模电仿真实验-共射极单管放大器

仿真实验报告册仿真实验课程名称：模拟电子技术实验仿真仿真实验项目名称：共射极单管放大器仿真类型（填■）：（基础■、综合□、设计□）院系：专业班级：姓名：学号：指导老师：完成时间：成绩：一、实验目的（1）掌握放大器静态工作点的调试方法，熟悉静态工作点对放大器性能的影响。（2）掌握放大器电压放大倍数、输入电阻、输出电阻及最大不失真输出电压的测试方法。（3）熟悉低频电子线路实验设备，进一步掌握常用电子仪器的使用方法。二、实验设备及材料函数信号发生器、双踪示波器、交流毫伏表、万用表、直流稳压电源、实验电路板。三、实验原理电阻分压式共射极单管放大器电路如图3.2.1所示。它的偏置电路采用（RW+R1）和R2组成的分压电路，发射极接有电阻R4（RE），稳定放大器的静态工作点。在放大器的输入端加入输入微小的正弦信号Ui，经过放大在输出端即有与Ui相位相反，幅值被放大了的输出信号Uo，从而实现了电压放大。在图3.2.1电路中，当流过偏置电阻R1和R2的电流远大于晶体管T的基极电流IB时（一般5~10倍），则它的静态工作点可用下式进行估算（其中UCC为电源电压）：CC21W2BQ≈URRRRU++（3-2-1）C4BEBEQ≈IRUUI-=（3-2-2）)(43CCCCEQRRIUU+=-（3-2-3）电压放大倍数beL3u||=rRRβA-（3-2-4）输入电阻be21Wi||||)(rRRRR+=（3-2-5）图3.2.1共射极单管放大器输出电阻3o≈RR（3-2-6）1、放大器静态工作点的测量与调试（1）静态工作点的测量测量放大器的静态工作点，应在输入信号Ui=0的情况下进行，即将放大器输入端与地端短接，然后选用量程合适的万用表，分别测量晶体管的集电极电流IC以及各电极对地的电位UB、UC和UE。一般实验中，为了避免测量集电极电流时断开集电极，所以采用测量电压，然后计算出IC的方法。例如，只要测出UE，即可用EEEC≈RUII=计算出IC（也可根据CCCCCRUUI-=，由UC确定IC），同时也能计算出UBE=UB-UE，UCE=UC-UE。（2）静态工作点的调试放大器静态工作点的调试是指对三极管集电极电流IC（或UCE）的调整与测试。静态工作点是否合适，对放大器的性能和输出波形都有很大的影响。如工作点偏高（如图3.2.2中的Q1点），放大器在加入交流信号以后易产生饱和失真，此时Uo的负半周将被削底。如工作点偏低（如图3.2.2中的Q2点），则易产生截止失真，即Uo的正半周被削顶（一般截止失真不如饱和失真明显）。这些情况都不符合不失真放大的要求。所以在选定工作点以后还必须进行动态调试，即在放大器的输入端加入一定的Ui，检查输出电压Uo的大小和波形是否满足要求。如不满足，则应调节静态工作点的位置。改变电路的参数UCC、RC、RB（RW，R2）会引起静态工作点的变化。通常采用调节偏电阻RW的方法来改变静态工作点，如减小RW，可提高静态工作点等。注意：静态工作点的“偏高”或“偏低”是相对信号的幅度而言。如果信号幅度很小，即使工作点较高或较低也不会出现失真。所以说，波形失真是信号幅度与静态工作点设置不匹配而导致的。如须满足较大的输入信号，静态工作点最好尽量靠近交流负载线的中点。2、放大器动态指标测试放大器动态指标测试包括电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真输出电压（动态范围）和通频带等。（1）电压放大倍数Au的测量调整放大器到合适的静态工作点，然后加入输入电压ui，在输出电压uo不失真的图3.2.2静态工作点对Uo波形失真的影响情况下，用交流毫伏表测出ui和uo的有效值Ui和Uo，则iouUUA=（3-2-7）（2）输入电阻Ri的测量为了测量放大器的输入电阻，在被测放大器的输入端与信号源之间串入一已知电阻RS，如图3.2.3所示。