东南大学_吴健雄学院_模电实验_三极管放大电路设计.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流东南大学_吴健雄学院_模电实验_三极管放大电路设计.精品文档.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 3 次实验实验名称： 三极管放大电路设计 院 （系）： 吴健雄 专 业： 电强化 姓 名： 学 号： 实 验 室: 104 实验组别： / 同组人员： / 实验时间： 14年05月06日 评定成绩： 审阅教师： 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VCBO40V (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。VCEO30V (额)集电极发射极电压。同上。VEBO5V (额)发射极基极电压。同上。ICM500mA (额)集电极电流。同上。hFE96246直流增益。VCE(sat)0.25V集电极发射极饱和压降。VBE1V基极发射极正向电压。fT140MHz特征频率。注：额表示Absolute maximum ratings，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： 图3-1偏置电路名称：分压式偏置电路。 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。 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。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：提高电压增益的方法：从增益的公式来看，可以通过提高值与Rc、减小rbe值来提高增益，但各有其弊端。提高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Ri << RS放大器从信号源吸取较大电流Ri >> RS放大器从信号源获取最大功率 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。 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 RO << RL负载从放大器吸取较大电流 RO >> RL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。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=3K，RS=1K， T为9013指标要求：Au>50，Ri>1 K，RO<3K，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。1) 仿真原理图Multisim仿真电路图：2) 参数选择计算设UBEQ=0.7V，=100。其中ICQ最好取2mA。令UBQ=5.7V，UEQ=5V，又ICQ=2mAIEQ，RE=UEQ/ICQ=2.5k，取RE=2k+510。rbb=200，rbe1.5k。取Rc=2k。RL= Rc|RL=1.2 k。R1=14.7 k，R2=6.8k。Au=-(Rc|RL)/rbe=80>50Ri=R1|R2|rbe=1.134 k>1 kRo=Rc=2k<3k满足要求。其中电容尽量取大。3) 仿真结果7. 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,Cbc 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=1K，T为9013要求满足以下指标：| Au |>100，Ri>1 K，RO<1001) 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/RG2>1M，取RG3=2M。令UGQ=5V，则RG1=270k，RG2=200k。若IDQ=2mA，UGSQ=2.2V，USQ=2.8V，Rs1.4k，可取Rs=2k，相应的可取RD=2k，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gm2.24，Au2.8。第二级目的在于放大：UB2Q=2.5V，取RB1=20k，RB2=5.1k。IE2Q=0.5mA，RE=3.3k，Rc=6.8。第三级目的在于减小输出电阻：UB3Q=8.6V，ICQ=2mA，图中R63.65k取3.3k，负载RA取4.7 k。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47F、100F。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1. 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。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/k5.043.3843.462.2%RO/k1.9871.93941.9500.54%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： 完全截止 截止失真 饱和失真 完全饱和（实验提示：测量截止失真波形时可以加大输入信号幅度）实验结果分析：在以上失真波形中我只调节了Rw的值，输入信号幅度没改变。通过调节Rw的值使得静态工作点改变，Rw越小静态工作点越高，反映在输出波形上，波形越容易出现底部失真，即饱和失真；反之，Rw越大静态工作点越低，越容易出现截止失真。在计算时，我设的R1=14.7k，实际调节时，可保留R1=4.7k，串入电位器；此外，必要的话，将4.7k去掉直接用电位器代替。和之前的相联系，要求在输出信号基本不失真时读数就是为了保证电路的静态工作点设置合理。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= 2mA ，UOP-P = 1.88V 此时输入信号有效值为Ui_rms = 35mV实验图如下：实验结果分析：波形产生失真的原因可能有多种，可能是由于工作点设置不合理过高或过低，而产生饱和失真或截止失真，如前一内容所测波形。在静态工作点设置合理的情况下，如果输入信号幅度过大仍然会导致波形失真，本内容即在这种情况下测定最大不失真输出电压。