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模拟电路实验三极管放大电路
模拟电路实验——三极管放大电路
模拟实验三三极管及其放大电路
一.实验目的
1.对晶体三极管(3DG6、9013)、场效应管(3DJ6G)进行实物识别,了解它们的命名方法和主要技术指标。
2.学习用数字万用表、模拟万用表对三极管进行测试的方法。
3.用图3-10提供的电路,对三极管的β值进行测试。
4.学习共射、共集电极(*)、共基极放大电路静态工作点的测量与调整,以及参数选取方法,研究静态工作点对放大电路动态性能的影响。
5.学习放大电路动态参数(电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真输出电压)的测量方法。
6.调节CE电路相关参数,用示波器观测输出波形,对饱和失真和截止失真的情况进行研究。
7.用Multisim软件完成对共射极、共集电极、共基极放大电路性能的分析,学习放大电路静态工作点的测试及调整方法,观察测定电路参数变化对放大电路的静态工作点、电压放大倍数及输出电压波形的影响。
加深对共射极、共集电极、共基极基本放大电路放大特性的理解。
二.知识要点
1.半导体三极管
半导体三极管是组成放大电路的核心器件,是集成电路的组成元件,在电路中主要用于电流放大、开关控制或与其他元器件组成特殊电路等。
半导体三极管的种类较多,按制造材料不同有硅管、锗管、砷化镓管、磷化镓管等;按极性不同有NPN型和PNP型;按工作频率不同有低频管、高频管及超高频管等;按用途不同有普通管、高频管、开关管、复合管等。
其功耗大于1W的属于大功率管,小于1W的属于小功率管。
半导体三极管的参数主要有电流放大倍数β、极间反向电流ICEO、极限参数(如最高工作电压VCEM、集电极最大工作电流ICM、最高结温TjM、集电极最大功耗PCM)以及频率特性参数等。
有关三极管命名、类型以及参数等可查阅相关器件手册。
下面给出几种常用三极管的参数举例如表3-01所示:
表3-01几种常用三极管的参数
参数
PCM(mW)
ICM(mA)
VBRCBO(V)
ICBO(μA
hFE
fT(MHz)
极性
3DG100D
100
20
40
1
4
0.01
NPN
3DG200A
100
20
15
0.1
25~270
0.01
NPN
CS9013H
400
500
25
0.5
144
150
NPN
CS9012H
600
500
25
0.5
144
150
PNP
参数
VP(V)
IDSS
gm(mA/V)
PDM(mW)
rGS(Ω)
fM
3DJ6G
-9
3~6.5
1
100
108
30
N沟道
2.半导体三极管的识别与检测
半导体三极管的类型有NPN型和PNP型两种。
可根据管子外壳标注的型号来判别是NPN型,还是PNP型。
在半导体三极管型号命名中,第二部分字母A、C表示PNP型管;B、D表示NPN型管;而A、B表示锗材料;C、D表示硅材料。
另外,目前市场上广泛使用的9011~9018系列高频小功率9012、9015为PNP型,其余为NPN型。
半导体三极管的型号和命名方法,与半导体二极管的型号及命名方法相同,详见康华光第四版P44页附录或者参考有关手册。
(1)三极管的电极和类型判别
1)直观辨识法。
半导体三极管有基极(B)、集电极(C)和发射极(E)三个电极,如图3-11所示,常用
三极管电极排列有E-B-C、
B-C-E、C-B-E、E-C-B等多种形式。
2)特征辨识法。
如图3-01所示,有些三极管用结构特征标识来表示某一电极。
如高频小功率管3DGl2、3DG6的外壳有一小凸起标识,该凸起标识旁引脚为发射极;金属封装低频大功率管3DD301、3AD6C的外壳为集电极等。
图3-11三极管结构特征标识极性
3)万用表欧姆档判别法
如图3-12所示,选用指针式万用表欧姆档R×lkΩ档。
首先判定基极b方法:
用万用表黑表笔碰触某一极,再用红表笔依次碰触另外两个电极,并测得两电极间阻值。
若两次测得电阻均很小(为PN结正向电阻值),则
黑表笔对应为基极且此管为NPN型;或
者两次测得电阻值均很大(为PN结反向
电阻值),但交换表笔后再用黑笔去碰触
另两极,也测量两次,若两次阻值也很小,
则原黑表笔对应为管子基极,且此管为
PNP型。
注意:
指针式万用表欧姆档时,
黑表笔则为正极,红表笔为负极;这与(a)(b)
数字式万用表不同。
图3-12万
作用,故常用于小信号的放大。
改变电路的静态工作点,可调节电路的电压放大倍数。
而电路工作点的调整,主要是通过改变电路参数(Rb、Rc)来实现。