在放大器正常工作的情况下，用交流毫伏表测出US和Ui，则根据输入电阻的定义可得：SiSiSRiiii===RUUURUUIUR-（3-2-8）测量时应注意:①测量RS两端电压UR时必须分别测出US和Ui，然后按UR=US-Ui求出UR值。②电阻RS的值不宜取得过大或过小，以免产生较大的测量误差，通常RS与Ri为同一数量级为宜，本实验可取RS=1kΩ。（3）输出电阻Ro的测量输出电阻Ro的测量电路如图3.2.4所示，同样应取RL的值接近Ro为宜。在放大器正常工作条件下，测出输出端不接负载RL的输出电压U∞和接入负载后输出电压UL，根据：URRRULoLL（3-2-9）即可求出Ro：LLo)1(RUUR-（3-2-10）在测试中应注意的是，必须保持RL接入前后的输入信号大小不变。（4）最大不失真输出电压Uomp-p的测量（最大动态范围）为了得到最大动态范围，首先应将静态工作点调在交流负载线的中点。为此在放大器正常工作情况下，逐步增大输入信号的幅度，并同时调节RW（改变静态工作点），用示波器观察Uo，当输出波形在正、负峰附近同时开始出现削底和削顶现象（如图3.2.5）时，说明静态工作点已调在交流负载线的中点。然后再反复调整输入信号，使波形输出幅度最大，且无明显失真时，从示波器上可直接读出最大动态范围Uomp-p，或用交流毫图3.2.3输入电阻测量电路图3.2.4输出电阻测量电路伏表测出Uo（有效值），则最大动态范围Uomp-p=o22U。（5）放大器频率特性的测量放大器的频率特性是指放大器的电压放大倍数Au与输入信号频率f之间的关系曲线。单管阻容耦合放大电路的幅频特性曲线如图3.2.6所示。Aum为中频电压放大倍数，通常规定电压放大倍数随频率变化下降到中频放大倍数的1/2倍，即0.707Aum所对应的频率分别称为下限频率fL和上限频率fH，则通频带BW=fH-fL（3-2-11）测量放大器的幅频特性就是测量不同频率信号时的电压放大倍数Au。可以采用前面测Au的方法，每改变一个信号频率，测量其相应的电压放大倍数即可。测量时要注意取点要恰当，在低频段与高频段要多测几个点，在中频可以少测几个点。此外，在改变频率时，要保持输入信号的幅度不变，且输出波形不能失真。实验中通常只要求测量出通频带。利用示波器可以进行BW的简易测量，方法是在示波器上测量出输入中频段信号时的输出信号幅度后，在保持输入信号幅度不变的情况下，减小或增大输入信号的频率，再通过在示波器上观测输出信号幅度，找到输出信号幅度降低至中频段输出的1/2倍时的输入信号频率即为fL或fH。四、仿真元件及仿真测试仪器图3.2.5波形同时出现削底和削顶现象的失真图3.2.6放大器的幅频特性曲线电阻电容函数信号发生器示波器三极管电位器万用表五、实验内容如图3.2.1所示连接共射极单管放大器实验电路。注意当检查电路无误后，调节直流电源电压至UCC选定值12V，方可接通电源。1、静态工作点的测量与调整（验证性实验）（1）静态工作点的测量静态工作点测量条件：没有输入信号，即Ui=0。实验时将电路信号输入端接地。调节电位器RW，使ICQ=1.5mA。实验时为了避免直接测量电流，可采取测量晶体管发射极电压UE或测量晶体管集电极电压UC的方法：调节电位器RW，使UE=2.25V或UC=9.3V或者ICQ=1.5mA。调整好ICQ后，用万用表直流电压档测量UBQ、UEQ、UCQ值，记入表3-2-1。根据测量值计算UBEQ=UBQ-UEQ和UCEQ=UCQ-UEQ，再与理论计算值比较。表3-2-1静态工作点测量数据记录电压单位：/V测量值理论计算值UBQUEQUCQUBEQUCEQICQUBEQ′UCEQ′2.888V2.274V9.284V613.249mV7.01V1.508mA0.7V7V（2）观察静态工作点对输出波形失真的影响在前面实验设定的静态工作点（RC=1.8kΩ、IC=1.5mA）基础上，取RL=∞。按图3.2.7连接测量仪器，用示波器观测放大器的输入、输出信号波形，交流毫伏表测量放大器的输入信号电压。