模电实验3-1 验证性实验–单管共射放大电路

  • 实验目的:
  • 进一步熟悉各种测量仪器的使用方法;
  • 进一步掌握各种元器件的识别及其测量方法。
  • 掌握基本共发射极放大电路的基本测试方法。
  • 学习掌握放大器静态工作点的测量方法及电压放大倍数的测量方法
  • 了解电路元件参数改变对静态工作点及电压放大倍数的影响。
  • 掌握放大电路输人、输出电阻的测量方法。
  • 实验仪器与器件

(1)实验仪器

函数信号发生器;双踪示波器;数字万用表;交流毫伏表。

(2)实验用器件

晶体三极管;电阻、电容若干。

  • 实验电路原理

本实验选用分压偏置式电路:

电路图:

  1. 静态工作点的计算:

在本实验的分压偏置电路,具有稳定静态工作点的功能。在分析静态工作点时,可将IBQ视为极小,从而IRB1=IRB2,从而:

为保证,前者应该是后者的5-10倍,兼顾取

  1. 静态工作点对放大器交流参数的影响

在交流信号模型中,基极电阻受的影响:

继而影响电路的输入电阻,电压放大倍数。

3.动态性能:

电路的动态特性包括:电压放大倍数A,输入电阻Ri,输出电阻Ro。对本实验使用的分压偏置电路:

4.电路输入电阻的测量:

将电路外接已知电阻Rx,对整个电路提供Us的电压,测量放大电路的输入电压Ui,则可计算出:

5.电路输出电阻的测量:

从输出端看入放大电路,电路可等效成为一个电阻RO与输出电压源uo的串联。在输出口连接负载电阻RL,可得:

6.放大电路频率特性的测量:

由于电路中存在电抗原件,对于交流小信号而言,不同频率的信号受电容的阻抗不同,因此放大倍数也有所差异。影响低频信号的主要阻抗来自于旁路电容,影响高频信号的阻抗主要来自于三极管内部的结电容。

  • 实验内容:
  1. 放大电路静态工作点的测量(实验室实测):

实验步骤:

  由万用表测得三极管电流放大倍数为214;

  按照上述电路图连接电路,将变阻器电阻调至最大,将信号源和输出端开路,接通12V电压,用电压表测量UB、UE、Uc,计算出UBE、UCE、Ic、IB、RB1

实验结果:

UB/V UE/V Uc/V UBE/V UCE/V Ic/mA IB/μA RB1/kΩ
测量值 2.172 1.562 9.632 0.612 8.073 0.7893 3.7 109.1
  1. 放大器放大倍数的研究与测量:
  • 放大倍数的测量(实验室实测):

实验步骤:

在电路的信号输入端输入1kHZ的正弦信号,调节信号发生器的幅值使得输出信号不失真。用数字示波器测量输出电压的最大值Uom,计算放大倍数。

实验结果:

  • 静态工作点对放大器放大倍数的研究:

实验步骤:

  调节Rw的大小,使得,调节输入信号使得输出波形不失真,测量输入电压和输出电压的幅值,计算放大倍数。

实验结果:

最小可调为1.553V,使用万用表测得Uo有效值为125.4mV,Ui有效值为3.6mV,计算得Au为34.8.

对比此实验结果与上一实验结果进行对比,可以得到Ic越大,电路的放大倍数越大。

这是因为在分压偏置电路中,静态工作点通过影响rbe影响输入电阻,从而影响放大倍数。通过之前公式可以得到:

由公式也可以看出Ic越大,电路的放大倍数越大。

(3)负载对放大倍数得影响(multisim仿真):

  实验步骤:在保持输入信号不变得情况下,改变负载电阻的大小,测量输出电压的幅值,观察负载对放大倍数的影响。

  实验结果:

RL Uom/V Uim/V Au
516.18 5 -103.23
10kΩ 396.62 5 -79.32
3kΩ 259.6 5 -51.92
0.5kΩ 74.49 5 -14.89
  • 静态过做点对放大器输出波形的影响:
  1. 放大器最大动态范围的测量

调节偏置电阻Rw的大小,把静态工作点调整在交流负载线的中点(调节Rw使得刚刚产生饱和、截至失真),测量此时的输入电压和输出电压,那么放大器的输入动态范围为2Uimax、输出动态范围为2Uomax,测量并记录此时的Ic,RB1.

