电压放大电路设计.docx
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电压放大电路设计.docx
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电压放大电路设计
东南大学电工电子实验中心
实验报告
课程名称:
电子电路实践
第三次实验
实验名称:
电压放大电路设计
院(系):
吴健雄学院专业:
电类强化班
姓名:
学号:
实验室:
实验组别:
同组人员:
实验时间:
2012年5月4日
评定成绩:
审阅教师:
实验三电压放大电路设计
一、实验目的
1.掌握单级放大电路的设计、工程估算、安装和调试;
2.了解三极管各项基本器件参数、工作点、偏置电路、输入阻抗、输出阻抗、增益、幅频特性等的基本概念以及测量方法;
3.了解负反馈对放大电路特性的影响。
4.掌握多级放大电路的设计、工程估算、安装和调试;
5.掌握基本的模拟电路的故障检查和排除方法,深化示波器、稳压电源、交流毫伏表、函数发生器的使用技能训练。
二、预习思考:
1.器件资料:
上网查询本实验所用的三极管9013的数据手册,画出三极管封装示意图,标出每个管脚的名称,将相关参数值填入下表:
参数符号
参数值
参数意义及设计时应该如何考虑
VCBO
Max45V
超过这个电压三极管就可能被击穿。
在设计时需保证UCB,UCE,UEB在以上参数范围内以保证三极管正常工作。
VCEO
Max25V
VEBO
Max5V
ICM
hFE
64~300
直流电流增益
VCE(sat)
Max0.6V
集电极-发射极饱和压降
VBE
Max1.4V
基极-发射极正向电压
fT
Min150MHz
特征频率
2.偏置电路:
图3-3中偏置电路的名称是什么?
简单解释是如何自动调节晶体管的电流IC以实现稳定直流工作点的作用的,如果R1、R2取得过大能否再起到稳定直流工作点的作用,为什么?
答:
分压偏置。
R1、R2分压,使得电路的静态工作点稳定,从而使得Ic,Ib稳定。
如果R1、R2取值过大,导致R1,R2电路中电流小,从而会影响到流入基极的电流,计算时不能忽略基极电流,从而使直流工作点不稳定。
3.电压增益:
(I)对于一个低频电压放大器,一般希望电压增益足够大,根据您所学的理论知识,分析有哪些方法可以提高电压增益,分析这些方法各自优缺点,总结出最佳实现方案。
答:
共射和共基组态的放大倍数是相对较大的,但输出阻抗较大。
共集放大倍数约为1,但是输出阻抗远小于共射和共基,在希望有较大的电压增益时一般不会采用。
一般采用共射组态:
增益为
由于β、
是三极管本身参数而Rl是负载,都无法改变,因此可以通过增大Rc的方法增大增益。
多级放大器级联可以利用共射、共基和共集组态各自的输入输出特性,组成级联放大电路,从而使得电路的特性达到最优化,但是具体的电路参数要根据实际的要求来决定。
(II)实验中测量电压增益的时候用到交流毫伏表,试问能否用万用表或示波器,为什么?
答:
不能。
原因是实验中所测的信号幅度都很小,而万用表和示波器测量时本身的信号干扰等误差是不可避免的,会导致信号有很大毛刺,想比较而言交流毫伏表测量的干扰就要小很多。
但是实验时交流毫伏表对电路的影响貌似更大,为什么?
4.输入阻抗:
1)放大器的输入电阻Ri反映了放大器本身消耗输人信号源功率的大小,设信号源内阻为RS,试画出图3-3中放大电路的输入等效电路图,通过连线回答下面的问题,并做简单解释:
Ri=RS放大器从信号源获取较大电压
Ri< Ri>>RS放大器从信号源获取最大功率 答: Ri=RS放大器从信号源获取最大功率 Ri< Ri>>RS放大器从信号源获取较大电压 当Ri=RS,由于P=[Us/(Ri+Rs)]2Ri,此时P最大。 当Ri< 当Ri>>RS,输入阻抗较大,由U=【Us/(Ri+Rs)】*Ri,此时分得电压较大。 2)图3-1是实际工程中测量放大器输入阻抗的原理图,试根据该图简单分析为什么串接电阻RS的取值不能太大也不能太小。 图3-1放大器输入阻抗测量原理图 答: Ri< Ri>>RS放大器从信号源获取较大电压 而为正常工作,必须电压电流都适当 3)对于小信号放大器来说一般希望输入阻抗足够高,根据您所学的理论知识,分析有哪些方法可以提高图3-3中放大电路的输入阻抗。 答: 由于分压式共射放大电路的输入阻抗Ri=R1//R2//rbe,其中rbe是三极管的本身属性无法改变,所以要增大输入阻抗,可以适当的同比例增大R1、R2,但不能太大而影响静态工作点。 5.