仿真电路①调节信号发生器，输出频率为1kHz、有效值为5mV的正弦波从A1端输入信号Ui，用示波器观察并记录输出电压的输出波形，将数据记入表3-2-2。②保持输入信号Ui不变，增大电位器RW的值，使波形出现失真，定性绘出Uo的波形，并测出失真情况下的IC和UCE值，记入表3-2-2。③仍保持输入信号Ui不变，减小电位器RW的值，使波形出现失真，定性绘出Uo的波形，并测出失真情况下的IC和UCE值，记入表3-2-2。注：表3-2-2中工作状态判断：判断输出波形是否存在失真？存在的失真是截止失图3.2.7放大器性能测试系统真还是饱和失真？晶体管工作点状态判断是否基本合适？是偏高还是偏低？表3-2-2测量静态工作点对输出波形失真的影响数据记录RC=1.8kΩRL=∞工作条件Uo波形工作状态判断①Ui=5mVRW适中UEQ=2.25Vuot失真情况：基本不失真晶体管工作点状态：基本合适UCQ=9.284VICQ=1.5mAUCEQ=7.009V②Ui=mVRW偏小UEQ=4.484Vuot失真情况：饱和失真晶体管工作点状态：偏高UCQ=6.698VICQ=2.946mAUCEQ=2.214V③Ui=mVRW偏大UEQ=1.536Vuot失真情况：截止失真晶体管工作点状态：偏低UCQ=10.164VICQ=1.02mAUCEQ=8.628V饱和失真电路及各项参数如下：饱和失真波形：截止失真电路图及其各项参数：截止失真波形：2、放大器性能指标测试（验证性实验）放大器性能指标测量仪器的连接如图3.2.7所示。（1）测量电压放大倍数Au调节信号发生器，输出频率f=1kHz、有效值为5mV的正弦波（用毫伏表测量）作为输入信号Ui，同时用双线示波器观察放大器输入电压Ui和输出电压Uo的波形，在Uo波形不失真的条件下，用示波器测量不同负载时放大器输出电压Uo波形，计算放大器的电压放大倍数Au。测量数据记入表3-2-3，并记录其中一组输入、输出电压波形，注意用双线示波器观察Uo和Ui的相位关系。表3-2-3电压放大倍数Au测量数据记录RL/kΩUop-p/VUorms/VAu测试条件5.110.33768RC=1.8kΩIC=1.5mAUirms=4.95mV511.250.43688∞1.250.45191ui和uo波形输入输出波形如下：注意：由于晶体管元件参数的分散性，定量分析时所给Ui，根据具体实际情况输入适当的Ui值，在表3-2-3中测试条件栏记入实际输入的Ui值。由于用示波器所测Uo的值为峰峰值，故需要转化为有效值或用毫伏表测得的Uo来计算Au值。切记万用表、毫伏表测量的是有效值，而示波器观察的是峰峰值。（1）测量输入电阻Ri和输出电阻Ro输入电阻Ri：电路连接如图3.2.3所示，从A端输入f=1kHz、有效值分别为5mV、8mV的正弦信号US，在输出电压Uo不失真的情况下，用毫伏表分别测出US、Ui，记入表3-2-4，利用式3-2-8计算出Ri和Ri平均值，并与理论计算值比较。表3-2-4输入电阻Ri测量数据记录RC=1.8kΩ；IC=1.5mARS/kΩUS/mVUi/mVRi/kΩRi平均值/kΩ153.6952.8312.895185.982.960（2）输出电阻Ro：电路连接如图3.2.4所示。断开RL时的输出波形如下：接入RL=5.1kΩ时的输出波形如下：保持输入信号Ui（3mv、5mV）不变的条件下，分别在断开RL与接入RL=5.1kΩ的情况下，示波器测量输出电压U∞和UL的峰峰值，记入表3-2-5，利用式3-2-10计算Ro和Ro平均值，并与理论计算值比较。表3-2-5输出电阻Ro测量数据记录RC=1.8kΩ；IC=1.5mAUi/mVU∞/mVp-p（RL=∞）UL/mVp-p（RL=5.1kΩ）Ro/kΩRo平均值/kΩ39006002.552.555150010002.55六、实验总结每次做电路仿真实验都要特别的谨慎，因为电路仿真实验是全理想化的，不会像现实操作那般干扰甚多。如果仿真电路无法达到预期的效果，那一定是线路图出现错误，而出现的错误也很