单管放大电路实验报告-王剑晓

./单管放大电路实验报告电03王剑晓2010010929单管放大电路报告实验目的掌握放大电路直流工作点的调整与测量方法；掌握放大电路主要性能指标的测量方法；了解直流工作点对放大电路动态特性的影响；掌握发射极负反馈电阻对放大电路动态特性的影响；掌握信号源阻RS对放大电路频带〔上下截止频率的影响；实验电路与实验原理实验电路如课本P77所示。图中可变电阻RW是为调节晶体管静态工作点而设置的。静态工作点的估算与调整；将图中基极偏置电路VCC、RB1、RB2用戴维南定理等效成电压源,得到直流通路,如下图1.2所示。其开路电压VBB和阻RB分别为：VBB=RB2/<RB1+RB2>*VCC;RB=RB1//RB2;所以由输入特性可得：VBB=RBIBQ+UBEQ+<RE1+RE2><1+Β>IBQ;即：IBQ=〔VBB-UBEQ/[Β<RE1+RE2>+RB];因此,由晶体管特性可知：ICQ=ΒIBQ；由输出回路知：VCC=RCICQ+UCEQ+<RE1+RE2>IEQ;整理得：UCEQ=VCC-<RE1+RE2+RC>ICQ；分析：当Rw变化〔以下以增大为例时,RB1增大,RB增大,IBQ减小；ICQ减小；UCEQ增大,但需要防止出现顶部失真；若Rw减小变化相反,需要考虑底部失真〔截止失真；放大电路的电压增益、输入电阻和输出电阻做出电路的交流微变等效模型：则：电压增益Ai=UO/Ui=-ß〔RC//RL/rbe;输入电阻Ri=RB1//RB2//rbe；输出电阻RO=RC;其中rbe=rbb’+<1+ß>UT/IEQ,体现了直流工作点对动态特性的影响；分析：当RC、RL选定后,电压增益主要决定于rbe,受到IEQ,即直流工作点的影响。由上面对直流工作点的分析可知,Rw变化〔以下以增大为例时ICQ减小,那么rbe增大,电压增益Ai减小,输入电阻Ri增大,输出电阻RO基本不变,与直流无关；如果将发射极旁路电容CE改为与RE2并联,RE1成为交流负反馈电阻,电路的动态参数分别变为电压增益Ai=UO/Ui=-ß〔RC//RL/[rbe+<1+ß>RE1];输入电阻Ri=RB1//RB2/[rbe+<1+ß>RE1]；输出电阻RO=RC;分析：此时电压增益Ai减小〔RE1影响了放大倍数,此时如果有rbe<<<1+ß>RE1,则Ai=〔RC//RL/RE1,实现了稳定；输入电阻Ri增大〔使得更多的输入信号被放大,输出电阻RO基本不变；Rw变化〔以下以增大为例时ICQ减小,那么rbe增大,电压增益Ai仍然减小,输入电阻Ri增大,输出电阻RO基本不变,与直流无关；放大电路电压增益的幅频特性和频带放大电路一般含有电抗,使得电路对不同频率的信号具有不同的放大能力,即电压增益是频率的函数。电压增益的大小与频率的函数关系即是幅频特性。需要注意的是：测量放大电路的动态指标必须在波形不失真的条件下进行,因此输入信号不能太大,实验中一般使用示波器监视输出信号的波形。三、实验容与扩展容工作点的调整；调节Rw,分别使ICQ=1mA和2mA,测量VCEQ的值；工作点对放大电路的动态特性的影响；在ICQ=1mA和2mA时,测量电压放大倍数、幅频特性〔只测上下截止频率、输入电阻、输出电阻。其中输入正弦电压信号Vi的幅度为5mV,频率为1kHz。射极负反馈电阻对动态特性的影响；〔扩展容如果将发射极旁路电容CE改为与RE2并联,RE1成为交流负反馈电阻,在ICQ=1mA时,测量电压放大倍数、幅频特性〔只测上下截止频率、输入电阻、输出电阻,总结射极负反馈电阻对电路动态特性的影响；注意事项：实验中要将直流电源、信号源、示波器等电子仪器和实验线路接地,以免引起干扰；电路性能指标的测试要在输出电压波形不失真和没有明显干扰的情况下进行；仿真〔仿真报告请见文档"仿真报告"仿真电路图见《电子电路实验》p77图3.1"单管共发射极放大电路"。