RO>>RL,负载从放大器获取较大电压。
原理与上面输入阻抗部分是一致的,只是将输出阻抗看成Rs,负载看成输入。
(II)图3-4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3-4放大器输出阻抗测量原理图
答:
,
。
要保证这两个值都不太小,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。
(III)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3-1中放大电路的输出阻抗。
答:
由在后面串入一共集放大电路,减小输出阻抗。
6、计算图3-1中各元件参数的理论值,其中
已知:
VCC=12V,Ui=5mV,RL=3KΩ,RS=50Ω,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。
答:
我们用SXT2907A代替。
实际测得9013的bf为140,Multisim中查得SXT2907A的bf为100~300。
经过测试,在信号源置零时,将RW调节至12.68kΩ时,Ic为2mA。
此时的静态工作点测试如下:
Uc=5.85V,Ub=2.70V,Ue=2.06V。
在外加信号源的情况下:
当输入信号(Ui)有效值为5mV时,测得此时的电源电压Us和输出电压Uo分别为18.374mV和500.59mV。
而如果输出开路,则测得开路电压Uo’为726.17mV。
输入输出信号的波形如图所示:
利用波特仪测得幅频特性曲线如图所示:
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3-1中放大电路的上限频率,那些方法可以降低其下限频率。
答:
根据fH和fL表达式,增大的方法是减小R1和R2(同比例)。
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之后,增益减小,但是其他性能都有所提高,如输入阻抗、输出阻抗都会增大,另外能够增大带宽,并对噪声,干扰和温漂具有一定的抑制作用。
五、基本实验内容
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3-1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’表3-1中。
注意:
用双综示波器监视UO及Ui的波形时,必须确保在UO基本不失真时读数。
(3)重新调整RW,使ICQ分别为1.5mA和2.5mA,重复上述测量,将测量结果记入表3-1中。
(4)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)
1
x(设计值)x=2
测量值
测量值
理论值
误差
输入端接地
UBQ(V)
1.66
2.70
2.66
0.1.5%
UCQ(V)
8.92
5.85
6.00
2.50%
UEQ(V)
1.04
2.06
2.16
4.63%
输入信号Ui=5mV
US(mV)
5.54
8.38
8.55
1.99%
UO(V)
0.278
0.520
0.492
6.10%
UO’(V)
0.540
0.973
0.984
1.11%
计算值
UBEQ
0.621
0.636
0.50
27.2%
UCEQ
8.186
4.186
3.84
9.01%
Au
54.6
101.4
98.5
2.94%
Ri/kΩ
8.52
5.23
2.133
145%
RO/kΩ
2.94
2.77
3
7.67%
实验结果分析:
误差分析:
基本上误差还是在允许范围内,静态工作点部分可能存在一些的误差,误差主要在输入阻抗上,原因是在测量Us时已经有不小的误差,电阻并不是精密电阻,存在误差,利用Us和Ui计算Ri时又将这部分误差放大,导致最后得到的结果不太理想。
实验结论:
从两组数据的对比可以看到,静态工作点对输入输出阻抗,电压增益等参数都有非常大的影响,因此合理选择静态工作的重要性不言而喻。
后面还会提到饱和失真和截止失真的问题,同样也跟静态工作点紧密联系。
由三极管的Ic和Uce图像可知,三极管的静态工作点会影响三极管出现饱和失真和截止失真这两种情况,这也是我们在实验中所要关注的地方。
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)
0.570
0.600
3.40
3.84
RW增大时容易出现截止失真,RW减小时容易出现饱和失真
UCQ(V)
11.8
10.2
3.88
3.20
UEQ(V)
60.9mv
1.200
2.76
3.16
计算值
ICQ(mA)
0
0.53
2.89
2.936
UBEQ(V)
0.420
0.598
0.659
0.654
UCEQ(V)
12.18
9.803
0.265
0.075
R1(k)
275
90.4
22.3
21.7
图1截止失真输入输出波形:
图2完全截止失真输入输出波形(实验提示:
此时可以加大输入信号幅度):
图3饱和失真输入输出波形:
实验结果分析:
由实验数据,可以发现静态工作点(这里指ICQ)升高时,容易出现饱和失真,而静态工作点Uce降低时,容易出现饱和失真。
