信息工程系课程实验报告规范放大电路讲解文档格式.docx
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福建农林大学计算机与信息学院信息工程类实验报告
信息工程专业:
电子信息年级:
2006级
姓名:
学号:
实验课程:
低频电子
实验室号:
_______实验设备号:
实验时间:
指导教师签字:
成绩:
1.实验目的和要求
(1)掌握放大器静态工作点的调试方法,学会分析静态工作点对放大器性能的影响。
(2)掌握放大器电压放大倍数、输入电阻、输出电阻及最大不失真输出电压的测试方法。
(3)熟悉常用电子仪器及模拟电路实验设备的使用。
2.实验原理
1、放大器静态指标的测试
图1
图1为电阻分压式工作点稳定单管放大器实验电路图。
它的偏置电路采用RB2和RB1组成的分压电路,并在发射极中接有电阻RE,以稳定放大器的静态工作点。
当在放大器的输入端加入输入信号Ui后,在放大器的输出端便可得到一个与Ui相位相反,幅值被放大了的输出信号U0,从而实现了电压放大。
在图1电路中,当流过偏置电阻RB1和RB2的电流远大于晶体管T的基极电流IB时(一般5~10倍),则它的静态工作点可用下式估算,VCC为供电电源,此为+12V。
(1)
(2)
(3)
电压放大倍数
(4)
输入电阻
(5)
输出电阻
(6)
测量放大器的静态工作点,应在输入信号Ui=0的情况下进行,即将放大器输入端与地端短接,然后选用量程合适的数字万用表,分别测量晶体管的集电极电流IC以及各电极对地的电位UB、UC和UE。
一般实验中,为了避免断开集电极,所以采用测量电压,然后算出IC的方法,例如,只要测出UE,
即可用算出IC。
(也可根据
,由UC确定IC),同时也能算出。
放大器静态工作点的调试是指对三极管集电极电流IC(或UCE)调整与测试。
静态工作点是否合适,对放大器的性能和输出波形都有很大的影响。
如工作点偏高,放大器在加入交流信号以后易产生饱和失真,如工作点偏低则易产生截止失真。
如须满足较大信号的要求,静态工作点最好尽量靠近交流负载线的中点。
改变电路参数UCC,RC,RB(RB1,RB2)都会引起静态工作点的变化。
2、放大器动态指标测试
放大器动态指标测试包括电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真输出电压(动态范围)和通频带等。
1)电压放大倍数AV的测量
调整放大器到合适的静态工作点,然后加入输入电压ui,在输出电压uo不失真的情况下,用交流毫伏表测出ui和uo的有效值Ui和Uo,则
AV=
(7)
2)输入电阻Ri的测量
为了测量放大器的输入电阻,按图2电路在被测放大器的输入端与信号源之间串入一已知电阻R,在放大器正常工作的情况下,用交流毫伏表测出US和Ui,则根据输入电阻的定义可得。
图2
R
=
(8)
3)输出电阻RO的测量
按图1-4电路,在放大器正常工作条件下,测出输出端不接负载RL的输出电压UO和接入负载后输出电压UL,根据
U
(9)
即可求出RO
RO=(
)R
(10)
4)最大不失真输出电压UOPP的测量(最大动态范围)
为了得到最大动态范围,应将静态工作点调在交流负载线的中点。
在放大器正常工作情况下,逐步增大输入信号的幅度,并同时调节RW(改变静态工作点),用示波器观察uo,当输出波形同时出现削底和缩顶现象(如图1-5)时,说明静态工作点已调在交流负载线的中点。
然后反复调整输入信号,使波形输出幅度最大,且无明显失真时,用交流毫伏表测出UO(有效值),则动态范围等于2
UO。
或用示波器直接读出UOPP来。
3.主要仪器设备(实验用的软硬件环境)
(1)双踪示波器
(2)万用表
(3)交流毫伏表
(4)信号发生器
4.操作方法与实验步骤
按下述方法连线
图3
在实验箱的晶体管系列模块中,如图3所示,按图1所示连接电路:
DTP5作为信号Ui的输入端,DTP4(电容的正级)连接到DTP26(三极管基极),DTP26连接到DTP57,DTP63连接到DTP64(或任何GND),DTP26连接到DTP47(或任何10K电阻),再由DTP48连接到100K电位器(RW)的“1”端,“2”端和“3”端相连连接到DTP31,DTP27(三极管射极)连接到DTP51,DTP27连接到DTP59(或DTP60),DTP24连接到DTP32(或DTP33),DTP25先不接开路,最后把电源部分的+12V连接到DTP31。
5.实验内容及实验数据记录
(1)测量静态工作点
静态工作点测量条件:
输入接地即使Ui=0.
