东南大学模电实验三 晶体管放大器分析与设计.docx
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东南大学模电实验三晶体管放大器分析与设计
实验三晶体管放大器分析与设计
实验目的:
1.熟悉仿真软件Multisim的使用,掌握基于Multisim的瞬态仿真方法;
2.熟悉POCKETLAB硬件实验平台,掌握基本功能的使用方法;
3.通过软件仿真和硬件实验验证,掌握晶体三极管放大器的分析和设计方法;
4.通过软件仿真和硬件实验验证,掌握场效应管放大器的分析和设计方法。
实验预习:
在图3-1所示电路中,双极型晶体管2N3904的β≈120,VBE(on)=0.7V。
根据实验二中的直流工作点,计算该单级放大器的电压增益Av,填入表3-1(CC1,CC2和CE均可视为短路电容)
图3-1.晶体三极管静态工作点分析电路
实验内容:
一.晶体三极管放大器仿真实验
1.根据图3-1所示电路,在Multisim中搭建晶体三极管2N3904单级放大电路。
加入峰峰值=50mV,频率=10kHz的正弦波。
仿真设置:
Simulate→Run。
结果查看:
采用Agilent示波器XSC1,查看输入、输出两路波形。
双击该器件,出现如图3-2所示的示波器界面。
调整2个通道的显示方式,将它们的波形显示出来,并采用如图所
指的测量工具,测试输入,输出波形的峰峰值,计算得到电压增益Av,填入表格3-1。
图3-2Multisim安捷伦示波器
表3-1:
晶体三极管放大器增益
计算值
仿真值
实测值
放大器增益AV
-17.935
-17.726
-16.95
2.变输入信号幅度峰峰值,取Vinpp=100mV,Vinpp=200mV,Vinpp=300mV,重新进行瞬态仿真和频谱分析,截取各输入条件下的输入输出波形图和频谱分析图,填入表3-2。
表3-2:
不同输入情况下的输入输出波形图。
瞬态波形图
频谱分析
Vinpp=50mV
瞬态波形图
频谱分析
Vinpp=100mV
瞬态波形图
频谱分析
Vinpp=200mV
瞬态波形图
频谱分析
Vinpp=300mV
思考题:
请说明不同输入情况下的输出波形有何差异,并尝试解释其原因。
解:
随着输入信号幅度峰峰值的增大,失真程度越来越大,非线性程度也越来越明显。
原因:
放大器的电压传输特性是非线性的,只有在小信号的变化范围内传输特性曲线可以近似看成一段直线,表明输入输出之间存在线性关系
3.取输入信号为Vinpp=100mV,在信号源上串联一个电阻表征信号源内阻,如图3-3所示。
取该电阻为50Ω、1kΩ和10kΩ重新进行仿真,截取不同电阻情况下的输入输出波形图,并估算源电压增益Avs,填入表3-3。
图3-3信号源内阻
表3-3:
不同信号源内阻的输入输出波形图。
源电压增益Avs=17.5
源电压增益Avs=16
源电压增益Avs=8.751
R=50Ω
R=1kΩ
R=10kΩ
思考题:
请说明不同源电阻情况下的电压增益的差异,并据此估算出晶体管放大器的内阻?
解:
源电阻越大,输出源电压增益越小。
17.5=Av[Ri/(50+Ri)]
16=Av[Ri/(1000+Ri)]
8.751=Av[Ri/(10000+Ri)]
故Ri=9.862kΩ
4.改变旁路电容CE1,将其接在节点2和地之间,重新仿真图3-1,观察到什么现象?
为什么?
改变输入信号幅度,重新获得不失真波形,并测得此时的电压增益,与原电压增益比较,得到何种结果?
请解释原因,并将两种增益值填入表3-4。
表3-4:
CE1不同接法时的放大器增益
CE1接于3-0
CE1接于2-0
电压增益Av
-17.77
-73.5
答:
Vpk=50mV(失真波形):
Vpk=20mV(波形不失真):
现象:
CE1接于2-0的电压增益明显大于CE1接于3-0
原因:
发射极旁路电容交流通路时,短路了发射极电阻,使得输出电阻大大减小,从而明显提高了电压增益。
同时由于放大器的电压传输特性是非线性的,故当信号进入非线性区域,产生波形失真。
二、晶体三极管放大器硬件实验
本实验采用POCKETLAB实验平台提供的直流+5V电源、信号发生器、直流电压表和示波器。
1.电路连接
首先根据图3-1在面包板上搭试电路,并将POCKETLAB的直流输出端+5V和GND与电路的电源、地节点连接;POCKETLAB的一路输出端作为电路的输入信号;POCKETLAB的一路输入端接电路输入信号端;另一路输入端接电路输出信号端,分别测试输入输出两路信号。
2.直流测试
在进行波形测试之前,请采用实验二的直流测试方法,使用POCKETLAB直流电压表测试各点直流电压,以确保电路搭试正确。
3.输入信号
在电脑中打开POCKETLAB的信号发生器界面,如图3-4所示,选择输入信号波形为正弦波,频率为5kHz,信号幅度为50mV,DCOffset=0V,两通道独立设置。
点击按钮Set,正弦波信号将输出到电路输入端。
图3-4信号发生器
4.交流波形测试
在电脑中打开POCKETLAB的示波器界面,如图3-5,选择合适的时间和电压刻度,显示三极管单端放大器的输入,输出波形。
并在窗口中直接读出其输入输出波形的峰峰值,获得其电压增益,填入表格3-1,比较计算值,仿真值和测试值是否一致。
图3-5示波器界面
三、场效应管放大器仿真实验
1.根据图3-6所示电路,在Multisim中搭建MOS管IRF510单级放大电路。
图3-6MOS管放大器2.对该电路进行直流工作点分析,完成表格3-5。
表3-5场效应管放大器直流工作点
仿真值
实测值
V1(V)
3.99999
0.007
V2(V)
148.36558m
0.008
V3(V)
2.77452
5.01
I(R3)(μA)
741.82789
0.000
3.加入峰峰值=100mV,频率=5kHz的正弦波,进行瞬态仿真,在示波器中查看波形,并将输入输出波形截图于图3-7,根据测量输入输出波形的峰峰值,求得该放大器增益为(-13.72)。
解:
检测电路连接无误,但实测波形出现失,原因未知,猜测电路原理图或者MOS管存在问题。
四、场效应管放大器硬件实验
重复第二项“晶体三极管放大器硬件实验”中的所有步骤,完成场效应管放大器IRF510的硬件实验,并将直流工作点测试结果填入表3-5。
将瞬态实测波形截图填入图3-7。
图3-8为IRF510引脚图。
图3-8IRF510的引脚图
实验思考:
1.将图3-1中的输出端改为节点2,使共射放大器变为共集放大器,查看输入,输出波形。
对比共射放大器的输入输出波形,理解波形中的相位对比变化。
由此可知,共射放大器是反相放大器;而共集放大器是同相且增益约为1放大器。
仿真波形:
实测波形:
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