其中RS＝0,为实验室所用信号发生器的阻。与器件盒中的器件参数相匹配。2Multisim7中的元件选择三极管选用实际元件,型号为MRF9011L,将模型参数中的β〔即BF改为212；其它元件都选用虚拟器件。仿真容a.静态工作点在ICQ=1mA和2mA时,测量VCEQ的值,并记录RB1的值。RB1可选用Multisim中的"VirtualLinearPotentiometer"元件。b.动态特性仿真在ICQ=1mA和2mA时,测量电压放大倍数和幅频特性。其中输入正弦电压信号Vi的幅度为5mV,频率为1kHz。六、仿真心得：1在仿真进行过程中,应保持RW的值不变；2RW的量程要为100kΩ；3新接入万用表后,对电流和电压是有影响的,也就是会产生误差；4看清楚要对谁测量,提前做好测量准备,以免测量时出现遗漏或差错；〔一预习报告1、预习计算晶体管的主要参数为：B=260,VBE=0.7V,rbb’=10欧,fT=300MHz,Cb’c=1pF,计算实验地那路的主要性能指标,以备与实验测试结果进行分析比较。〔1首先计算直流状态下的ICQ、UCEQ以及此时的Rw：IBQ=<VBB-UBEQ>/<RB+<I+ß><RE1+RE2>>UCEQ=VCC-ICQ<RC+RE1+RE2>ICQ=1mA时,IBQ=ICQ/ß=1/260mA;带入,解得RB1=77.170kΩ;此时,UCEQ=7.495VICQ=2mA时,IBQ=ICQ/ß=2/260mA;带入,解得RB1=41.357kΩ;此时,UCEQ=2.991V〔2其次,计算各交流量：电压放大倍数AU、输入电阻Ri、输出电阻RO：<1>ICQ=1mA时,RB1=77.170KΩ；此时rbe=rbb’+UT/IBQ=0.010+26*0.26=6.86KΩ；电压放大倍数为：AU=UO/Ui=-ß<RC//RL>/rbe=-75.94;输入电阻Ri=RB1//RB2//rbe=4.44kΩ;输出电阻RO=RC=3.3kΩ;<2>ICQ=2mA时,RB1=41.357KΩ；此时rbe=rbb’+UT/IBQ=0.01+26*0.26/2=3.39KΩ；电压放大倍数为：AU=UO/Ui=-ß<RC//RL>/rbe=-153.666;输入电阻Ri=RB1//RB2//rbe=2.59kΩ;输出电阻RO=RC=3.3kΩ;2、主要实验步骤实验数据表格〔1测量直流工作点ICQmARw/ΩUCEQ/V12〔2测量计算电压放大倍数ICQ/mARw/ΩUi/VUO/VAU12〔3测量计算输入电阻RiICQ/mAUo/V〔断开R1Uo’/V〔接入R1Ri=Uo’/<Uo-Uo’>/Ω12〔4测量计算输出电阻ROICQ/mA开路时UOC/V接通时UOC’/VRO/V12〔5测量频带ICQ/mAUoUo/√2上限fH/Hz下限fL/Hz12<6>提高要求——有负反馈的情况〔只测当ICQ=1.0mA的情况ICQ/mAUCEQ/VUO/VUI/VAURO/ΩRI/ΩfH/HzfL/Hz主要实验步骤：测量ß：测量直流工作点：用万用表测量集电极对地电压使之为8.4V〔ICQ=1mA时,UC=12V-3.6V=8.4V和4.8V〔ICQ=2mA时,UC=12V-3.6V*2=4.8V；记录下此时的Rw；并测量UCEQ；测量动态特性：电压放大倍数：将输入电压、输出电压分别加在示波器两输入端,调节Rw的值分别为上步骤中记录的值,测量Ui、UO的峰值,相比后得到AU；测量输入电阻Ri：在输入端串联R1=3.6kΩ,调节Rw的值分别为上步骤中记录的值,测量输出电压Uo、Uo’；由公式Ri=Uo’/<Uo-Uo’>即可计算Ri；测量输出电阻RO:在输出端串联R2=4.7kΩ,调节Rw的值分别为上步骤中记录的值,测量输出电压Uo、Uo’；由公式RO=〔UOC/UOC’-1*R2即可计算RO；测量频带：调节Rw的值分别为上步骤中记录的值,保持输入电压为近似5mV不变,分别向上、向下调节函数信号发生器的频率,测量输出电压的幅值使之为5mV*AU/√2,读取此时的频率,记录。