在步骤1连线基础上,DTP5接地(即Ui=0),打开直流开关,调节RW,使IC=2.0mA(即UE=2.4V),用万用表测量UB、UE、UC、RB2值。
记入表1。
表1IC=2.0mA
测量值
计算值
UB(V)
UE(V)
UC(V)
RB2(KΩ)
UBE(V)
UCE(V)
IC(mA)
3.03
2.4
7.65
75.9k
0.64
5.25
(2)测量电压放大倍数
调节一个频率为1KHz、峰峰值为50mV的正弦波作为输入信号Ui。
断开DTP5接地的线,把输入信号连接到DTP5,同时用双踪示波器观察放大器输入电压Ui(DTP5处)和输出电压Uo(DTP25处)的波形,在Uo波形不失真的条件下用毫伏表测量下述三种情况下(1.不变实验电路时;
2.把DTP32和DTP33用连接线相连时;
3.断开DTP32和DTP33连接线,DTP25连接到DTP52时)的Uo值(DTP25处),并用双踪示波器观察Uo和Ui的相位关系,记入表2。
表2IC=2.0mAUi=17.7mV(有效值)
RC(KΩ)
RL(KΩ)
U0(V)
AV
观察记录一组U0和Ui波形
∞
0.84
47.5
1.2
0.46
26.0
0.43
24.3
(3)观察静态工作点对电压放大倍数的影响
在步骤3的RC=2.4KΩ,RL=∞连线条件下,调节一个频率为1KHz、峰峰值为50mV的正弦波作为输入信号Ui连到DTP5。
调节RW,用示波器监视输出电压波形,在uo不失真的条件下,测量数组IC和UO的值,记入表3。
测量IC时,要使Ui=0(断开输入信号Ui,DTP5接地)。
表3RC=2.4KΩ,RL=∞,Ui=17.7mV(有效值)
1.732
1.808
2.0
2.2
2.40
0.86
0.87
0.52
0.33
0.081
48.6
49.2
29.4
18.6
4.6
(4)观察静态工作点对输出波形失真的影响
在步骤3的RC=2.4KΩRL=∞连线条件下,使ui=0,调节RW使IC=2.0mA(参见本实验步骤2),测出UCE值。
调节一个频率为1KHz、峰峰值为50mV的正弦波作为输入信号Ui连到DTP5,再逐步加大输入信号,使输出电压Uo足够大但不失真。
然后保持输入信号不变,分别增大和减小RW,使波形出现失真,绘出Uo的波形,并测出失真情况下的IC和UCE值,记入表4中。
每次测IC和UCE值时要使输入信号为零(即使ui=0)。
表4RC=2.4KΩ,RL=∞,Ui=17.7mV
U0波形
失真情况
管子工作状态
1.5
不失真
放大
截止失真
截止
2.5
饱和失真
饱和
(5)测量最大不失真输出电压
在步骤3的RC=2.4KΩRL=2.4KΩ连线条件下,同时调节输入信号的幅度和电位器RW,用示波器和毫伏表测量UOPP及UO值,记入表5。
表5RC=2.4KΩ,RL=2.4KΩ
Uim(mV)有效值
Uom(V)有效值
UOPP(V)峰峰值
17.7
4.4
12.4
6.实验数据处理与分析
(1)表1中计算值的计算公式:
UBE=UB—UE;
UcE=Uc—UE;
IC=UE/RE
(2)表2中Av=U0/Ui表R0=Rc//RL从表中可以看出R0越大Av越大。
U0的波形与Ui的波形相差π。
(3)表3显示,在Ui不变的情况下,IC越大U0与AV越小。
7.质疑、建议、问题讨论