(负载电阻RL的变化不影响电路的静态工作点,只改变电路的电压放大倍数。
)该电路信号从基极输入,从集电极输出。
输入电阻与相同材料的二极管正向偏置电阻相当,输出电阻较高,适用于多级放大电路的中间级。
共集电极放大电路信号由晶体管基极输入,发射极输出。
由于其电压放大倍数Av接近于l,输出电压具有随输入电压变化的特性,故又称为射极跟随器。
该电路输入电阻高,输出电阻低,适用于多级放大电路的输入级、输出级,还可以作为中间阻抗变换级。
共基极放大电路信号由晶体管发射极输入,集电极输出。
其电流放大倍数Ai接近于1但恒小于1,(又叫电流跟随器),电压放大倍数Av共射极放大器相同,且输入电压与输出电压同相。
其输入电阻低,只有共射放大电路的l/(1+β)倍,输出电阻高,输入端与输出端之间没有密勒电容,电路频率特性好,适用于宽带放大电路。
下面以图3-13基本共射放大电路为例进行说明。
(1)放大电路静态工作点的测量和调试
由于电子元件性能的分散性很大,在
制作晶体三极管放大电路时,离不开测量
和调试技术。
在完成设计和装配之后,还
必须测量和调试放大电路的静态工作点及
各项指标。
一个优质的放大电路,一个最
终的产品,一定是理论计算与实验调试相
结合的产物。
因此,除了熟悉放大电路的
理论设计外,还必须掌握必要的测量和调
试技术。
放大电路的测量和调试主要包括放大
电路静态工作点的测量和调试、放大电路图3-13基本共射放大电路(固定偏置式)
各项动态指标的测量和调试、消除放大电路的干扰和自激等。
在进行测试之前,务必先检查
三极管的好坏,并确定具体的β值。
1)静态工作点Q的测量
放大电路静态工作点的测量是在不加输入信号(即VI=0)的情况下进行的。
静态工作点的测量是指三极管直流电压VBEQ、VCEQ和电流ICQ的测量。
应选用合适的直流电压表和直流毫安表,分别测量三极管直流电压VBEQ、VCEQ和ICQ。
为了避免更改接线,采用电压测量法来换算电流。
例如,只要测出实际的Rb、RC的阻值,即可由
;
;(或
)
提示:
在测量各电极的电位时最好选用内阻较高的万用表,否则必须考虑到万用表内阻对被测电路的影响。
2)静态工作点的调整
测量静态工作点ICQ和VCEQ的目的是了解静态工作点的设置是否合适。
若测出VCEQ<0.5V,则说明三极管已进入饱和状态;如果VCE≈VCC,则说明三极管工作在截止状态。
对于一个放大双极性信号(交流信号)的放大电路来说,这两种情况下的静态偏置都不能使电路正常工作,需要对静态工作点进行调整。
如果是出现测量值与选定的静态工作点不一致,也需要对静态工作点进行调整。
否则,放大后的信号将出现严重的非线性失真和错误。
通常,VCC、Rc都已事先选定,当需要调整工作点时,一般都是通过改变偏置电阻Rb来实现。
应当注意的是.如果偏置电阻Rb选用的是电位器,在调整静态工作点时,若不慎将电位器阻值调整过小(或过大),则会使IC过大而烧坏管子,所以应该用一只固定电阻与电位器串联使用。
图3-18电路中是用Rb1和电位器Rb2串联构成Rb。
2.放大电路的动态指标测试
放大电路的主要指标有电压放大倍数Av、输入电阻Ri、输出电阻Ro,以及最大不失真输出电压VO(max)等。
在进行动态测试时,各电子仪器与被测电路的连接如图3-14所示。
实验电路则如后面的图3-18所示。
图3-14实验电路与各测试仪器的连接
提示:
为防止干扰,各仪器的公共接地端与被测电路的公共接地端应连在一起。
同时,信号源、毫伏表和示波器的信号线通常都采用屏蔽线,而直流电源VCC的正、负电源线可只需普通导线即可。
(1)电压放大倍数Av的测量
输入信号选用1KHz、约5mV的正弦交流信号,用示波器观察放大电路输出电压VO的波形,在输出信号没有明显失真的情况下,用毫伏表测得VO和VI,于是可得
。
(2)最大不失真输出电压的测量
放大电路的线性工作范围与三极管的静态工作点位置有关。
当ICQ偏小时,放大电路容易产生截止失真;而ICQ偏大时,则容易产生饱和失真。
需要指出的是,当ICQ增大时,VO波形的饱和失真比较明显,
波形下端出现“削底”,如
图3-15a所示。
而当ICQ
减小时,VO波形将出现截
止失真,如图3-15b所
示,波形上端出现“削顶”。
(a)(b)(c)
当放大电路的静态工作点调图3-15静态工作点对输出电压Vo波形的影响
整在三极管线性工作范围的(a)VO易出现饱和失真(b)VO易出现截止失真
中心位置时,若输入信号(c)VO波形上下半周同时出现失真
VI过大,VO的波形也会出现失真,上下同时出现“削顶”和“削顶”失真,如图3-15(c)所示。
此时,用毫伏表测出VO的幅度,即为放大电路的最大不失真输出电压Vo(max)。
(3)输入电阻Ri的测量
