东大模电实验三极管放大电路设计教案资料.docx
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东大模电实验三极管放大电路设计教案资料
东南大学电工电子实验中心
实验报告
课程名称:
模拟电子电路基础
第三次实验
实验名称:
三极管放大电路设计
院(系):
专业:
姓名:
学号:
实验室:
105实验组别:
同组人员:
实验时间:
2015年05月04日
评定成绩:
审阅教师:
实验三三极管放大电路设计
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、场效应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
≤40V(额)
集电极基极电压。
必须在此范围内工作否则将损坏三极管。
VCEO
≤30V(额)
集电极发射极电压。
同上。
VEBO
≤5V(额)
发射极基极电压。
同上。
ICM
≤500mA(额)
集电极电流。
同上。
hFE
96~246
直流增益。
VCE(sat)
≤0.25V
集电极发射极饱和压降。
VBE
≤1V
基极发射极正向电压。
fT
≥140MHz
特征频率。
注:
额——表示Absolutemaximumratings,最大额定值。
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:
1图3-1偏置电路名称:
分压式偏置电路。
2自动调节晶体管电流Ic以实现稳定直流工作点的作用的原理:
当温度升高,会引起静态电流ICQ(≈IEQ)的增加,此时发射极直流电位UEQ=IEQ*RE也会增加,而由于基极电位UBQ基本固定不变,因此外加在BJT发射结上的电压UBEQ=UBQ-UEQ将减小,迫使IEQ减小,进而抑制了ICQ的增加,使ICQ基本维持不变,达到自动稳定静态工作点的目的。
同理,当温度降低时,ICQ减小,UEQ同时减小,而UBEQ则上升促使IEQ增大,抑制了ICQ的减小,进而保证了Q点的稳定。
3若R1、R2取得过大,则不能再起到稳定工作点的作用。
这是因为在此情况下,流入基极的电流不可再忽略,UB不稳定导致直流工作点不稳定。
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:
提高电压增益的方法:
从增益的公式来看,可以通过提高β值与Rc、减小rbe值来提高增益,但各有其弊端。
提高β虽可行但选择范围有限,改变Rc、rbe会影响到静态工作点。
还可以在电路中引入正反馈,可这种方法会影响电路工作的稳定性,因而不常用。
此外,还可以通过多级放大电路实现,这种方法往往增益大、输入电阻大、输出电阻小,在工程中广为应用。
(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,因为实验中所测信号幅度很小,用示波器测量将把噪声计入幅值,万用表测量的灵敏度低。
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
1答:
放大电路输入等效电路图:
简单解释:
放大器从信号源获得的功率为P=I2*Ri,I=Us/(Rs+Ri),两式联立,解得,当Ri=Rs,放大器从信号源获取最大功率,最大功率为Pmax=Us2/(4Rs)。
也可直接看出,Ri越小,放大器从信号源获取的电流越大。
Ui=I*Ri,当Ri越大,放大器从信号源获取的电压越大。
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:
由图得,Ri=Ui*Rs/(Us-Ui)。
若Rs太大,Ui太小;Rs过小,Us与Ui太接近,测量困难。
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:
在输出不失真的情况下,降低电路的直流工作点;增大R1、R2并保证不影响UBE的稳定。
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:
输出等效电路图:
简单解释:
负载从放大器获取的电压P=I2*RL,Uo=RL*Uo’/(RL+Ro)。
当Ro=RL,负载从放大器获取最大功率。
也可以直接看出,Ro越小,负载获得的电压越大,电流也越大。
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:
Ro=(Uo’-Uo)*RL/Uo,若RL太小,Uo也太小,难以测量;RL太大,Uo’与Uo相当,Uo’-Uo太小。
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:
Ro=Rd,可以减小Rd但此法将影响静态工作点;此外也可以引入负反馈的方法来减小输出电阻。
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
Multisim仿真电路图:
2)参数选择计算
设UBEQ=0.7V,β=100。
其中ICQ最好取2mA。
令UBQ=5.7V,UEQ=5V,又ICQ=2mA≈IEQ,RE=UEQ/ICQ=2.5kΩ,取RE=2kΩ+510Ω。
rbb’=200Ω,rbe≈1.5kΩ。
取Rc=2kΩ。
RL’=Rc||RL=1.2kΩ。
R1=14.7kΩ,R2=6.8kΩ。
Au=-β(Rc||RL)/rbe=80>50
Ri=R1||R2||rbe=1.134kΩ>1kΩ
Ro=Rc==2kΩ<3kΩ
满足要求。
其中电容尽量取大。
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:
增加上限频率:
选择rbb’,Cb’c小、fT高的三极管。
在不能选择三极管的情况下,可通过减小R1、R2来实现上限频率的增大,但要注意输入电阻与增益随之改变。
降低下限频率:
提升C1、C2、CE(旁路电容)值,这三个值是影响下限频率的主要因素。
8.负反馈对放大器性能的影响
答:
电路中引入负反馈之后,增益减小,带宽、输入阻抗、输出阻抗增大,对噪声温漂等干扰有抗干扰能力,总的来说负反馈能有效提高电路的性能。
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
多级放大器中各级放大电路往往各有其功能,比如本次设计的三级放大电路,第一级共源放大,主要用于增大输入电阻,第二级共射放大,主要用于信号放大,最后一级共集放大用于减小输出电阻。
从这一基本设计思想出发,依次确定各级放大电路的参数。
Vcc=12V。
第一级目的在于增大输入电阻,并对信号进行小幅放大:
Ri=RG3+RG1//RG2>1MΩ,取RG3=2MΩ。
令UGQ=5V,则RG1=270kΩ,RG2=200kΩ。
若IDQ=2mA,UGSQ=2.2V,USQ=2.8V,Rs≈1.4kΩ,可取Rs=2kΩ,相应的可取RD=2kΩ,仿真时为了保证合适的放大倍数这个值有所调整,只是计算大概参数范围。
此时gm≈2.24,Au≈2.8。
第二级目的在于放大:
UB2Q=2.5V,取RB1=20kΩ,RB2=5.1kΩ。
IE2Q=0.5mA,RE=3.3kΩ,Rc=6.8Ω。
第三级目的在于减小输出电阻:
UB3Q=8.6V,ICQ=2mA,图中R6≈3.65kΩ取3.3kΩ,负载RA取4.7kΩ。
关于电容的选择,要使交流信号通过时电容相当于短路,电容值要尽量大,本电路中所取电容为47μF、100μF。
我的第一、二级电路间采用电容耦合,静态工作点相互独立;第二、三级电路则采用直接耦合,因为尽管它们的静态工作点相互影响,但参数值计算简单,而且直接耦合能够减少元器件,方便搭电路与检查错误。
3)仿真结果
其中Channel_A为输出信号,Channel_B为输入信号。
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。
相关波形图:
由图可知:
放大倍数约为97倍,符合要求。
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)
1
2
测量值
测量值
理论值
误差
输入端接地
UBQ(V)
2.883
5.928
5.8
2.2%
UCQ(V)
9.68
7.68
8
4%
UEQ(V)
2.269
5.284
5.02
5.3%
输入信号Ui=5mV
US(mV)
14
7.5
5.07
47.9%
UO(V)
0.223
0.36
0.3871
7%
UO’(V)
0.316
0.64
0.645
0.78%
计算值
UBEQ
0.614
0.644
0.78
17.4%
UCEQ
7.411
2.396
2.98
19.6%
Au
44.6
72
77.42
7%
Ri/kΩ
5.04
3.384
3.46
2.2%
RO/kΩ
1.987
1.93