(1)表1中的根据所测得数据就RB2于RB1以及VCC的数据,依据公式1计算UB应为3.2V,而是测得值为3.03V。
误差较大,根据实验箱的情况,估计是滑动变阻器Rw接触不良导致测量结果不准确。
根据公式3计算得到UCE为4.89V与表1中的计算值5.25V有误差。
(2)从表4可以看出IC=2.0mA不是最佳静态工作点。
学号:
实验课程:
(1)通过实验了解串联电压负反馈对放大器性能的改善。
(2)了解负反馈放大器各项技术指标的测试方法。
(3)掌握负反馈放大电路频率特性的测量方法。
图1带有电压串联负反馈的两级阻容耦合放大器
图1为带有负反馈的两极阻容耦合放大电路,在电路中通过Rf把输出电压Uo引回到输入端,加在晶体管T1的发射极上,在发射极电阻RF1上形成反馈电压Uf。
根据反馈网络从基本放大器输出端取样方式的不同,可知它属于电压串联负反馈。
(1)负反馈使放大器的放大倍数降低,AVf的表达式为:
AVf=
从式中可见,加上负反馈后,AVf比AV降低了(1+AVFV)倍,并且|1+AVFV|愈大,放大倍数降低愈多。
深度反馈时,
(2)反馈系数
FV=
(3)负反馈改变放大器的输入电阻与输出电阻
负反馈对放大器输入阻抗和输出阻抗的影响比较复杂。
不同的反馈形式,对阻抗的影响不一样。
一般并联负反馈能降低输入阻抗;
而串联负反馈则提高输入阻抗,电压负反馈使输出阻抗降低;
电流负反馈使输出阻抗升高。
Rif=(1+AVFV)Ri(4)
Rof=
(4)负反馈扩展了放大器的通频带
引入负反馈后,放大器的上限频率与下限频率的表达式分别为:
(6)
(7)
可见,引入负反馈后,fHf向高端扩展了(1+AVFV)倍,fLf向低端扩展了(1+AVFV)倍,使通频带加宽。
(5)负反馈提高了放大倍数的稳定性。
当反馈深度一定时,有
可见引入负反馈后,放大器闭环放大倍数AVf的相对变化量
比开环放大倍数的相对变化量
减少了(1+AVFV)倍,即闭环增益的稳定性提高了(1+AVFV)倍。
按图2-1正确连接线路,K先断开即反馈网络(Rf+Cf)先不接入。
打开直流开关,使US=0,第一级静态工作点已固定,可以直接测量。
调节100K电位器使第二级的IC2=1.0mA(即UE2=0.43V),用万用表分别测量第一级、第二级的静态工作点,记入表1。
表1
第一级
2.84
2.50
11.89
5.02
第二级
1.01
6.89
(2)测试基本放大器的各项性能指标
测量基本放大电路的AV、Ri、R0及fH和fL值并将其值填入表2中,输入信号频率为1KHz,Ui的峰峰值为50mV。
(3)测试负反馈放大器的各项性能指标
在接入负反馈支路Rf=10K的情况下,测量负反馈放大器的Avf、Rif、Rof及fHf和fLf值并将其值填入表2中,输入信号频率为1KHz,Ui的峰峰值为50mV。
表2
数值
K
US
(mV)
Ui
U0
(V)
Ri
(KΩ)
R0
fH
(KHz)
fL
(Hz)
基本放大器
(K断开)
RL=∞
63.2
57.7
2.1
36.4
25
200
250
RL=10K
210
300
(K闭合)
32
23
320
350
63.1
57.2
1.4
24.5
(4)观察负反馈对非线性失真的改善
