单级电压放大电路设计.docx

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东南大学电工电子实验中心实验报告课程名称：电子电路实践第三次实验 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、安装和调试；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I1>>IBQ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）。 1、为了提高电路的稳定性，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（锗管）。2、电路的静态工作点电流，由于是小信号放大，所以ICQ一般取0.5~2mA。3、ICQ确定后通过以下公式可计算R1和R2的值：，。4、交流电压放大倍数。5、交流输入阻抗。6、交流输出阻抗。7、电路频率特性的下限频率值主要受C1，C2和CE影响，其关系分别为：，，。8、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：(a)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，保持输入信号幅度不变，改变输入信号频率，每改变一次信号频率，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信号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信号的幅度，一定要保证输入信号 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信号，刚开始输出信号幅度随着频率的增加而增加，当增加到某一个频率时，输出信号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：封装示意图：参数符号参数值参数意义及设计时应该如何考虑VCBOMin45V超过这个电压三极管就可能被击穿。在设计时需保证UCB，UCE，UEB在以上参数范围内以保证三极管正常工作。VCEOMin25VVEBOMin5VIC只有截止电流IcboIE只有截止电流IceohFE64~300直流电流增益VCE(sat)Max0.6V集电极-发射极饱和压降VBEMax1.4V基极-发射极正向电压fTMin150MHz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：分压偏置。由于R1、R2起到分压的作用，确保电路的静态工作点，从而使得Ic，Ib稳定。如果R1、R2取值过大，导致R1，R2电路中电流小，从而会影响到流入基极的电流，不稳定直流工作点。 1、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：一级放大器而言，共射和共基和放大倍数是相对较大的，但是缺陷是输出阻抗较大。共集基本没有放大作用，但是输出阻抗远小于共射和共基，在希望有较大的电压增益时一般不会采用。对于共射的增益由于β、是三极管本身参数而Rl是负载，都无法改变，因此可以通过适当增大Rc的方法增大增益。多级放大器级联可以利用共射、共基和共集各自的输入输出特性，组成级联放大电路，从而使得电路的特性达到最优化，但是具体的电路参数要根据实际的要求来决定。(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。原因是实验中所测的信号幅度都很小，而万用表和示波器测量时本身的信号干扰等误差是不可避免的，会导致信号有很大毛刺，想比较而言交流毫伏表测量的干扰就要小很多。2、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信号源功率的大小，设信号源内阻为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放大器从信号源获取较大电压Ri<>RS放大器从信号源获取最大功率答：Ri=RS放大器从信号源获取最大功率Ri<>RS放大器从信号源获取较大电压当Ri=RS，由于P=[Us/(Ri+Rs)]2Ri，此时P最大。当Ri<>RS，输入阻抗较大，由U=Us/(Ri+Rs)*Ri，此时分得电压较大。(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为什么串接电阻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：因为必须保证器件正常工作，所以放大器的输入电压电流等受到限制。(I)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3-1中放大电路的输入阻抗。答：由于分压式共射放大电路的输入阻抗Ri=R1//R2//rbe，其中rbe是三极管的本身属性无法改变，因此要增大输入阻抗，同时要保持静态工作点不变，可以适当的同比例增大R1、R2。1、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RO<>RL负载从放大器获取最大功率答：RO=RL，负载从放大器获取最大功率。RO<>RL，负载从放大器获取较大电压。原理与上面输入阻抗部分是一致的，只是将输出阻抗看成Rs，负载看成输入。(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为什么电阻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： ，。要保证这两个值都不太小，就必须保证Rl适中。若Rl过小则Uo会很小，若Rl过大则导致Io较小。(I)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3-1中放大电路的输出阻抗。答：由在后面串入一共集放大电路，减小输出阻抗。1、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：Au>50，Ri>1KΩ，RO<3KΩ，fL<100Hz，fH>100kHz（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。答：我们用SXT2907A代替。实际测得9013的bf为140，Multisim中查得SXT2907A的bf为100~300。经过测试，在信号源置零时，将RW调节至12.68kΩ时，Ic为2mA。此时的静态工作点测试如下：Uc=5.85V，Ub=2.70V，Ue=2.06V。在外加信号源的情况下： 当输入信号（Ui）有效值为5mV时，测得此时的电源电压Us和输出电压Uo分别为18.374mV和500.59mV。而如果输出开路，则测得开路电压Uo’为726.17mV。输入输出信号的波形如图所示：利用波特仪测得幅频特性曲线如图所示：1、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3-1中放大电路的上限频率，那些方法可以降低其下限频率。答：根据fH和fL表达式，增大的方法是减小R1和R2（同比例）。