这里静态工作点的调节是通过调节R1实现的。
而饱和失真和截止失真可以分别看成完全饱和与完全截止到放大区中间的过渡阶段。
由理论知识可知,对于Uce与Ic关系图,iC=0时截止,iC=UCEQ/RC≈VCC/RC时饱和。
而iC=IC+ic,因此如果IC较大,则加上正弦交流信号ic后iC上下的幅度都有所增加,最大值更容易达到VCC/RC而产生饱和失真,如果IC较小,则加上正弦交流信号ic后iC的最小值更容易达到0而产生截止失真。
因此在选择静态工作点时,因尽量选在0~VCC/RC中间的位置。
尽可能避免失真出现。
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=2.34mA,UOP-P=5.82V
实验结果分析:
当ICQ=2.34时,得到最大不失真输出UOP-P=5.82V,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。
在选取静态工作点时,调节R1的值,应尽量选在这个值附近,以保证能够对比较大的信号进行放大而不出现失真。
3、测量放大器幅频特性曲线
调整ICQ=x(设计值),保持Ui=5mV不变,改变信号频率,用逐点法测量不同频率下的UO值,计入表3-3中,并画出幅频特性曲线,记录下限频率fL、上限频率fH,计算带宽BW。
表3-3放大电路的幅频特性
f/kHz
0.1
0.2
0.5
1
2
5
10
30
UO/mV
319
427
480
513
519
527
528
525
f/kHz
100
300
1000
UO/mV
518
458
237
幅频特性曲线
下限频率fL=160Hz上限频率fH=500kHz带宽BW=500kHz
实验结果分析:
由测得数据绘得的幅频特性曲线与理想曲线符合的较好。
由于此时保持输入信号Ui=5mV,因此得到的输出电压有效值与Au是成正比的,当f=10kHz时,输出电压最大,即放大倍数最大,中频放大倍数在这附近取到。
在f=160Hz和500kHz时的输出电压为中频输出电压的0.707倍左右,此时即下限频率和上限频率。
六、提高实验内容
1、相位测量
a)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;
答:
Vi超前Voφ=∆t/T∙3600=146.16°
f=fL时的输入输出波形图:
实验结果分析:
实际与理论的误差为34°左右,可见相位差减小。
根据放大相量公式:
,
在低频f=fL情况,经过化简可得此时
,相位提前,与实际情况相符。
在下限频率时提前的相位应该是45°,实际测得的相位差偏小,可能是由于中频和下限频率的测量有偏差。
b)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。
答:
Vi超前Voφ=∆t/T∙3600=213.84°
f=fH时的输入输出波形图:
实验结果分析:
由图像我们可知,高频时的相位应该比180°落后45°。
这里测得的与低频时提前的相位很接近,可能是电容充放电问题,及噪声干扰导致中频区测量有问题,导致低频和高频的值都有偏差。
2、负反馈对放大器性能的影响
在实验电路图3-1中增加反馈电阻RF=10Ω,构成电流串联负反馈放大器,如图3-5所示。
调整ICQ=x(设计值),测量该电路的增益、输入阻抗、输出阻抗、下限频率fL、上限频率fH、带宽BW,并和前面实验测量的结果进行分析比较。
图3-5电流串联负反馈放大电路
静态工作点测量
ICQ=2mA时,测得静态工作点VEQ=2.260V,VBQ=2.594V,VCQ=5.98V。
动态输入输出测量
输入电压Ui为1kHz,有效值Ui为5mV时,测得电源电压US=6.85mV,UO=304mV,UO’=600mV。
上限下限频率测量
f/kHz
0.08
0.1
0.2
0.3
0.5
1
5
10
UO/mV
218
239
281
292
300
304
308
309
f/kHz
30
100
200
500
1000
UO/mV
308
304
288
223
136
幅频特性曲线
根据以上数据,通过与基础部分同样的计算分析可得:
电路的增益Vo=60.8输入阻抗Ri=8.11k输出阻抗Ro=3k
下限频率fL=80Hz上限频率fH=480kHz带宽BW=560kHz
实验结果分析:
实验结果与理论相符合,在增加负反馈之后,电路的增益减小,同时输入阻抗输出阻抗都有所增大。
下限频率减小,上限频率增大,从而带宽增大。
引入电压串联负反馈,相应地提升了输入输出阻抗和带宽,但是代价就是减小了增益。
其他对电路的修改也都有类似的变化,我们需要熟知各个模块的特点与其应用的地方,但更重要的是要根据实际情况的需要相应的设置电路,改变设计的参数,达到电路所要求的性能特点。
七、发挥实验内容
自己设计。
注意事项:
1、各仪器的地线应与电路的地相连接。
2、稳压电源的输出电压应预先调到所需的电压值再接入实验电路中。
3、若电路存在自激,可改变元件的接线位置或走向,并注意电解电容的极性。
4、在测幅频特性时,随着频率升高,信号发生器的输出幅度可能会下降,从而出现输入信号Ui与输出信号Uo同时下降的现象。
所以在实验中要经常测量输入电压值,使其维持5mV不变。