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文本内容:
东南大学电工电子实验中心实验报告课程名称电子电路基础第三次实验实验名称单级电压放大电路设计院(系)吴健雄专业电类姓名学号实验室:实验组别同组人员实验时间2011年5月5日评定成绩审阅教师实验三单级电压放大电路设计
一、基本信息实验时数6学时时间要求第10~11周完成,第11周内交实验报告教材《电子线路实践》Page1~6实验检查带班教师检查
二、学习目标
1、掌握单级放大电路的设计、工程估算、__和调试;
2、了解三极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
三、设计提示图3-1射级偏置电路
1、对于图3-1中的偏置电路,只有R2支路中的电流I1IBQ时,才能保证UBQ恒定实现自动稳定工作点的作用,所以工程中一般取(硅管)(锗管)
2、为了提高电路的稳定性,一般要求UBQUBE,工程中一般取UBQ=5~10UBE,即UBQ=3~5V(硅管),UBQ=1~3V(锗管)
3、电路的静态工作点电流,由于是小__放大,所以ICQ一般取
0.5~2__
4、ICQ确定后通过以下公式可计算R1和R2的值,
5、交流电压放大倍数
6、交流输入阻抗
7、交流输出阻抗
8、电路频率特性的下限频率值主要受C1,C2和__影响,其关系分别为,,
9、幅频特性曲线、上限频率、下限频率、截止频率中心频率、带宽的测量方法AV
10.707fLfHfAV
10.707f0fAV
10.707f0fAV
10.707fHfLf0a单级放大器放大特性b低通特性c高通特性d带通特性图3-2幅频特性示意图幅频特性反应了电路增益和频率之间的关系,图3-2列出了常见的幅频特性类型a和d中的fL表示下限频率,fH表示上限频率,带宽BW=fH-fL,d中的f0表示中心频率;b和c中的f0表示截止频率在实验中可采用“逐点法”测量不同频率时的电压放大倍数Au来测量幅频特性测量时,保持输入__幅度不变,改变输入__频率,每改变一次__频率,用交流毫伏表或示波器测量一个输出电压值,计算其增益,然后将测试数据列表、整理并在坐标纸上将其连接成曲线由于函数发生器的输出__幅度在不同频率时可能会有变化,因此每改变一次频率都要用交流毫伏表或示波器测量输入__的幅度,一定要保证输入__的幅度不改变为了更快更准确的测量幅频特性,必须根据不同幅频特性类型,选择不同的测量技巧对于a可先测出中频区的输出电压值,然后调高或调低频率使输出电压降到中频电压值的
0.707倍,从而找到fL和fH,然后在fL和fH之间和左右找3至5个点进行测量,即可较准确的绘制曲线b和c也可参考这种方式来测量对于d可从较低的频率值逐步增加频率,用交流毫伏表或示波器测量输出__,刚开始输出__幅度随着频率的增加而增加,当增加到某一个频率时,输出__幅度随着频率的增加开始减小,则该频率为中心频率,记下该频率对应的幅度,然后调高或调低频率使输出电压降到中心频率电压的
0.707倍,从而找到fL和fH
四、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VCBO40v发射极开路时,集电极‐基极的之间的反向击穿电压,是集电结所允许加的最高反向电压V__O30v基极开路时,集电极‐发射极之间的反向击穿电压,此时集电结承受反向电压VEBO5v集电极开路时,发射极‐基极之间的反向电压,是发射结所允许加的最高反向电压IC500__最大集电极电流,使β值明显减小的IC为ICMIE‐500__最大发射极电流,使β值明显减小的IE为IEhFE96~246直流增益共射直流电流系数≈IC/IBV__sat
0.1T
0.25__XV集电极‐发射极饱和电压VBE
0.8T1__XV基极‐发射极电压fT140MINMHZ晶体管频率特征频率,使β值下降到1的__频率称为特征频率
2、偏置电路图3-1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R
1、R2取得过大能否再起到稳定直流工作点的作用,___?答共发射集偏置电路利用RR12构成的分压器给三极管基极b提供电位UB基极电位UB可近似求得为当环境温度升高时,ICQ增加,电阻RE上的压降增大,由于基极电位UB固定,加到发射结上的电压减小,IBQ减小,从而使ICQ减小,通过这样的自动调节过程使ICQ恒定,即实现了稳定直流工作点的作用如果R
1、R2取得过大,则I1减小,不能满足R
1、R2支路中的电流IBQ的条件,使得VBQ在温度变化时无法保持不变,无法起到稳定直流工作点的作用
3、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增益的方法有1)增大集电极电阻RC和负载RL缺点RC太大,受VCC的限制,会使电路不能正常工作2)Q点适当选高,即增大ICQ缺点电路耗电大、噪声大3)选用多级放大电路级联形式来获取足够大的电压增益缺点电路较复杂,输出__易产生自激,需采取措施消除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,___?答在频率低于100KHZ时万用表的交流档和交流毫伏表都可以比较精确地测量交流电压,当频率大于100KHZ小于1MHZ时,万用表的测量精度下降,只能采用交流毫伏表测量,对于更高频率的__,必须选择高频毫伏表测量而示波器测量的电压精度一般比毫伏表低一个数量级无法在需要精确测量电压值时的时候使用