输出阻抗: 1)放大器输出电阻RO的大小反映了它带负载的能力,试分析图3-3中放大电路的输出阻抗受那些参数的影响,设负载为RL,画出输出等效电路图,通过连线回答下面的问题,并做简单解释。 RO=RL负载从放大器获取较大电压 RO< RO>>RL负载从放大器获取最大功率 答: RO=RL,负载从放大器获取最大功率。 RO< RO>>RL,负载从放大器获取较大电压。 原理同上 2)图3-2是实际工程中测量放大器输出阻抗的原理图,试根据该图简单分析为什么电阻RL的取值不能太大也不能太小。 图3-2放大器输出阻抗测量原理图 答: 要确保Io和Uo都不太小,就必须保证Rl适中。 若Rl过小则Uo会很小,若Rl过大则导致Io较小。 3)对于小信号电压放大器来说一般希望输出阻抗足够小,根据您所学的理论知识,分析有哪些方法可以减小图3-3中放大电路的输出阻抗。 答: 在后面串入一共集放大电路,减小输出阻抗。 6.计算图3-3中各元件参数的理论值,其中 已知: VCC=12V,Ui=5mV,RL=3KΩ,RS=1KΩ,T为9013 指标要求: Au>50,Ri>1KΩ,RO<3KΩ,fL<100Hz,fH>100kHz(建议IC取2mA) 用Multisim软件对电路进行仿真实验,仿真结果填写在预习报告中。 1)仿真原理图 B 2)参数选择计算 RL=3KΩ,取Re=2KΩ,要使IC取2mA,则Re上分压为4V,Ub约为4.6V,取RB2为5KΩ,则电位器大约调到8KΩ。 根据上下限频率可确定各电容值,Rc和Rl取相近。 3)仿真结果 7.对于小信号放大器来说一般希望上限频率足够大,下限频率足够小,根据您所学的理论知识,分析有哪些方法可以增加图3-3中放大电路的上限频率,那些方法可以降低其下限频率。 答: 可通过减小R1和R2(同比例)增加上限频率 fL主要受C1、C2、CE的影响 , , 因此可以通过适当增大C1、C2、CE减小 8.负反馈对放大器性能的影响 答: 在共射放大电路上增加负反馈,可使增益减小,带宽增加,输入阻抗、输出阻抗都会增大,并对噪声,干扰和温漂具有一定的抑制作用。 9.设计一个由基本放大器级联而成的多级放大器, 已知: VCC=12V,Ui=5mV,RL=1KΩ,T为9013 要求满足以下指标: |Au|>100,Ri>1KΩ,RO<100Ω 1)仿真原理图 2)参数选择计算 采用共射-共基-共集放大电路进行多级放大,共射电路输入阻抗大且控制增益,共基的输入阻抗小,Rl’小,上限频率提高,但放大倍数不受影响,共集电路的输出阻抗小。 这样设计满足题目要求。 具体参数计算同上,也是根据要求计算静态工作点。 3)仿真结果 如上图所示,增益为247.908/1.743=142 三、实验内容 1.基本要求: 图3-3射极偏置电路 1)研究静态工作点变化对放大器性能的影响 (1)调整RW,使静态集电极电流ICQ=2mA,测量静态时晶体管集电极—发射极之间电压UCEQ。 记入表3-3中。 (2)在放大器输入端输入频率为f=1kHz的正弦信号,调节信号源输出电压US使Ui=5mV,测量并记录US、UO和UO’(负载开路时的输出电压)的值并填于表3-1中。 注意: 用双踪示波器监视UO及Ui的波形时,必须确保在UO基本不失真时读数。 (3)根据测量结果计算放大器的Au、Ri、Ro。 表3-1静态工作点变化对放大器性能的影响 静态工作点电流ICQ(mA) 2 测量值 理论值 误差 输入端接地 UBQ(V) 4.627 4 15.6% UCQ(V) 7.916 8 1% UEQ(V) 3.999 3.4 17.6% 输入信号Ui=5mV US(mV) 9.3 13.08 28.8% UO(V) 0.417 0.425 1.8% UO’(V) 0.696 0.708 1.7% 计算值 UBEQ 0.629 0.6 4.8% UCEQ 3.921 4.6 14% Au 83.4 85 1.8% Ri/kΩ 1.5 1.8 16.7% RO/kΩ 1.8 2 10% 实验结果分析: 从实验所得到的结果与理论值进行比较可以看出,实验还是非常理想的,实验结果在误差允许范围之内,基本与理论值相符合。 但是其中关于US的测量还是存在一定误差。 个人估计是因为实验中仪器的内阻不能忽略的问题,导致实验结果与理论结果存在一定的偏差。 2)观察不同静态工作点对输出波形的影响 (1)改变RW的阻值,使输出电压波形出现截止失真,绘出失真波形,并将测量值记录表3-2中。 (2)改变RW的阻值,使输出电压波形出现饱和失真,绘出失真波形,并将测量值记录表3-2中。 