4) 测量放大器幅频特性曲线 （1）使用扫频仪测出放大器的幅频特性曲线并记录曲线，读出下限频率fL、上限频率fH。（2）调整ICQ=2mA，保持Ui=5mV不变，完成以下内容，计入表3-3中：(I) 参考（1）中测得曲线，分别在低频区（取fL）、中频区（任取）和高频区（取fH）各取一点测量UO值，记录下限频率fL、上限频率fH，计算带宽BW。(II) 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；(III) 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。表3-3 放大电路的幅频特性f/kHzfL=53.0Hzf=3.8kHzfH=132kHzUO/V0.240.3650.413Vi超前Vo = t/T 3600108.87°190.08°带宽BW = 132kHz 实验结果分析：与我的仿真结果相比，下限频率有所减小，而上限频率却大大降低，不排除在扫频仪上下限频率读的不准的情况，测出上限频率=132kHz却让人难以理解，观察数据，发现在此频率下输出信号幅度并没有衰减，可以判断此时并非在上限频率附近，即上限频率测定值错误。（可是为什么扫频仪显示的是132kHz？）理论上Vi相位应超前Vo相位180°，实际上在上限截止频率出有附加相移约10°，在下限频率处附加相移表现得更为明显，在中频区相移基本稳定在180°，体现了电路的频率响应。波特图： f=fL时的输入输出波形图： 实验结果分析：测出此时Uo=240mV，与理论输出电压相Uo=385mV比有明显衰减，240/385=0.623，这说明fL=53Hz的确在下限频率点附近。本次测定是正确的。f=fH时的输入输出波形图： 实验结果分析：此时虽有附加相移，但从幅度角度分析，幅度并未衰减，甚至有所增加，增加量可以是输入端的噪声干扰引起的，则可推断出信号幅值并未衰减，说明132kHz不在上限频率附近，测定出的fH值是错的，但这个结果为什么错我尚不能解决。2提高要求1）设计一个分别由共源（CS）、共射（CE）和共集（CC）构成的三级放大电路，要求满足以下指标：（设共源、共射和共集的输出电压分别为UO1、UO2和UO）Au>100，Ri>1M，RO<100。写出具体设计过程，计算电路参数以及Au、Ri和RO 的理论值。设置合适的静态工作点，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，用示波器双踪显示Ui、Uo的波形，在输出波形不失真的情况下，记录波形，测量US、UO和UO（负载开路时输出电压）并计入表3-4中。根据测量结果计算放大器的Au、Ri、Ro，与理论值比较。表3-4 多级放大器技术指标测量测量值理论值误差输入信号Ui=5mVUS(mV)5.75.248.78%UO1(V)7.34m10.75m31.7%UO2(V)58567713.6%UO(V)56067216.7%UO (V)58468514.6%计算值Au112135.4217%Ri/k714211566.2%RO/4613.82.3（1）设计过程由于本次实验结果与仿真几乎完全一致，无致命错误，设计方案正确。设计过程详见预习部分仿真参数选取与电路设计。（2）双踪显示输入输出波形图：第一级放大：第二级放大：第三级放大（最终输出）：无负载时输出：（3）实验结果分析：计算时取=80，rbb=200，IDSS=10mA，UGS(off)= -4V。计算结果均列于表中，有些值误差过大的原因可能是由上述参数取值与实际参数不符导致的，也有的由于没加负反馈时温漂、噪声等干扰过大导致后级输出误差进一步扩大。（4）总结多级放大器的设计方法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，最后一级共集放大用于减小输出电阻。级数更多的放大电路，处于中间的电路往往用于放大，这要视具体情况而定。只要确定各级电路的主要功能进行设计即可，要注意各级之间的耦合方式，常用阻容耦合与直接耦合方式，阻容耦合级与级间静态工作点相互独立，而直接耦合时静态工作点相互影响。此外，还要注意电路的频率响应，保证输入信号处于中频区，不能有所衰减。电路中的电容要根据输入信号的频率而定，为了保证输入交流信号时电容相当于短路，低频时电容往往取得较大。2）采用电压串联负反馈电路，分析负反馈对输入电阻、输出电阻及放大倍数的影响。采用负反馈放大电路，我用的方法是，在场效应管源极与VT3的射极间接一串联的电阻与电容，电容C=100F，Rf为负反馈电阻。同时要把与Rs并联的电容去掉。放大电路Af=A/(1+AF)，当1+AF>>1，Af1/F。实际上电路并不能满足这一条件，因而接入反馈电路后输出信号幅度大幅度减小。当Rf=200 k，输出Uo=60mV图如下：当Rf=200k，输出Uo=24mV图如下：四、总结与感想本次实验电路设计耗费较多时间，主要是我参数选择的问题，开始时仿真输出波形不正确，前前后后修改了多次，最后终于得到正确结果。参数选择考虑静态工作点，三极管的Rc、RE取过大则集电极电流过小，三极管不能正常工作，自然不能将输入信号放大。初始设计时我的第二级电路不能正常放大，因为我的Rc取值过大。第一级RG1、RG2取值较大，影响静态工作点，保证比例关系对就行了，电阻大一点功耗会减小。源电压内阻Rss要与输入电阻Ri相当，即不能像基础部分那样取50这个量级的，我取的是Rss=100k。之前我取过50，这种情况下，Us与Ui值几乎一样，有时受到干扰时Ui甚至比Us还要大，这明显不符合要求，输入电阻也无法计算。在更换为100k后有了明显改善Us与Ui有一定差值，可输入波形显示在示波器上却更不稳定了，另一问题是，在计算过程中发现噪声干扰依旧很大，只能寻求通过加负反馈方式解决。如上面的波形图所示，信号中存在高频干扰，要在输入端与地端接一电容把高频噪声滤掉，可是实际我做的时候，高频噪声并没有滤掉，信号干扰依然很大，有较多毛刺。另一我没有解决的问题在基础部分，在前面我已提及，即波特图测得的上限频率不正确的问题。负反馈部分，实验所得结果并未像理想状况那样，比没有反馈时稳定抗干扰能力强信号，但幅度略有减小，这是因为实际电路并不满足1+AF>>1，所以加了负反馈后输出信号幅度大幅减小，但按Af=A/(1+AF)来计算，信号的幅度是符合要求的。总体来说，我觉得这次实验的设计并不难，主要是参数选择的计算比较繁琐，若参数选择不当会导致输出波形失真或者甚至无法放大；设计时要把放大倍数设置的相对高一点，电路中难免有损耗。在实际搭电路过程中没有出现错误，可以说是一次成功，但对概念理解方面还有欠缺。五、附图基础部分： By SaVy提高部分：