4、输入阻抗I放大器的输入电阻Ri反映了放大器本身消耗输人__源功率的大小,设__源内阻为RS,试画出图3-1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__源获取较大电压RiRS放大器从__源吸取较大电流RiRS放大器从__源获取最大功率答等效电路图如下所示对关于求导,当=时,=0,所以放大器从__源获取最大功率,当时,放大器从__获取较大电流,当时,放大器从__源获取较大电压II图3-3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___串接电阻RS的取值不能太大也不能太小图3-3放大器输入阻抗测量原理图答若Rs取得过大,不满足当条件,较小,则放大器从__源获取较小电压电压表测量小__的时候由于噪声干扰等原因测量精度下降,测量误差增加若取得过小,又不满足条件,则放大器从__源获得较小电流,的值将会变得很大,会引起较大的误差III对于小__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3-1中放大电路的输入阻抗答交流输入阻抗;适当增大R1,R2的电阻值,保证满足R1,R2支路中的条件,或者使用电流放大系数(β)大的三极管,也可以在输出__不失真的情况下降低静态工作点
5、输出阻抗I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3-1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分析如下当时,负载从放大器获得最大功率,当,负载从放大器获得较大电流,当,负载从放大器获得较大电压II图3-4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___电阻RL的取值不能太大也不能太小图3-4放大器输出阻抗测量原理图答若RL取值过大,电流源的电流只有一小部分流经RL,输出电流过小但若RL过小,则通过RL的电流即通过集电极端的电流过大,将会损坏三极管III对于小__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3-1中放大电路的输出阻抗答交流输出阻抗,由于太大,减小对放大电路的输出阻抗的减小没有多少影响,因此主要是减小的阻值
6、计算图3-1中各元件参数的理论值,其中已知VCC=12V,Ui=5mV,RL=3KΩ,RS=50Ω,T为9013指标要求Au50,Ri1KΩ,RO3KΩ,fL100Hz,fH100kHz(建议IC取2__)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答本实验所用的三极管9013是硅管,β=1451对于上图中的偏置电路,只有支路中的电流时,才能保证恒定实现自动稳定工作点的作用,因此为了满足功能工作点的需求,取=,=3v2,取=2__3取;4符合指标要求其他参数
7、对于小__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3-1中放大电路的上限频率,那些方法可以降低其下限频率答下限频率主要受C1C2和__的影响,为降低下限频率,可以增大耦合电容C1,减小电源内阻等,其中,,为增加上限截止频率,可以选取、小的三极管
8、负反馈对放大器性能的影响答1使放大倍数降低,从而可以增大带宽;2提高放大的稳定性;3减少输出失真和噪声;4调节输入和输出阻抗,其中并联负反馈降低输入阻抗,串联负反馈提高输入阻抗,电压负反馈降低输出阻抗,电流负反馈提高输出阻抗
五、基本实验内容
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=2__,测量静态时晶体管集电极—发射极之间电压U__Q记入表3-1中2在放大器输入端输入频率为f=1kHz的正弦__,调节__源输出电压US使Ui=5mV,测量并记录US、UO和UO’表3-1中注意用双综示波器监视UO及Ui的波形时,必须确保在UO基本不失真时读数3重新调整RW,使ICQ分别为
1.5__和
2.5__,重复上述测量,将测量结果记入表3-1中4根据测量结果计算放大器的Au、Ri、Ro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__
21.5测量值测量值理论值误差输入端接地UBQV
2.
652.13|
3.
162.
23.2%UCQV
6.
127.23|
4.
807.
53.6%UEQV
2.
001.50|
2.
511.500输入__Ui=5mVUSmV
5.
205.20UOV
0.
450.
780.
5834.5%UO’V
0.
230.
340.
3912.8%计算值UBEQ
0.
650.
630.710%U__Q
4.
125.
7364.5%Au90(不带负载)46(带负载)156(不带负载)68(带负载)-
115.1(不带负载)-
77.5(带负载)
26.2%(不带负载)
12.2%(带负载)Ri/kΩ
2.
941.
852.
2116.3%RO/kΩ
2.
873.
88322.6%实验结果分析从表中数据误差可看出,有几项的数据误差是比较大的,达到了20%+一方面是测量误差所致,另一方面,则是设计的静态工作点ICQ=
1.5__不合适所致,
1.5__是直流负载线的中点,而非交流负载线的中点,因此测量误差较大
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完全截止截止失真饱和失真完全饱和RW变大、小测量值UBQV
0.05mv678mv
3.