fL主要受C1、C2、CE的影响，，因此可以通过适当增大C1、C2、CE减小2、负反馈对放大器性能的影响答：在共射放大电路上增加负反馈之后，增益减小，但是其他性能都有所提高，如输入阻抗、 输出阻抗都会增大，另外能够增大带宽，并对噪声，干扰和温漂具有一定的抑制作用。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=2mA，测量静态时晶体管集电极—发射极之间电压UCEQ。记入表3-1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’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1.5mA和2.5mA，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(mA)1x(设计值)x=2测量值测量值理论值误差输入端接地UBQ(V)1.662.702.660.1.5%UCQ(V)8.925.856.002.50%UEQ(V)1.042.062.164.63%输入信号Ui=5mVUS(mV)5.548.388.551.99%UO(V)0.2780.5200.4926.10%UO’(V)0.5400.9730.9841.11%计算值UBEQ0.6210.6360.5027.2%UCEQ8.1864.1863.849.01%Au54.6101.498.52.94%Ri/kΩ8.525.232.133145%RO/kΩ2.942.7737.67%实验结果分析：误差分析：基本上误差还是在允许范围内，静态工作点部分可能存在一些的误差，误差主要在输入阻抗上，原因是在测量Us时已经有不小的误差，电阻并不是精密电阻，存在误差，利用Us和Ui计算Ri时又将这部分误差放大，导致最后得到的结果不太理想。实验结论：从两组数据的对比可以看到，静态工作点对输入输出阻抗，电压增益等参数都有非常大的影响，因此合理选择静态工作的重要性不言而喻。后面还会提到饱和失真和截止失真的问题，同样也跟静态工作点紧密联系。由三极管的Ic和Uce图像可知，三极管的静态工作点会影响三极管出现饱和失真和截止失真这两种情况，这也是我们在实验中所要关注的地方。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UBQ(V)0.5700.6003.403.84RW增大时容易出现截止失真，RW减小时容易出现饱和失真UCQ(V)11.810.23.883.20UEQ(V)60.9mv1.2002.763.16计算值ICQ(mA)00.532.892.936UBEQ(V)0.4200.5980.6590.654UCEQ(V)12.189.8030.2650.075R1(k)27590.422.321.7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：此时可以加大输入信号幅度）：图3饱和失真输入输出波形： 实验结果分析：由实验数据，可以发现静态工作点（这里指ICQ）升高时，容易出现饱和失真，而静态工作点Uce降低时，容易出现饱和失真。这里静态工作点的调节是通过调节R1实现的。而饱和失真和截止失真可以分别看成完全饱和与完全截止到放大区中间的过渡阶段。由理论知识可知，对于Uce与Ic关系图，iC=0时截止，iC=UCEQ/RC≈VCC/RC时饱和。而iC=IC+ic，因此如果IC较大，则加上正弦交流信号ic后iC上下的幅度都有所增加，最大值更容易达到VCC/RC而产生饱和失真，如果IC较小，则加上正弦交流信号ic后iC的最小值更容易达到0而产生截止失真。因此在选择静态工作点时，因尽量选在0~VCC/RC中间的位置。尽可能避免失真出现。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=2.34mA，UOP-P=5.82V 实验结果分析：当ICQ=2.34时，得到最大不失真输出UOP-P=5.82V，再增大输入信号源电压Us即同时出现饱和失真和截止失真。在选取静态工作点时，调节R1的值，应尽量选在这个值附近，以保证能够对比较大的信号进行放大而不出现失真。1、测量放大器幅频特性曲线调整ICQ=x(设计值)，保持Ui=5mV不变，改变信号频率，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。表3-3放大电路的幅频特性f/kHz0.10.20.51251030UO/mV319427480513519527528525f/kHz1003001000UO/mV518458237幅频特性曲线下限频率fL=160Hz上限频率fH=500kHz带宽BW=500kHz实验结果分析：由测得数据绘得的幅频特性曲线与理想曲线符合的较好。由于此时保持输入信号Ui=5mV，因此得到的输出电压有效值与Au是成正比的，当f=10kHz时，输出电压最大，即放大倍数最大，中频放大倍数在这附近取到。在f=160Hz和500kHz时的输出电压为中频输出电压的0.707倍左右，此时即下限频率和上限频率。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=146.16° f=fL时的输入输出波形图：实验结果分析：实际与理论的误差为34°左右，可见相位差减小。根据放大相量公式：，在低频f=fL情况，经过化简可得此时，相位提前，与实际情况相符。在下限频率时提前的相位应该是45°，实际测得的相位差偏小，可能是由于中频和下限频率的测量有偏差。a）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=213.84°f=fH时的输入输出波形图：实验结果分析：由图像我们可知，高频时的相位应该比180°落后45°。这里测得的与低频时提前的相 位很接近，可能是电容充放电问题，及噪声干扰导致中频区测量有问题，导致低频和高频的值都有偏差。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静态工作点测量ICQ=2mA时，测得静态工作点VEQ=2.260V，VBQ=2.594V，VCQ=5.98V。动态输入输出测量输入电压Ui为1kHz，有效值Ui为5mV时，测得电源电压US=6.85mV，UO=304mV，UO’=600mV。上限下限频率测量f/kHz0.080.10.20.30.51510UO/mV218239281292300304308309f/kHz301002005001000UO/mV308304288223136幅频特性曲线 根据以上数据，通过与基础部分同样的计算分析可得：电路的增益Vo=60.8输入阻抗Ri=8.11k输出阻抗Ro=3k下限频率fL=80Hz上限频率fH=480kHz带宽BW=560kHz实验结果分析：实验结果与理论相符合，在增加负反馈之后，电路的增益减小，同时输入阻抗输出阻抗都有所增大。下限频率减小，上限频率增大，从而带宽增大。引入电压串联负反馈，相应地提升了输入输出阻抗和带宽，但是代价就是减小了增益。其他对电路的修改也都有类似的变化，我们需要熟知各个模块的特点与其应用的地方，但更重要的是要根据实际情况的需要相应的设置电路，改变设计的参数，达到电路所要求的性能特点。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，信号发生器的输出幅度可能会下降，从而出现输入信号Ui与输出信号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。