〔二终结报告1、实验数据记录、处理及分析1数据记录、处理〔1测量β值实验中利用学习机和示波器测得MRF9011L的输出特性曲线,测得,小与理论值的260。〔2测量直流工作点ICQmARw/ΩUCEQ/V150.9k7.38222.1k2.88〔3测量计算电压放大倍数ICQ/mARw/ΩUi/VUO/VAU158.5k5.00m0.343168.62219.2k5.00m0.6532130.65测量计算输入电阻RiICQ/mAUo/V〔断开R1Uo’/V〔接入R1Ri=Uo’/<Uo-Uo’>/Ω15.00m4.01m4.05k25.00m3.63m2.65k〔5测量计算输出电阻RO〔实际输出端串联电阻为5.1kΩICQ/mA开路时UOC/V接通时UOC’/VRO/V10.63800.4042.95k21.11220.7022.98k〔6测量频带ICQ/mAUo/VUo/√2/V上限fH/Hz下限fL/Hz10.4100.30001.8730M134.220.7080.50061.3560M224.4〔7提高要求——有负反馈的情况〔只测当ICQ=1.0mA的情况ICQ/mAUCEQ/VUO/VUI/VAURO/ΩRI/ΩfH/HzfL/Hz17.3845.40m5.00m-9.083.28k10.79k25.43.214M注：该提高要由王剑晓同学在课堂上完成,但由于当时未能完成全部的数据处理,因此未经任老师批准,只将部分处理好的数据以及原始数据交给助教老师过目。2数据分析通过理论估算与仿真结果,我们来进行实验结果的对比分析。理论计算根据测量结果,ß=212首先计算直流状态下的ICQ、UCEQ以及此时的RwIBQ=<VBB-UBEQ>/<RB+<I+ß><RE1+RE2>>UCEQ=VCC-ICQ<RC+RE1+RE2>ICQ=1mA时,IBQ=ICQ/ß=1/212mA;带入解得RB1=79.74kΩ;此时,UCEQ=7.50V.ICQ=2mA时,IBQ=ICQ/ß=2/212mA;带入解得RB1=43.07kΩ;此时,UCEQ=3.00V.其次,计算各交流量：电压放大倍数AU、输入电阻Ri、输出电阻RO：ICQ=1mA时,RB1=79.74KΩ；此时rbe=rbb’+UT/IBQ=10+26*212=5.52KΩ；电压放大倍数为：AU=UO/Ui=-ß<RC//RL>/rbe=-76.95;输入电阻Ri=RB1//RB2//rbe=3.84kΩ;输出电阻RO=RC=3.3kΩ;ICQ=2mA时,RB1=43.07KΩ；此时rbe=rbb’+UT/IBQ=10+26*212/2=2.77KΩ；电压放大倍数为：AU=UO/Ui=-ß<RC//RL>/rbe=-153.34;输入电阻Ri=RB1//RB2//rbe=2.22kΩ;输出电阻RO=RC=3.3kΩ;提高要求：〔ICQ=1mA此时RB1=79.74KΩ,rbe=5.52KΩ；电压放大倍数为：AU=UO/Ui=-ß<RC//RL>/〔〔1+ß*RE1+rbe=-8.83输入电阻Ri=RB1//RB2//〔rbe+〔1+ß*RE1=10.00KΩ；输出电阻RO=RC=3.3kΩ;〔2理论值、仿真值、实验值的对比表格如下①ICQ=1mA时：Rw/kΩUCEQ/VAURi/kΩRO/kΩfL/HZfH/HZ理论值59.77.50-76.953.843.30\\仿真值55.07.53-71.884.543.09130.881.3M实验值58.57.