最新东南大学信息学院电子线路模电实验五六报告.docx
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最新东南大学信息学院电子线路模电实验五六报告
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东南大学模拟电子电路实验
实验报告
学号
姓名
2018 年5 月 19 日
实验名称 频率响应与失真&电流源与多级放大器
成 绩
【背景知识小考察】
考察知识点:
放大器的增益、输入输出电阻和带宽计算
在图 3-5-2 所示电路中,计算该单级放大器的中频电压增益Av= -38.59 , Ri=
10.94k Ω ,Ro= 15k。
复习放大器上下限频率概念和计算方法。
图 3-5-2 电路中,电容
CC2 和 CE1 足够大,可视为短路电容。
具有高通特性的电容 CC1 和输入电阻 Ri 决定了电路
的 fL=1/(2πRiCC1);低通特性的电容 C1 和输出电阻决定了电路的 fH=1/(2πROC1)。
根据
图中的标注值,将计算得到的 fL、fH 和通频带 BW,填入表 3-5-1。
图 3-5-2. 晶体三极管放大器频响电路
注:
为了计算方便,决定该电路高低频的电容 CC1 和 C1 远大于晶体管的自身电容。
因此计
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算过程中,晶体管电容忽略不计。
计算过程:
已知实验二中参数:
β =120,V
BE(on)=0.7V。
1:
忽略沟道长度调制效应, r 不计。
ce
V =
B
10 100
B
直流通路中,有:
I
I
EQ
BQ
V - V
= B BE(on) ≈ 0.140mA
RE1 + RE 2
I
EQ
1 + β
I
CQ
= βI
BQ
≈ 0.139mA
在交流通路中,将发射极上的电阻 RE1 等效到三极管基极。
因此有:
r= β
b,e
V
T
I
CQ
120 ⨯ 26
= ≈ 22.44kΩ
0.139 ⨯1000
r + (1 + β ) RE1c
i =
b
V
i , i = βi
b
b,e
因此,A =
V
v
o ≈ -38.59
v
i
V = 31.73dB
所以, 20lgA
2:
R = R //[r + (1 + β ) RE1] ≈ 10.94kΩ
iBbe
R ⋅ CC1
i
2π
f = ωL
L
≈ 145.48 Hz
π ⋅ R , ⋅ C1
R , = RC1 = 15kΩ
0
1
f =≈ 5305.16 Hz
H
0
考察知识点:
多级放大器
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图 3-6-8. 单级放大器
=
在图 3-6-8 所示电路中,双极型晶体管 2N3904 的 β≈120,VBE(on)=0.7V。
根据 3.2 中的直流工
作点,计算该单级放大器的电压增益 Av,填入表 3-6-5(CC1,CC2 和 CE1 均可视为短路电
容)如果将这样的两级放大器直接级联,如图 3-6-9 所示,是否可以实现 Av 总 Av×Av=Av2 的
两级放大器呢?
请仔细思考后写下你的想法。
图 3-6-9. 两级直接级联放大器
【一起做仿真】
一、NPN 管放大器频率特性仿真
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1.放大器幅频和相频仿真:
根据图 3-5-2 所示电路,在 Multisim 中搭建晶体三极管 2N3904 单级放大电路,进行电
路的幅频和相频特性仿真,并根据仿真结果将相关数据记录于表格 3-5-1。
表 3-5-1:
晶体三极管放大器频率特性
计算值
仿真值
实测值
放大器增益 A(dB)
下限频率 fL(Hz)
上限频率 fH(Hz)
通频带 BW(Hz)
-38.59
145.48
5305.16
5159.68
31.6752
151.1160
5688.6
5537.484
31.39
222.82
5667.93
5445.11
2.放大器瞬态仿真:
采用实验三中的瞬态仿真方法,分别输入三个不同频率的相同幅度正弦波信号,观察瞬
态波形输出,并从示波器上显示的波形峰峰值换算出不同频率时的增益值,填入表格 3-5-2。
并注意输入输出波形中相位之间的关系。
将增益和相位关系与 AC 仿真结果相对比,理解放
f
大器的频率响应。
三种频率的具体要求是:
