晶体管单管放大器
一、实验目的
1、 了解和熟悉掌握晶体管单管放大器
2、学会放大器静态工作点的调试方法,分析静态工作点对放大器性能的影响。
3、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。
4、 熟悉常用电子仪器及模拟电路实验设备的使用。
二、实验原理
图2-1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RB1和RB2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。
1、 放大器静态工作点的测量与调试
1) 静态工作点的测量
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直流毫安表和直流电压表,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UE或UC,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UBE=UB-UE,UCE=UC-UE。
为了减小误差,提高测量精度,应选用内阻较高的直流电压表。
三、实验设备与器件
1、+12V直流电源 2、函数信号发生器
3、双踪示波器 4、交流毫伏表
5、直流电压表 6、直流毫安表
7、频率计 8、万用电表
9、晶体三极管3DG6×1(β=50~100)或9011×1 (管脚排列如图2-7所示)
四、实验内容
实验电路如图2-1所示。
1、调试静态工作点
连接电路,接通直流电源前,将函数信号发生器关闭。接通+12V电源、调节RW,使UE=2.2V(即IC=2.0mA,或RC1两端的直流电压为4.8V,注意万用表的电流档很容易烧毁,所以最好采用测电压的办法,电压除电阻就可以得到电流), 用万用表的直流电压档测量UB、UE、UC。记入表2-1。
表2-1 IC=2mA
2、测量电压放大倍数
打开函数信号发生器电源,在放大器输入端(电路的最左边,函数信号发生器红色夹子加在5.1K电阻的上面,黑色夹子加在51欧姆的电阻的下面)加入频率为1KHz的正弦信号uS,调节函数信号发生器的输出旋钮(函数信号发生器最右边的那个旋钮,也就是靠近OUTPUT输出的旋钮)使放大器输入电压Ui10mV(交流电压,用交流毫伏表或者示波器的测量档测量),同时用示波器观察放大器输出电压uO波形,在波形不失真的条件下用交流毫伏表或示波器测量下述两种情况下的UO值,并计算出Av,填入表2-2中,并用双踪示波器观察uO和ui的相位关系,在坐标轴上按照1:1的比例绘制出来,必须标注出Y轴一格所代表的电压和X轴一格所代表的时间。
表2-2 Ic=2.0mA Ui=10mV
3、观察静态工作点对电压放大倍数的影响
置RL=∞(即开路),Ui=10mV,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UO值,并计算出Av记入表2-3。
表2-3 RL=∞ Ui=10mV
测量IC时,要先将函数信号发生器关闭(即使Ui=0)。
4、观察静态工作点对输出波形失真的影响
置RL=2.4KΩ, ui=0,调节RW使IC=2.0mA,测出UCE值(直流电压),再逐步加大输入信号,使输出电压u0 足够大但不失真(如果函数信号发生器已经调节到最大了,可以直接把函数信号发生器加到Ui两端!)。 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u0的波形,并测出失真情况下的IC和UCE值,记入表2-4中。每次测IC和UCE 值时都要将函数信号发生器关闭。5.034V
表2-4 RC=2.4KΩ RL=∞ Ui=200 mV
*5、测量最大不失真输出电压
置RL=2.4KΩ,按实验原理2.4)中所述方照法,同时调节输入信号的幅度和电位器RW,用示波器和交流毫伏表测量UOPP及UO值,记入表
2-5。
表2-5 RC=2.4K RL=2.4K
*6、测量输入电阻和输出电阻
置RC=2.4KΩ,RL=2.4KΩ,IC=2.0mA。输入f=1KHz的正弦信号,在输出电压uo不失真的情况下,用交流毫伏表测出US,Ui和UL记入表2-6。
保持US不变,断开RL,测量输出电压Uo,记入表2-6。
表2-6 Ic=2mA Rc=2.4KΩ RL=2.4KΩ
*7、测量幅频特性曲线
取IC=2.0mA,RC=2.4KΩ,RL=2.4KΩ。 保持输入信号ui的幅度不变,改变信号源频率f,逐点测出相应的输出电压UO,记入表2-7。
表2-7 Ui= 9.832 mV
五、实验总结
讨论静态工作点变化对放大器输出波形的影响。
静态工作点在特性曲线的位置如果上升(变大),那么Q点会到达饱和区,会出现饱和失真,也就是正弦波信号的上半部分会缺失。静态工作点在性曲线的位置如果下降(变小),那么Q点会到达截止区,会出现截止失真,也就是正弦波信号的下半部分会缺失。
六、预习思考
1、测试中,如果将函数信号发生器、交流毫伏表、示波器中任一仪器的二个测试端子接线换位(即各仪器的接地端不再连在一起),将会出现什么问题?