先接成基本放大器(K断开),输入f=1KHz的交流信号,使U0出现轻度非线性失真,然后加入负反馈Rf=10K(K闭合)并增大输入信号,使U0波形达到基本放大器同样的幅度,观察波形的失真程度。
从表2可以看出串联电压负反馈,输入阻抗大于无反馈的基本电路,输出阻抗小于基本电路,放大倍数小于基本电路,带宽大于基本电路。
在做实验内容(4)时候,当加入负反馈时,失真消失了,并增大输入信号,使U0波形达到基本放大器同样的幅度,波形的失真程度也小于基本电路。
基本放大器RL=10KU0不可能为2.1V,应小于2.1V,AV也将变小。
实验中发现,由于采用阻容耦合,调试第2级放大器静态工作点,对第1级静态工作点没有影响。
本试验电路不符合深度负反馈要求。
(1)加深理解差动放大器的工作原理,电路特点和抑制零漂的方法。
(2)学习差动放大电路静态工作点的测试方法。
(3)学习差动放大器的差模、共模放大倍数、共模抑制比的测量方法。
图1恒流源差动放大器
图3-1所示电路为具有恒流源的差动放大器,其中晶体管T1、T2称为差分对管,它与电阻RB1、RB2、RC1、RC2及电位器RW1共同组成差动放大的基本电路。
其中RB1=RB2,RC1=RC2,RW1为调零电位器,若电路完全对称,静态时,RW1应处为中点位置,若电路不对称,应调节RW1,使U01、U02两端静态时的电位相等。
晶体管T3、T4与电阻RE3、RE4、R和RW2共同组成镜像恒流源电路,为差动放大器提供恒定电流I0。
要求T3、T4为差分对管。
R1和R2为均衡电阻,且R1=R2,给差动放大器提供对称的差模输入信号。
由于电路参数完全对称,当外界温度变化,或电源电压波动时,对电路的影响是一样的,因此差动放大器能有效的抑制零点漂移。
(1)差动放大电路的输入输出方式
如图1所示电路,根据输入信号和输出信号的不同方式可以有四种连接方式。
即:
1)双端输入—双端输出将差模信号加在US1、US2两端,输出取自U01、U02两端。
2)双端输入—单端输出将差模信号加在US1、US2两端,输出取自U01或U02到地的信号。
3)单端输入—双端输出将差模信号加在US1上,US2接地(或US1接地而信号加在US2上),输出取自U01、U02两端。
4)单端输入—单端输出将差模信号加在US1上,US2接地(或US1接地而信号加在US2上),输出取自U01或U02到地的信号。
(2)静态工作点的计算
静态时差动放大器的输入端不加信号,由恒流源电路得
I0为IR的镜像电流。
由电路可得
由上式可见I0主要由-VEE(-12V)及电阻R、RW2、RE4决定,与晶体管的特性参数无关。
差动放大器中的T1、T2参数对称,则
IC1=IC2=I0/2(3)
由此可见,差动放大器的工作点,主要由镜像恒流源I0决定。
(3)差动放大器的重要指标计算
1)差模放大倍数AVd
由分析可知,差动放大器在单端输入或双端输入,它们的差模电压增益相同。
但是,要根据双端输出和单端输出分别计算。
在此分析双端输入,单端输入自己分析。
设差动放大器的两个输入端输入两个大小相等,极性相反的信号Vid=Vid1-Vid2。
双端输入—双端输出时,差动放大器的差模电压增益为
式中
。
AVi为单管电压增益。
双端输入—单端输出时,电压增益为
2)共模放大倍数AVC
设差动放大器的两个输入端同时加上两个大小相等,极性相同的信号即Vic=Vi1=Vi2.