低频区 L 与 fH 之间;高频区: >fH。 精品文档 精品文档 表 3-5-2: 不同频率输入信号时放大器增益值 电压增益 Av 仿真值 测试值 低频区 f=50Hz 9.9555 9.181 中频区 f=4kHz 31.5538 31.9 高频区 f=10kHz 18.5976 18.722 分析: 在误差允许范围内,可以认为仿真值和测试值一致。 二、放大器的输入电阻仿真 根据放大器输入电阻的定义,放大器输入电阻是其输入端电压与输入电流的比值,在图 3-5-2 电路图中可用 v (1)/I(CC1)的 AC 交流小信号中频仿真结果表征。 仿真设置: 双击 V1 信号源,设定 AC analysis magnitude=1,Simulate → Analyses → AC analysis…,设置起始频率=1KHz,终止频率=1GHz,扫描种类为 Sweep type=Decade 和垂 直显示的 Scale=Linear,在 output 中点击 Add expression…按钮,在变量选择栏和函数选 择栏正确设置输入电阻表达式为 V (1)/I(CC1)。 结果查看: 观察 V (1)/I(CC1)表达式的幅频响应度,读出其中频输入电阻,填入表格 3-5-3, 并与计算值相比较。 注: 中频值可在增益曲线中的中频区任选一频率,读取其 V (1)/I(CC1)值。 表 3-5-3: 晶体三极管放大器输入电阻 计算值 仿真值 输入电阻 Ri 10.94 k 10.8048k 将仿真起始频率改为 1Hz,读取 1Hz 时的输入电阻仿真值,解释该值与中 频电阻差异的原因? 此时,电阻值为 13.9690k ;原因: 低频时,三极管在输入回路中的等效阻抗随频率减小而 精品文档 精品文档 增大。 三、放大器输出电阻的仿真 根据放大器输出电阻的定义,将图 3-5-2 中输入电压源短路,并在输出端加入 V2 信号 源,如图 3-5-9 所示。 输出电阻等于放大器输出端电压与输出电流的比值,即 V (2)/I(CC2)。 该比值可用 AC 交流小信号仿真在中频时的仿真结果表征。 仿真设置: 双击 V2 信号源,设定 AC analysis magnitude=1,Simulate → Analyses → AC analysis…,设置起始频率=1Hz,终止频率=1GHz,扫描种类为 Sweep type=Decade 和垂直 显示的 Scale,在 output 中点击 Add expression…按钮,在变量选择栏和函数选择栏正确设 置 V (2)/I(CC2)。 结果查看: 在 V (2)/I(CC2)表达式的幅度图中,读出中频值。 该值即为放大器的中频输出电 阻。 填入表格 3-5-4,并与计算值相比较。 图 3-5-9输出电阻仿真电路图 表 3-5-4: 晶体三极管放大器增益 计算值 仿真值 输出电阻 R o 四、镜相电流源 1. 基本镜像电流源 精品文档 15k 14.7752k 精品文档 在 Multisim 中搭建如图 3-6-10 所示基本镜像电流源电路,测试输出电流随输出电压变化和 电流源输出电阻。 结果查看: 在直流扫描图中,读出图中当 V2=1V 和 V2=5V 时的电流,并求出其差值和变化 百分比,填入表 3-6-1。 其中变化百分比=(大电流-小电流)/小电流。 , 结果查看: 读取低频时的 V (2)/I(Q4[IC]) 即为电流源输出电阻,填入表 3-6-1。 图 3-6-10 基本镜相电流源 精品文档 精品文档 表 3-6-1: 基本镜像电流源 比例式镜像电流源 Io@V2=1V 4.2574mA 4.2426mA Io@V2=5V 4.4865mA 4.2586mA 变化(%) 5.3812 1.6 Ro 13.8005 61.0168 采用温度扫描仿真,观察电流源输出电流和温度的关系,填入表 3-6-2。 表 3-6-2: 变化(%) Io@TEMP=-40℃ Io@TEMP=85℃ 10.26 基本镜像电流源 -1.73128m -1.57018m 精品文档 精品文档 2. 3. 比例式镜相电流源 在 Multisim 中搭建如图 3-6-14 所示 1: 1 比例式镜像电流源电路,采用与基本镜像电流源相 同的仿真方法,测试输出电流随输出电压变化情况和电流源输出电阻。 将测试结果填入表 3-6-1。 注: 为了与基本电流源对比,该电路调整了参考电流支路电阻,以保证与图 3-6-10 电路的 参考电流基本相等。 图 3-6-14 比例式镜像电流源 将基本镜像电流源和比例式镜像电流源输出电流与电压变化的仿真结果重叠在一张图上对 比查看。 结果查看: 点击 Grapher View 窗口中的菜单 Graph→Overlay Traces…。 精品文档 精品文档 对比基本镜相电流源电路和电路的数据和仿真图形,请说明在参考电流 和镜像比例基本相同的情况下(1: 1 镜像),哪种电流源输出恒流效果更 好? 为什么? 答: 比例式镜像电流源恒流效果更好,因为基本镜相电流源电路引入了 有限 值产生的误差,同时由于 与有关,且都是温度敏感的参数,因而造成 的热 稳定性降低;而比例式的输出交流电阻大于基本镜像镜像电流源电路,因此比例式镜像电流 源恒流效果更好。 五、多级放大器 1. 根据图 3-6-8 所示,在 Multisim 中搭建单级放大电路。 仿真设置: Simulate →Analysis→AC Analysis… 结果查看: 在弹出的波形窗口中,读出该放大器中频增益值,填入表 3-6-5。 精品文档 精品文档 表 3-6-5: 单级放大器增益 放大器增益 AV 计算值 78.4463 仿真值 76.6805 2.根据图 3-6-9 所示电路,在 Multisim 中采取直接级联的方式搭建两级放大电路。 仿真设置: Simulate →Analysis→AC Analysis… 结果查看: 在弹出的波形窗口中,读出第一级、第二级和总电压增益Av1、Av1、Av,填入表 格 3-6-6。 