对于函数信号发生器:如果有波形输出,例如正弦波,则在示波器端的显示是反相。交流毫伏表:正电流显示为负电流,负电流显示为正电流,容易造成仪器损坏。示波器:只是显示的通道不同了而已,没影响。
目录
一、 中文摘要???????????1
二、 设计任务及目的????????2
三、 工作原理及基本关系式?????3
四、 已知条件???????????6
五、 性能技术指标要求???????6
六、 电路的设计与调试???????7
七、 误差分析???????????9
八、 实验分析与研究????????10
九、 实验总结???????????11
十、 参考文献???????????12
1
一、中文摘要
运用节点数等效电路,对单级阻容耦合晶体管共射极放大器的低频特性进行了分析,说明教材中提供的分析方法不能用于讨论放大器的低频特性.关键词:晶体管放大器;增益;频率特性法和晶体管参
二、 (一)设计任务:
设计一个分压式电流负反馈偏置的单级共射级的小信号放大器,输入和输出分别用电容和信号及负载隔直流,设计静态工作点,计算电路元件参数,拟定测试方案和步骤;
(1) 在面包板或万能板上安装好电路,测量并调整静态工
作点。
(2) 测量设计好的电路的偏置电压和电流;
(3) 测量所设计电路的实际电压放大倍数;
(4) 测量所设计电路的实际输入、输出电阻;
(5) 给所设计的电路加上频率为20KHZ,大小合适的正弦
波,调节偏置电阻,用示波器预测输出波形在无失真、
饱合失真和截止失真三种情形下,记录相应的偏置电
阻大小、ICQ和波形,并绘制表格;
(6) 用EWB对电路进行仿真,打印仿真结果;
(7) 写出设计报告。
(二)设计目的
2
1、学习晶体管放大器的设计方法;
2、 研究静态工作点对输出波形的影响及静态工作点的调整方
法;
3、 掌握静态工作点、电压放大倍数的输入电阻、输出电阻的测
试方法;
4、 研究信号源内阻对波形失真的影响。
三、(一)工作原理:
晶体管放大器中广泛应用图所示电路,称之为阻容耦合共射极放大器。它采用的是分压式电流负反馈偏置电路,放大器的静态工作点Q主要由RB1,RB2,RE,RC及电源电压+VCC所决定,该电路利用电阻
RB1,RB2的分压固定基极电位VBQ.如果满足条件I1??IBQ,当温度升高时,ICQ?—VEQ?—VBE?—IBQ?—ICQ?结果抑制了ICQ的变化,从而获得稳定的静态工作点。
3
单级阻容耦合晶体管放大器设计
(二)基本关系式:
只有当I1??I
BQ
时,才能保证VBQ恒定。这是工作点恒定的必要条件,一般取
{
I1?(5?10)IBQ(硅管)I1?(10?20)IBQ(锗管)
即VBQ
??5?10?VBE,
负反馈愈强,电路的稳定性愈好。所以要求VBQ
??VBE,
一般
取
{
VBQ?(3~5)V(硅管)VBQ?(1~3)V(锗管)
电路的静态工作点由下列关系式确定:
RE?
VBQ?VBE
ICQ
=
VEQICQ
EQ
对于小信号放大器,一般取I
RB2
CQ
=0.5mA~2mA,V=(0.2~0.5)V
CC
=
VBQI1
=
VBQ
(5~10)ICQ
?
RB1?
VCC?VBQ
VBQ
RB2
VCEQ?VCC?ICQ(RC?RE)
电压放大倍数
。
?
AV=
V0
。
?
?RL
rbe
’
式中,
Vi
RL
‘
=R∥R;r为晶体管输入电阻,即
C
Lbe
rbe?rb?(1??)
26mV{IEQ}mA?mA
?300?+?
26
mV
{ICQ}mA?mA
输入电阻
Ri?rbe
∥R∥R
B1
B2
?rbe
放大器的输入电阻反映了放大器本身消耗输入信号源功率的大小。若
4
Ri??RS
(信号源内阻),则放大器从信号源获取较大电压;若R
i
i
??Rs
,
则放大器从信号源吸取较大电流;若R最大功率。
?Rs,则放大器从信号源获取
用“串联电阻法”测量放大器的输入电阻R,即在信号源输出与放大
i
器输入端之间,串联一个已知电阻R(一般以选择R的值接近R的值
i
为宜),如图所示。在输出波形不失真的情况下,用晶体管毫伏表或示波器,分别测量出V与Vi的值,则
S。
。
Ri
=
ViVS?Vi
R
式中。V为信号源的输出电压值。
S
输出电阻
o
Ro?ro∥Rc?Rc
式中,r为晶体管的输出电阻。
要严格计算电容C、C及C同时存在时对放大器低频特性的影
B
C
E
响,较为复杂。在工程设计中,为了简化计算,通常以每个电容单独存在时的转折频率为基本频率,再降低若干倍作为下限频率。如果放大器的下限频率f已知,则可按下列表达式估算:
L
C
B
?(3~10)
1
2?fL(RS?rbe)
1
2?fL(Rc?RL)
)
Cc?(3~10)
C
E
?(1~3)
1
2?fL(RE//
RS?rbe1??