38-68.624.052.95134.21.873M②ICQ=2mA时:Rw/kΩUCEQ/VAURi/kΩRO/kΩfLfH理论值23.073.00-153.342.223.30\\仿真值20.03.01-131.682.572.89239.175.312M实验值19.22.88-130.652.652.98224.41.356M③提高要求〔ICQ=1mA：Rw/kΩUCEQ/VAURi/kΩRO/kΩfLfH理论值59.77.50-8.8310.03.30\\仿真值55.07.53-8.7610.313.2718.4153.66M实验值58.57.38-9.0810.793.2825.43.214M从数据直观看：大多数实验数据相比仿真值比相对理论值更相近,说明实际电路较理论更复杂,其各量的影响因素更多。3>下面对仿真、实验所造成的误差进行分析：所需参数的求解公式：①电压放大倍数为：AU=UO/Ui=-ß<RC//RL>/rbe;②输入电阻Ri=RB1//RB2//rbe;③输出电阻RO=RC；理论值的误差：由于理论计算时的等效模型是中频等效模型,忽略了耦合电容和极间电容的影响,因而造成理论计算的误差。由于CE使RE1+RE2的等效值变大。VBB=RB2/<RB1+RB2>*VCC;VBB基本不变；RB=RB1//RB2;RB基本不变；IBQ=〔VBB-UBEQ/[β<RE1+RE2>+RB];IBQ减小；ICQ=βIBQ；ICQ减小；UCEQ=VCC-<RE1+RE2+RC>ICQ；UCEQ不定；注意：上述分析忽略了C1\C2和极间电容的影响,虽然误差小了一些,但是具体来说仍是不准确的。〔2理论值与仿真值：在误差允许围,仿真的输入输出电阻普遍小于理论值,而电压放大倍数偏小。原因：由于并联在电阻两端的极间电容的影响,造成输入电流偏大,输入电阻Ri将偏小,输出电阻RO也将偏小,同时由于耦合电容组成高通网络,使得电压放大倍数AU将偏小。〔3理论值与实验值：在误差允许围,实验中的输入电阻值比理论值偏大,但是输出电阻和电压放大倍数偏小。原因：输入电阻偏大,有着多方面的原因。存在系统误差与偶然误差。同时由于耦合电容和旁路电容的存在将导致输入电流偏小,所以输入电阻偏大。电压放大倍数偏小的原因同上；下面分析输出电阻偏小的可能原因：可能由于晶体管的极间电阻rce相对于Rc和RL相差不大,不能忽略；如果忽略,则相当于少了一个并联的电阻,故理论值相对比较的大。比较有负反馈和无负反馈电阻时的幅频特性,可见无反馈情况下的频带宽度BW小于有反馈时的频带宽度。根据负反馈的特性,增益下降的同时应该有频带展宽,即有负反馈时的BW应远大于无负反馈时的BW。可见实验结论与理论有差距。经分析,其原因可能是由于示波器的×10档探头的截止频率约为2-3MHz左右,因此由于探头的频率限制,可能造成误差。〔4仿真值与实验值：相比理论值,实验值与仿真值更为接近,但是由于实验中很多未知因素的影响使得实验值与仿真值还有一定的误差。原因：由于具体实验中的分布电容和耦合电容与仿真工具中的器件参数不同,再考虑上温度和实验室环境的影响以及操作中的误差,导致fL偏大,同样极间电容、测量工具的限制等因素也影响着fH,导致其偏小。综上所述,实验值、理论值和仿真值都存在一定的误差。总结误差产生的原因：〔1实验仪器的误差测上限截止频率时,会受到示波器中电容等部元件的影响,并且由于示波器分辨率的问题导致数据不准确,此外频率信号发生器也会给电路带来影响；用数字万用表测电阻以及静态工作点时,也会带入仪器误差；〔2三极管参数的误差由于实际晶体管和仿真及计算所用的器件参数不完全一致,性能不能替代,特别是估算动态电阻时,因此在静态电流的状态下,实验值与理论的差别较大；〔3实际电路中电容的影响实验电路中所用的旁路电容有22uF,仿真