实验结果:

通过计算,得到当Rw=50kΩ时,Q处于负载线的中点。

Ic=1.08mA, RB1=60kΩ。

  1. 静态工作点对输出波形的影响

在放大电路不失真的情况下,调节Rw的大小,观察静态工作点以及输出波形的变化。

实验结果:

测试条件

Rl=∞

静态工作点 输出波形 判断失真类型
Ic/mA Ue/V Uc/V Uce/V
RB1=25kΩ 2.121 4.300 5.637 1.337 底部被截 饱和失真
RB2=40kΩ 1.533 3.096 7.400 4.304 正常正弦波 未失真
RB3=65kΩ 0.989 1.985 9.032 7.047 顶部被截 截止失真
  1. 输入电阻的测量(multisim仿真):

实验步骤:

(1)关闭直流电源与信号源,在信号源和放大电路间接入Rx的已知电阻

(2)接通直流电源和信号源,在输出电压不失真的情况下,用交流电压表测量us与ui的最大值,计算Ri的值。

实验结果:

Us/mV Ui/mV Rx/kΩ Ri/kΩ
10 3.92 4 2.58
  1. 输出电阻的测量(multisim仿真):

实验步骤:

  • 将负载电阻与电路断开,接通直流电源和信号源,在输出信号不失真的情况下,测量此时的空载输出电压有效值。

(2)将负载电阻接入电路中,测量不失真输出电压uol的有效值,计入表中。

Uol/mV Uo/mV Rl/kΩ Ro/kΩ
573 982 4 2.85
  1. 放大器频率特性的测量

1)放大电路输入端加入1kHz的正弦信号,用示波器观测放大电路处于正常放大状态,改变信号源的频率,观察信号源的频率对输出电压幅度的影响,出入确定放大电路通频带范围及Uom

(2)逐渐增大信号发生器的频率,观察输出电压幅值遂频率变化的趋势,随着频率升高,输出电压会降低,记录输出电压为Uom的0.707倍时的频率fH

(3)逐渐减小信号发生器的频率,输出电压会降低,记录输出电压为Uom的0.707倍时的频率fL

Uim/mV Uom/V fH fL
仿真值 10 974 90 589k
  • 实验总结与课后思考

实验总结:

  1. 在实验开始前使用万用表测得三极管的电流放大倍数,与实验实际测量计算得到的放大倍数有所差别。其中的原因有可能与三极管在放大区放大倍数受静态工作点的影响。
  2. 在实验开始阶段,由于对实验箱器件分布的不熟悉,导致在电路连接过程中消耗太多时间。
  3. 在示波器使用时,由于输入电压与输出电压差别较大,难以在同一示波器上显示输入输出电压,对于输入电压,在实验过程中我使用的数据为信号发生器显示的电压,输出电压为示波器上的电压。
  4. 在电压放大倍数的测量中,测量出的放大倍数较小,可能是由于器件的原因,也有可能时因为导线的损坏导致示波器显示了一个不准确的电压。

实验思考:

  • 如何正确选择放大器的静态工作点?

在设置静态工作点时,既要考虑输出波形是否失真,还要尽可能降低Q点从而减小电路的功耗。不断减小Rw,使得输出波形完整,在不失真的情况下压低Q点;如果是放大一个较大的信号,则为了提高放大的区间,应尽可能的将Q点选在交流负载线的中点。

  • 负载变化对静态工作点有无影响?对电压放大倍数有无影响?

在分析静态工作点时,由于是断开输入输出回路进行,所以负载对静态工作点的设置无影响;

在分析交流回路的放大倍数时,输出电压为Ic(Rl//Rc),所以负载对输出电压会产生影响,从而影响电压放大倍数。

  • 放大器的静态动态测试有什么区别?

    在测量放大器的静态工作点时,不接入输入信号,测量一系列静态电压,电流等;动态测量时接入交流信号,主要测试输出信号的放大倍数,输入输出电阻,带宽等等。

  • 哪些原件决定放大器的静态工作点?

由静态电路可以看出,在分压式连接中,RB2决定基极电位,在Ubeq已知的情况下,还决定了IEQ;从而决定静态工作点。因此,Q点由RB1与RB2的分压比决定。

  • 当负载无限增大时,放大倍数是否可以无限增大?

  不可以,因为输出电压的大小在输出端由Rc//RL决定,当RL很大时,近似于断路,对Rc//RL的值影响不大,所以不再变化。

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THE END
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