5
通常取CB=C。 C
四、已知条件:
+Vcc=12V,R =2k,晶体管3DG100,VLi?(有效值),RS?50?。
五、性能指标要求
主要技术指标:
AV?30,Ri?2K,RO?3K,BW?100~500HZ,电路工作稳定性好。
实验仪器:
COS5020示波器1台,EE1641B信号源一台,DF1731SD直流电源一台,万用表一只。
4.电路工作原理
图所示电路为一典型的工作点稳定阻容耦合放大器。RP、R、R、B1B2RE组成电流负反馈偏置电路,R为晶体管直流负载,R与R构成CCL
`
L交流负载R. CB、CC用来隔直和交流耦合。
6
晶体管放大器
六、电路的设计与调试:
(1) 电路设计
根据3DG100的输出特性曲线,,测得β=60。 要求R
i
?rbe?rb?(1??)
26mV{IEQ}mA?mA
?300?+?
26
mV
{ICQ}mA?mA
>2K
∴I
CQ
?
26?2000?300
CQ
?0.92mA
取I= 0.8A
CQ
BQ
则 I=I/β=13μA I1=(5-10) I=104μA
BQ
若取V
EQ
?0.2VCC?2.4V
则 RE
=V
BQ
?VEQ?ICQ?3K?
RB2/I1?(VEQ?VBE)/I1?45k?
要求:A
RB1?(VCC?VBQ)/I1?135k?
。
V
?30,根据电压放大倍数AV=
?
V0
。
?
?RL
rbe
’
求得:
Vi
7
RL1?1.13K?',R
?C?2.6K? CB?CC?102?fL(RC?RL)6.9μF 取8μF
CE?
2?(RE//1RS?rbe1??)?5.08μF 取6μF
(2) 电路的装调
按照设计参数安装电路,接通电路,调整电路,用万用表测得静态工作点:
VBQ VEQ VCEQ VBEQ ICQ
4.7V 2.2V 6.6V 0.69V 0.8mA
主要技术指标与测量
(1)测量电压增益A V
在放大器输入端加上f=400HZ,V
i0ip?p?28mV正弦波,在输出波形不失真时,测得v和v的波形如图所示
输入输出波形
8
由图可知:
AV?VOP?P/ViP?P=7.72V/234mV=33
(3) 测量通频带BW
测量方法参见书,将测量结果画在半对数坐标纸上,并连接成曲线。当放大器增益下降到中频的0.707倍时所对应的f和f,故得通频带LH
BW为100-900KHZ。
(4) 测量输入电阻R i
测量电路见第三章第一节,输入一固定信号电压,分别测得R两端的L
输出电压Vo=8V,V=7.72V,则 OL
RO?(RO/VOL?1)RL=(8/7.72-1)2=2.4K?
七、误差分析
(1)电压增益A V
理论计算值A取33,相对误差?VAV=(30-30)/30×100%=0%
(2)输入电阻R
ibei i理论值R≈r=2.25K?,实测值R=2.05K?
相对误差?Ri?(2.05?2.25)/2.05??8.9%
(3)输出电阻R O
理论值RO?RC?2.6K?,实测得R=2.73K? O
相对误差?RO?(2.73?2.6)/2.6?5%
误差产生的原因:(1)各计算公式为近似公式;(2)元件的实际值与标称值不尽相同;(3)在频率不太高时,C
测量仪器仪表的读数误差。
9 E,CB的容抗不能忽视;(4)
八、实验分析与研究
(1) 影响放大器电压增益的因素
从求得A的公式可知: V
㈠晶体管的β↑_A↑,而RVC?RO,故R不可太大。 C
㈡rbe?rb?(1??)26mV{IEQ}mA?mA?300?+?26mV{ICQ}mA?mA,则
IEQ??AV??rbe??rbe?会使R↓。 i
(2) 影响放大器通频带的因素
从求f的公式可知: L
㈠C↑—f↓,但C增大后,电容的体积和价格也增大,设计时应ELE
综合考虑。
㈡在晶体管发射极增加反馈电阻R(约几十欧姆),可使f↓,AFLV?。
(3) 波形失真的研究
当静态工作点过低时,会产生截止失真;过高时会产生饱和失真。改进办法:调整偏置电阻。截止失真时减小R,提高VB1BQ增大IEQ,饱和
失真时增大R,以减小I。 B1EQ
10
九、实验总结:
㈠通过本次实验掌握了单级阻容耦合放大器的工程设计估算法和如何调整放大器的静态工作点,掌握了放大器的主要性能指标及其测量方法。尤其是对如何提高放大器的电压增益和扩展通频带的体会较深。
㈡进一步熟悉了示波器、信号发生器和万用表的使用方法,以及如何来检查晶体管的好坏。
㈢在实验时应保持冷静,测试有条理,遇到问题要联系书本知识积极思考,同时一定要做好实验前的预习和实验中的数据记录,这样才能够在实验后有数据进行分析和总结,写出合格的实验报告。
11
十、参考文献
电子线路设计 实验测试 (第二版) 谢自美 主编
电路与电子学(第3版 王文辉等编著
放大电路 童安奇 樊友民
何金茂主编,《电子技术基础实验》(第二版),高等教育出版社,1991 杨建国,宁改娣主编,《电子技术基础开放实验—实验指导书》,轻印讲义,2003 王建校等编,《MAX+PLUSⅡ应用入门》,科学出版社,2000
模拟电子技术教师手册 华成英 高等教育
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