表3-2不同静态工作点对输出波形的影响 完全截止 截止失真 饱和失真 完全饱和 RW变大、小 测量值 UBQ(V) 0.609 0.6337 6.253 6.502 —RW增大获得截止失真,RW减小获得饱和失真——— UCQ(V) 11.976 11.876 6.285 6.050 UEQ(V) 0.0006 0.099 5.614 5.860 波形 如下 如下 计算值 ICQ(mA) 0 2.4 UBEQ 0.6 7.2 UCEQ 12 0 R1 95k 3.3k (实验提示: 测量截止失真波形时可以加大输入信号幅度) 失真图形: 截止失真: 饱和失真: 实验结果分析: 从实验结果可以看出,在实验误差的允许范围内,实验结果与理论值相同。 RW增大获得截止失真,RW减小获得饱和失真。 但是在完全饱和时,实验误差比较大。 在实验过程当中,调出饱和失真也比较困难。 在实验过程当中,要适当调节RW的大小,避免出现饱和失真和截止失真。 3)测量放大器的最大不失真输出电压 分别调节RW和US,用示波器观察输出电压UO波形,使输出波形为最大不失真正弦波。 测量此时静态集电极电流ICQ和输出电压的峰峰值UOP-P。 带负载时测量ICQ=2.488mA,UOP-P=3.36V 实验结果分析: 结果如下图所示 当ICQ=2.488mA时,得到最大不失真输出UOP-P=3.36VV,再增大输入信号源电压Us即同时出现饱和失真和截止失真。 在实验过程当中,就需要注意R1的大小,避免在较大信号输入时出现失真。 4)测量放大器幅频特性曲线 (1)使用扫频仪测出放大器的幅频特性曲线并记录曲线,读出下限频率fL、上限频率fH。 上限频率657KHz增益38.1db 中间频率10KHz增益41.1db 下限频率63Hz增益38.1db (2)调整ICQ=2mA,保持Ui=5mV不变,完成以下内容,计入表3-3中: (I)参考 (1)中测得曲线,分别在低频区(取fL)、中频区(任取)和高频区(取fH)各取一点测量UO值,记录下限频率fL、上限频率fH,计算带宽BW。 (II)输入Ui=5mV,f=fL,用示波器双踪显示输入输出波形,记录波形,并测量两者间的相位差Φ; (III)输入Ui=5mV,f=fH,用示波器双踪显示输入输出波形,记录波形,并测量两者间的相位差Φ。 表3-3放大电路的幅频特性 f/kHz fL=90Hz f=1KHz fH=180KHz UO/V 0.284 0.403 0.290 Vi超前VoΦ=∆t/T∙3600 1440 ———— 1800 带宽BW=180KHz 实验结果分析: 试验中相位偏差比较大,实验结果并不是十分理想。 f=fL时的输入输出波形图: CH2输出 CH1输入 实验结果分析: f=fH时的输入输出波形图: CH2输出 CH1输入 实验结果分析: 5)负反馈对放大器性能的影响 在实验电路图3-3中增加反馈电阻RF=10Ω,构成电流串联负反馈放大器,如图3-4所示。 调整ICQ=2mA,测量该电路的增益Au、输入阻抗Ri、输出阻抗RO、下限频率fL、上限频率fH、带宽BW,填入表3-4中,并和前面实验的测量结果进行比较。 图3-4电流串联负反馈放大电路 表3-4电流串联负反馈放大电路测量 静态工作点电流ICQ(mA) 2 实验1)、4)结果 测量值 理论值 误差 输入端接地 UBQ(V) 4.601 UCQ(V) 8.02 UEQ(V) 3.974 输入信号Ui=5mV US(mV) 8.1 UO(V) 0.244 UO’(V) 0.411 幅频特性 fL/kHz 0.06 ——— —— fH/kHz 230 ——— —— 计算值 UBEQ 0.630 UCEQ 4.058 Au 48.8 Ri/kΩ RO/kΩ BW/kHz 230 ——— —— 实验结果分析: 2.提高要求 设计一个由基本放大器级联而成的多级放大器,RL=1KΩ,要求满足以下指标: |Au|>100,Ri>1KΩ,RO<100Ω 写出具体设计过程,计算电路参数以及Au、Ri和RO的理论值。 设置合适的静态工作点,在放大器输入端输入频率为f=1kHz的正弦信号,调节信号源输出电压US使Ui=5mV,用示波器双踪显示Ui、Uo的波形,在输出波形不失真的情况下,记录波形,测量US、UO和UO’(负载开路时输出电压)并计入表3-5中。 根据测量结果计算放大器的Au、Ri、Ro,与理论值比较。 表3-5多级放大器技术指标测量 测量值 理论值 误差 输入信号Ui=5mV US(mV) UO(V) UO’(V) 计算值 Au Ri/kΩ RO/kΩ 1)设计过程 2)双踪显示输入输出波形图: 3)实验结果分析: 4)总结多级放大器的设计方法
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- 电压 放大 电路设计