表 3-6-6: 直接级联两级放大器增益仿真值 Av1 Av2 Av 放大器增益 AV 1.1109 4.6468 5.1622 = 根据仿真结果分析,两级放大器直接级联后是否实现 Av 总 Av×Av=Av2? 与预习 中的思考是否吻合? 请思考后用理论分析与仿真相结合的方法来确定两级放 大器直接级联后的工作情况。 答: 不是,吻合,两级放大器直接级联后,由于失去隔离作用,使前后级的直流通路相连接, 静态电位相互牵制,使得各级工作点相互影响,因此不能直接用单击增益直接平方所得。 精品文档 精品文档 3.根据图 3-6-17 所示电路,将两级放大器采用电容耦合,在Multisim 中搭建耦合后的两级 放大电路。 仿真设置: Simulate →Analysis→AC Analysis… 结果查看: 在弹出的波形窗口中,读出第一级、第二级和总电压增益Av1、Av1、Av,填入表 格 3-6-7。 表 3-6-7: 电容耦合级联两级放大器增益仿真值 Av1 Av2 Av 放大器增益 AV 40.7242 76.3034 3106.5 根据仿真结果分析,采用电容耦合级联后,各级放大器的增益与单级放大 器相比有何变化? 两级放大器电容耦合级联后是否实现 Av 总 Av×Av=Av2? 为什么? 请思考后用理论分析验证仿真结果。 【动手搭硬件】 放大器的频率响应实验 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、波特 图仪和示波器。 1.波特图测试 设置好后,点击 Scan,扫描获得幅频和相频曲线。 请读出上下限频率和增益值,填入表格 3-5-1。 精品文档 精品文档 2.瞬态波形测试 选取表 3-5-2 中的三个频率,根据示波器窗口中读出的输入输出波形峰峰值,获得其电压增 益,填入表格 3-5-2,比较仿真值和测试值是否一致。 4kHz: : 10kHz 精品文档 精品文档 【研究与发现】: 线性失真与非线性失真 1. 在 Multisim 中搭建如图 3-5-2 所示晶体管放大器电路。 仿真设置: 加入峰峰值=10mV,频率=2kHz 的正弦波和峰峰值=10mV,频率=4kHz 的正弦 波串联作为信号源输入,如图 3-5-11 所示。 Simulate → Run。 结果查看: 采用频谱分析仪 XSA1、2,查看输入、输出信号频谱,填写表 3-5-7。 图 3-5-11 信号源串联 表 3-5-72kHz 和 4kHz 串联信号输入 输入 输出 频率值 dB 频率 1 1.996kHz -40.363 频率 2 4kHz --40.000 频率 1 1.995 -9.412 频率 2 4.008 -11.065 频率 3(如果有) 5.997 -39.777 精品文档 精品文档 仿真设置: 加入峰峰值=10mV,频率=2kHz 的正弦波和峰峰值=10mV,频率=40kHz 的正弦 波串联作为信号源输入。 Simulate → Run。 结果查看: 采用频谱分析仪 XSA1、2,查看输入、输出信号频谱,填写表 3-5-8。 表 3-5-8 2kHz 和 40kHz 串联信号输入 输入 输出 频率值 dB 频率 1 1.956 -44.390 频率 2 40.024 -42.441 频率 1 2.029 -12.547 频率 2 39.940 -32.548 频率 3(如果有) 80.251 -84.141 精品文档 精品文档 对比表 3-5-7 和 3-5-8 的数据,分析该电路在两次不同输入时有无出现失真? 是何种失真(线性失真或非线性失真)? 判断依据是什么? 答: 出现了失真,非线性失真,因为相对于输入信号,输出信号中出现了新 的频率分量。 2. 在 Multisim 中搭建如图 3-5-2 所示晶体管放大器电路。 仿真设置: 分别加入峰峰值=1mV,频率=2kHz 的正弦波和峰峰值=100mV,频率=2kHz 的 正弦波作为信号源输入。 仿真设置: Simulate → Run。 结果查看: 采用示波器和频谱分析仪,查看输出信号波形和频谱,填写表格 3-5-9 和 3-5-10。 表 3-5-9: 输入信号峰峰值=1mV 输入信号 1mV 频率 1 频率 2 频率 3 频率 4 频率 5 频率 6 频率 7 频率值 db 2.008 -29.504 3.977 -85.370 精品文档 精品文档 表 3-5-10: 输入信号峰峰值=100mV 输入信号 100mV 频率值 db 频率 1 1.962 4.011 频率 2 3.992 -8.382 频率 3 5.987 -15.130 频率 4 7.982 -18.860 频率 5 9.977 -25.935 频率 6 11.972 -31.029 频率 7 14.003 -33.317 精品文档 精品文档 分析瞬态波形和频谱仿真,对比表 3-5-9 和 3-5-10,分析该电路在两次不同 输入时有无出现失真? 是何种失真? 判断依据是什么? 答: 既有线性失真也有非线性失真,线性失真体现在 100mV 时波形的 幅度发生了变化,非线性体现在出现了新的频率分量。 精品文档
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