703.20截止时变大,饱和时变小UCQV
11.
410.
563.
353.81UEQV
01.20mv
3.
033.13计算值ICQ__
00.
0013.
043.13UBEQ
0.05mv
0.
670.
670.07U__Q
11.
410.
560.
320.68R1240k
16.8k
2.24k
2.75k图1截止失真输入输出波形图2完全截止失真输入输出波形(实验提示此时可以加大输入__幅度)图3饱和失真输入输出波形实验结果分析做完全截止时R1要断开,由于Vcc对基极不再有驱动电流由于发射结正向导通时,有个阈值电压,输入电压要大于它,因此输入电压要加的比较大,三极管才能正常工作做完全饱和时,R2要断开,并且要加大R1的值,否则基极就会产生过饱和电流,这样即使输入电流在其上叠加(反向减小)之后,仍不能将其从过饱和区中拉出
3、测量放大器的最大不失真输出电压分别调节RW和US,用示波器观察输出电压UO波形,使输出波形为最大不失真正弦波测量此时静态集电极电流ICQ和输出电压的峰峰值UOP-P带负载时测量ICQ=
2.11__,UOP-P=
3.35v实验结果分析此次的输入电压为50__,那么放大倍数为
3.36/
0.05=
67.2,而理论计算的放大倍数约为100,误差接近30%,说明在波形失真的临界点,波形还没有变形,但放大倍数已经有了很明显的下降
3、测量放大器幅频特性曲线调整ICQ=x设计值,保持Ui=5mV不变,改变__频率,用逐点法测量不同频率下的UO值,计入表3-3中,并画出幅频特性曲线,记录下限频率fL、上限频率fH,计算带宽BW这里我设计的ICQ=
1.5__,测量的数据如下表表3-3放大电路的幅频特性f/kHz
0.
10.
150.
200.55100300400450500700UO/V
0.
260.
350.
390.
500.
560.
550.
430.
390.
370.
310.24图4幅频特性图下限频率fL=400HZ上限频率fH=190KZ带宽BW=1__.4KHZ实验结果分析下线截止频率超过100HZ,并且与计算值得误差较大,个人觉得这是所给公式只取大于等于造成的,因为计算式只是最小值,而不是真实值
六、提高实验内容
1、相位测量a)输入Ui=5mV,f=fL,用示波器双踪显示输入输出波形,记录波形,并测量两者间的相位差;答Vi超前Voφ=∆t/T∙3600=
2.77/
5.05*360=
197.5f=fL时的输入输出波形图实验结果分析从波形和计算结果都可以发现输出波形__输入波形大概180这也说明共射极放大电路是反相放大b)输入Ui=5mV,f=fH,用示波器双踪显示输入输出波形,记录波形,并测量两者间的相位差答Vi超前Voφ=∆t/T∙3600=165/250*360=
230.
4.f=fH时的输入输出波形图实验结果分析可以看出放大器此时的相位差远远超过了180,不在是纯粹的反相电路原因可能是再高频时三极管内部的电容相应显现出来,对相位产生了较大影响
2、负反馈对放大器性能的影响在实验电路图3-1中增加反馈电阻RF=10Ω,构成电流串联负反馈放大器如图3-5所示调整ICQ=x设计值,测量该电路的增益、输入阻抗、输出阻抗、下限频率fL、上限频率fH、带宽BW,并和前面实验测量的结果进行分析比较图3-5电流串联负反馈放大电路电路的增益Vo=
64.4输入阻抗Ri=
4.2K输出阻抗Ro=
3.1k下限频率fL=100HZ上限频率fH=750KHZ带宽BW=
749.9KHZ实验结果分析发现引入负反馈后电路增益变小,输入阻抗变大,输出阻抗不变,下线截止频率下降,上限截止频率提高这种变化符合原先的推理根据增益带宽积的概念,增益减小时,带宽变宽,但其乘积不变本实验中的侧力阿兵哥数据在一定范围内可认为满足总结来说,引入负反馈是牺牲增益以达到扩大带宽并且使电路更稳定和合理的目的
七、发挥实验内容自己设计注意事项
1、各仪器的地线应与电路的地相连接
2、稳压电源的输出电压应预先调到所需的电压值再接入实验电路中
3、若电路存在自激,可改变元件的接线位置或走向,并注意电解电容的极性
4、在测幅频特性时,随着频率升高,__发生器的输出幅度可能会下降,从而出现输入__Ui与输出__Uo同时下降的现象所以在实验中要经常测量输入电压值,使其维持5mV不变输出波形输入波形输出波形输入波形输出波形输入波形LOGfAu
197.5输出波形输入波形输出波形输入波形
230.4。