实验三 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： 电子电路实验 第 3 次实验实验名称： 三极管放大电路设计 院 （系）： 吴健雄学院 专 业： 电类强化班 姓 名： 梅王智汇 学 号： 61012215 实 验 室: 101 实验组别： 同组人员： 实验时间：2014年 5 月 4 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

2、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 Min 45V 集电极-基极击穿电压VCEO Min 25V 集电极-发射极击穿电压VEBO Min 5V 发射极-基极击穿电压ICM 500mAhFE下降一半时的集电极电流称作ICMhFE 64-300 直流电压增益VCE(sat) MAX 0.6V 集电极-发射极饱和压降VBE

3、MAX 1.4V 基极-发射极正向电压fT Min 150MHZ 特征频率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：该偏置电路是分压偏置电路，利用R1，R2对电源电压进行了分压，保证了基极电压稳定为：。这样就为电路提供了稳定的工作点。就是当环境温度升高时，ICQIEQ增加，UEQ=IEQRE增大，由于UBQ的基本固定，UBEQ=UBQ-UEQ减小,又使IEQ减小，抑制ICQ增加，通过这样的自动调节就稳定了静态工作点。如果R1，R2取值过大，以至于接近输入电

4、阻Ri，就会导致流入基极的电流不可忽略，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： 为了提高增益，需要调节参数， 共发射极组态电路增益为： 共基级组态电路增益为： 共集电极组态电路增益为： 注意到通过调大共发射极组态电路的RC与负载RL可以获得更大的放大倍数增益，但是在调节RC的时候会增大其输出电阻，故应当适当调节。也可以通过引入正反馈的办法来提高电压增益，但是这会影响电路工作的稳定性，一般只用于整形和波形发生电路。(II) 实验中测量电压增益的时候

5、用到交流毫伏表，试问能否用万用表或示波器，为什么？答：不可以。输入电压信号非常小，为5MV左右，在示波器中显示出来的具有很大的干扰谐波，测量值也会跳动非常厉害。万用表，测量的误差也非常大。所以用交流毫伏表是最好的选择。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：根据，可知Ri = RS时，放大器可获得最大

6、功率。 当Ri << RS时，由于总的阻抗比较小，故可获较大电流。 当Ri >> RS时，由分压原理，放大器可获得较大电压。输入等效电路如下：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：若Rs太小，则UsUi，会导致电流过大，若Rs太大，则Ui会很小。所以为了保证器件的直流工作点，保证器件正常工作，所以Rs不能太大也不能太小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：答： 由

7、于该电路为共发射极放大电路 输入阻抗 由于基本不变，所以可以适当提高R1与R2的阻值。 或者计入电压串联负反馈，也可以增大输入电阻。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：由可知，当RO = RL时，负载从放大器获取最大功率；当RO << RL时，由分压原理，负载从放大器获取较大电压

8、；当RO >> RL时，由于总电阻较小，负载从放大器吸取较大电流。输出等效电路：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：输出电流 输出电压 要保证输出电流与输出电压都不能太小，负载电阻不能太大也不能太小。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：对于共发射极放大电路。其输出电阻是RC。所以要减小电路的输出阻抗，减小RC即可。或者加入电压串联负反馈也可减小输出阻抗。6. 计算图3-3中各

9、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2) 参数选择计算输入电阻，又， 其中IE取2mA，所以rbe约为2k，这样只要RB=R1/R2>1k，那么就可以满足Ri>1k 输出电阻Ro<RC,所以要符合Ro<3k，所以RC取3k 在此实验中，电容应当取得大一些，这样才能够使得下限频率低一些，均选用了10

10、0F。3) 仿真结果增益Au=Uo/Ui126符合要求通过波特仪观察幅频曲线，下限频率为33.4Hz上线频率为64.492Hz，符合要求。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：上限频率，其中CM为密勒电容，若要增大上限频率，可同比例增大RB，即同比例增大R1与R2。其中CM为密勒电容。所以为了增大上限截止频率，可以同比例地增大R1与R2. 下限频率 ， 所以为了减小下限频率，可以适当增大C1、C2、CE。8. 负反馈对放大器性能的影响答：1. 负反馈会减小电路的

11、放大倍数。2. 负反馈可以提高电路的稳定性。3. 负反馈可以扩展通频带。4. 负反馈可以减小非线性失真（反馈环内）。5. 负反馈对于输入输出电阻也有一定影响。6. 负反馈可抑制干扰与噪声。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a) 输入电阻由共源放大级决定，Ri=R2+R3/R4>1M；b) 输出电阻由共集放大级决定，其中Ro2R9，计算可得，Ro80c) 第一级共源放大级的增益Au1=-gm(R6/

12、Ri2) ，Ri2为第二级放大电路的输入电阻， Ri2=R7/R10/rbe2.2k，Au1-1.29；第二级共射放大级的增益Au2=-(R9/Ri3)/rbe，Ri3为第三级放大电路的输入电阻，Ri3=R8/R11/rbe+(1+)(R14/R16)13.2k，Au2-190；第三级共集放大级的增益0.98；故整个放大器的增益Au=Au1Au2Au3=240；3) 仿真结果注：由于仿真实验中选用场效应管与三极管与实际做实验的三极管的型号不一致，故导致放大倍数有较大差距，但仍可反映本电路三级放大的主要特点。CH1-输入CH2-UoCH3-Uo1CH4-Uo2三、实验内容1. 基本要求：图3-3

