噪声、温漂等抗干扰能力弱，导致UBEQ与UCEQ产生较大误差。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11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)1.2791.4275.9926.33Rw增大易出现截止失真，Rw减小易出现饱和失真；Rw越大（小），截止（饱和）失真越厉害。UCQ(V)9.769.595.9316.18UEQ(V)0.6940.8386.595.68波形如下如下如下如下——计算值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/相关波形图如下：①完全截止②截止失真③饱和失真12④完全饱和（