输入电阻的测量电路如图3-16所示。
图3-16测量输入电阻的电路
放大电路的输入电阻:
在放大电路的输入端串联一只阻值已知的电阻RS(可取510Ω),见图3-16所示,通过毫伏表分别测出RS两端对地电压,求得RS上的压降(Vs-Vi),则:
所以有
通过测量VS和Vi来间接地求出RS上的压降,是因为RS两端没有电路的公共接地点。
若用一端接地的毫伏表测量,会引入干扰信号,以致造成测量误差。
(4)输出电阻的测量
放大电路的输出端可看成有源二端网络。
如图3-17所示。
图3-17测量输出电阻的电路
用毫伏表测出不接RL时的空载电压Vo’和接负载RL后的输出电压Vo,即可间接地推算RO的大小:
。
(5)放大电路频率特性的测量
放大电路频率特性是指放大电路的电压放大倍数Av,与输入信号频率之间的关系。
Av随输入信号频率变化下降到0.707Av。
时所对应的频率定义为下限频率
和上限频率
,通频带为
。
上、下限频率可用以下方法测量:
先调节输入信号Vi使Vi频率为1kHz;调节Vi幅度,使输出电压Vo幅度为1V。
保持Vi幅度不变,增大信号Vi的频率,Vo幅度随着下降,当Vo下降到0.707V时,对应的信号额率为上限频率
;保持Vi幅度不变,降低Vi频率,同样使Vo幅度下降到0.707V时,
对应的信号频率为下限频率
。
(6)观察截止失真、饱和失
真两种失真现象
测量电路如图3-18所示,
在ICQ=3.0mA,RL=∞情况下,
增大输入信号,使输出电压保
持没有失真,然后调节电位器
Rb2阻值,改变电路的静态工
作点,使电路分别产生较为明
显的截止失真与饱和失真,测
出产生失真后相应的集电极静
态电流。
做好相应的实验记录。
图3-18共射放大电路举例
图3-19共射放大电路对应的三个仿真电路图
图3-20共集电极放大电路举例
三.实验内容
1.查阅手册并测试晶体三极管(3DG100D、CS9013)、场效应管(3DJ6G)的参数,记录所查和所测数据。
2.用晶体三极管3DG100D或CS9013组成如图3-21所示单管共射极放大电路,通过改变电位器R2,使得VCE为4V,测量此时VCEQ、VBEQ、Rb的值,计算放大电路的静态工作点Q对应的三个参数值。
3.在下列两种情况下,测
量放大电路的电压放大倍数和
最大Av不失真输出电压VOMAX。
(1)RL=R4=∞(开路)②RL=R4=
10kΩ。
建议:
最初使用1KHz、5mV的正
弦信号作为输入信号进行测试;
然后改变输入信号的幅值,使用
双踪显示方式同时显示VI与
VO,进行监视,尽量选择较大幅
度的正弦信号作为放大器的VI,
在保证VO波形不失真的条件下图3-21单管共射极放大电路
进行测量。
(若VO波形失真,所测动态参数就毫无意义)。
表3-09静态数据记录表
实测值
实测计算值
VCE(V)
VBE(V)
Rb(KΩ)
VCEQ(V)
IBQ(μA)
ICQ(mA)
表3-10测AV的记录表
实测值
理论估算值
实测计算值
Vi(mV)
Vo(mV)
AV
AV
4.观察饱和失真和截止失真,并测出相应的集电极静态电流。
5.测量放大电路的输入电阻Ri和输出电阻Ro。
*6.按照图3-10设计BJT的β测试电路,确定电路中所有元器件和输入电压的参数值,并对测试结果进行比较和误差分析。
图3-10BJT的β值测试电路图
*7.测量图3-18放大电路带负载时的上限频率
和下限频率
。
*8.实验电路如图3-20所示,要求仿真并实物实现电路,计算并实测电路的输入电阻和输出电阻。
四.思考题
1.Rb为什么要由一个电位器和一个固定电阻串联组成?
2.电解电容两端的静态电压方向与它的极性应该有何关系?
3.如果仪器和实验线路不共地会出现什么情况?
通过实验说明。
五.实验报告
1.按照实验准备的要求完成设计作业一份,并估算放大电路的性能指标。
2.记录实验中测得的有关静态工作点和电路的Au、Vo(max)、Ri和Ro的数据。
3.认真记录和整理测试数据,按要求填入表格并画出输入、输出对应的波形图。
4.对测试结果进行理论分析,找出产生误差的原因。
5.详细记录组装、调试过程中发生的故障或问题,进行故障分析,并说明排除故障的过程和方法。
6.写出对本次实验的心得体会,以及改进实验方法的建议。
提示:
1.组装电路时,不要弯曲三极管的三个电极,应当将它们垂直地插入面包板孔内。
2.先分别组装好电路,经检查无误后,再打开电源开关。
3.测试静态工作点时,应关闭信号源。
4.本实验接点多,元器件多,组装时一定要确保接触良好,否则,会因接触不良,出现错误或造成电路故障。
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