13、 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)1.622.622.6

14、00.8%UCQ(V)8.855.936.001.2%UEQ(V)1.022.002.000输入信号Ui=5mVUS(mV)5.155.155.140.2%UO(V)0.3220.5040.5254%UO (V)0.6560.9921.055.5%计算值UBEQ0.60.620.63.3%UCEQ7.833.934.001.8%Au64.4100.81054%Ri/k1.61.61.811%RO/k2.93.133.3%实验结果分析：由测量值与理论值的比较，发现大多数测量值与理论值误差在5%以内，基本吻合；输入电阻的误差达到了11% 由输入电阻 通过分析可知误差主要来自于以下几点原因1. 当U

15、s与Ui差量相当小时，只要rs测量稍有误差，对于输入电阻的测量影响就会相当大，而实验选用的rs的误差为5%金环电阻，故对输入电阻的测量影响较大；2. Us与Ui均为小信号，交流毫伏表的分度值为0.1mV/div测量本身就有误差；3. 计算所得输入电阻为估算得到，亦有一定误差；4. 三极管本身具有离散性，参数选择上有误差。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

16、真饱和失真完全饱和RW变化对失真的影响测量值UBQ(V)0.401.613.693.77Rw增大，易出现截止失真；Rw减小，易出现饱和失真；UCQ(V)10.18.23.353.17UEQ(V)0.011.253.013.10波形如下图如下图如下图如下图计算值ICQ(mA)633126728832943UBEQ0.390.360.680.67UCEQ10.16.950.340.07R1(k)5951294543.7注：在调节截止失真时需将100k滑动变阻器换成1M以达到需要的R1阻值；饱和失真截止失真注：Ui=20mV（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：当R1增大

17、时，UBQ减小，ICQIEQ=(UBQ-UBEQ)/RE减小，UEQ减小，UCQ=Vcc-ICQRC增大；静态工作点向下移，故易出现截止失真；当R1减小时，UBQ增大，ICQIEQ=(UBQ-UBEQ)/RE增大，UEQ增大，UCQ=Vcc-ICQRC减小；静态工作点向上移，故易出现饱和失真；波形与数据基本符合实验要求；综上所述，要使三极管放大电路得到不失真增益波形需要调节适当的静态工作点，既不能过大也不能过小。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

18、 ICQ= 2.91mA ，UOP-P = 2.56V 实验结果分析：当ICQ=2.91mA时，最大不失真输出电压Uop-p=2.56V，继续增大输入电压，则会使输出波形同时出现截至失真和饱和失真；因此ICQ=2.91mA为适中的静态工作点，在选择静态工作点时应选择ICQ=2.91mA，此时UBQ=3.5V，R1=68.3k；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

19、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=0.032f=10fH=970UO/V0.160.230.19Vi超前Vo = t/T 3600117.5120带宽BW = 980kHz 实验结果分析：下限频率为32Hz，上限频率为980kHz，带宽为980kHZ，符合要求 f=fL时的输入输出波形图：（探头增益为10x） 实验

20、结果分析：下限频率为32Hz，满足要求；输出电压，由于中频段的输出电压约为下限频率输出电压的 倍，故满足要求；在频率较小时，耦合电容无法忽略，故会产生一定的相移，与理论符合；f=fH时的输入输出波形图：（探头增益为10x） 实验结果分析：上限频率为980kHz，满足要求；输出电压，由于中频段的输出电压约为上限频率输出电压的 倍，故满足要求；在频率较高时，三极管极间电容无法忽略，故会产生一定的相移，并使增益下降，与理论符合；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>

21、;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)5.15.0950.1%UO1(V)6.26.453.9%UO2(V)1.151.236.5%UO(V)1.111

22、.207.5%UO (V)1.131.227.4%计算值Au2262405.8%Ri/k101910505%RO/918014%（1）设计过程设计过程：为了使输入电阻尽量大，输出电阻尽量小，故第一级为共源极放大电路，第二级为共射极放大电路，第三级为共集电极放大电路；参数计算：a) 输入电阻由共源放大级决定，Ri=R2+R3/R4>1M；b) 输出电阻由共集放大级决定，其中Ro2R9，计算可得，Ro80c) 第一级共源放大级的增益Au1=-gm(R6/Ri2) ，Ri2为第二级放大电路的输入电阻， Ri2=R7/R10/rbe2.2k，Au1-1.29；第二级共射放大级的增益Au2=-(R

23、9/Ri3)/rbe，Ri3为第三级放大电路的输入电阻，Ri3=R8/R11/rbe+(1+)(R14/R16)13.2k，Au2-190；第三级共集放大级的增益0.98；故整个放大器的增益Au=Au1Au2Au3=240；（2）双踪显示输入输出波形图： （3）实验结果分析：通过测量值与理论值的对比，测量值第一级放大倍数为1.24，第二级放大倍数为185，第三级放大倍数为0.96，均偏小；第一级为共源极放大电路，误差来源主要来源于第二级rbe的测量；在这里将值均设作140，造成一定误差；另外就是电阻本身示值的误差，在这里均采用5%误差的电阻，亦会造成一定误差；第二级的共发射极放大电路的误差来源于第二级与第三级rbe理论值计算的的误差，另外输入电压的不稳定也是造成误差的原因之一；第三级的共集电极放大电路的误差主要来源于rbe的理论计算，以及值的选取，必须先精确测量值在进行设计；总体而言误差还是在可以接受的范围内，在调解过程中曾经出现过失真，此时就需要综合调节三级放大电路，是静态工作点符合要求；（4）总结多级放大器的设计方法多级放大器的设计需考虑许多因素：第一，静态工作点的设置是首先需要考虑的对象，前一级的输入电压必须在后以及放大电路的不失真输入电压范围内；第二，相邻级的放大电路的输入或输出阻抗对于放大倍数也是有一定的影响，故在设计时应