单端输出的差模电压增益
为恒流源的交流等效电阻。
即
(11)
由于
一般为几百千欧,所以
则共模电压增益AVC〈1,在单端输出时,共模信号得到了抑制。
双端输出时,在电路完全对称情况下,则输出电压A0C1=VOC2,共模增益为
(3-12)
上式说明,双单端输出时,对零点漂移,电源波动等干扰信号有很强的抑制能力。
3)共模抑制比KCMR
差动放大电器性能的优劣常用共模抑制比KCMR来衡量,即:
或
(dB)(3-13)
单端输出时,共模抑制比为:
(3-14)
双端输出时,共模抑制比为:
(3-15)
(1)参考本实验所附差动放大模块元件分布图,对照实验原理图图1所示正确连接原理图。
从FTP16连接到电位器RW2(10K)的一端,另一端接地,FTP12接到CTP52,FTP8接入CTP54,CTP53接地,FTP11连接FTP14,FTP1接+12V电源,FTP15接-12V电源,这样实验电路连接完毕。
(1)调整静态工作点
打开直流开关,不加输入信号,将输入端US1、US2两点对地短路,调节恒流源电路的RW2,使I0=1mA,即I0=2VRC1/RC1。
再用万用表直流档分别测量差分对管T1、T2的集电极对地的电压VC1、VC2,如果VC1≠VC2应调整RW1使满足VC1=VC2。
然后分别测VC1、VC2、VB1、VB2、VE1、VE2的电压,记入表1中。
VC1
VC2
VB1
VB2
VE1
VE2
(2)测量差模放大倍数AVd
将US2端接地,从US1端输入Vid=50mV(峰峰值)、f=1KHz的差模信号,用毫伏表分别测出双端输出差模电压Vod(Uo1-Uo2)和单端输出电压Vod1(Uo1)、Vod2(Uo2)且用示波器观察他们的波形(Vod的波形观察方法:
用两个探头,分别测Vod1、Vod2的波形,微调档相同,按下示波器Y2反相按键,在显示方式中选择叠加方式即可得到所测的差分波形)。
并计算出差模双端输出的放大倍数Avd和单端输出的差模放大倍数AVd1或Avd2。
记入表2中。
AVd1
Avd2
Avd
(3)测量共模放大倍数AVC
将输入端US1、US2两点连接在一起,R1与R2从电路中断开,从US1端输入10V(峰峰值),f=1KHz的共模信号,用毫伏表分别测量T1、T2两管集电极对地的共模输出电压UOC1和UOC2且用示波器观察他们的波形,则双端输出的共模电压为UOC=UOC1-UOC2,并计算出单端输出的共模放大倍数AVC1(或AVC2)和双端输出的共模放大倍数AVC。
表3
AVC1
AVC2
AVC
(4)根据以上测量结果,分别计算双端输出,和单端输出共模抑制比。
即KCMR(单)和KCMR(双)。
表4
KCMR
从试验数据上可以看出端输出高于单端输出共模抑制比。
由于元器件性能不可能一致,所以需要Rw1调节电路平衡。
LC正弦波振荡器
(1)掌握电容三点式LC正弦波振荡器的设计方法。
(2)研究电路参数对LC振荡器起振条件及输出波形的影响。
图1电容三点式振荡电路
(1)电路组成及工作原理:
图1的交流通路中三极管三个电极分别与回路电容分压的三个端点相连,故称为电容三点式振荡电路。
不难分析电路满足相位平衡条件。
该电路的振荡频率为:
(2)电容三点式振荡电路的特点:
1)电路振荡频率较高,回路C1和C2容值可以选得很小。
2)电路频率调节不方便而且调节范围较窄。
(2)频率计
1、实验原理图图1虚线框部分电路在晶体管系列模块中已经连接好了,如下图所示连接好的插孔图,DTP3为U0输出插孔。
按图1正确连接电路图。
2、打开直流开关,用示波器观察振荡输出的波形U0,若未起振调节R1使电路起振得到一个比较好的正弦波波形。
3、用公式
(1)计算出理论频率范围。
4、用示波器观察波形,改变可调电容C4的值(可调范围为5-30P),估测出频率范围,记录之。
比较一下理论值,并画出对应波形图。
223Hz≤
≤1.888KHz
调
时示波器上波形左右拉长或缩短,
理论值为:
1.0045≤
≤1.898
理论值与实际值的最低频率有较大差异,估计可调电容C4的可调范围为2-30P。
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