东南大学模电实验五晶体管放大器的频率响应.docx
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东南大学模电实验五晶体管放大器的频率响应
实验五晶体管放大器的频率响应
实验目的:
1.熟悉仿真软件Multisim的使用,掌握基于软件的电路设计和仿真分析方法;
2.熟悉PocketLab硬件实验平台,掌握波特图功能的使用方法;
3.通过软件仿真和硬件实验验证,掌握晶体三极管放大器的上下限频率及通频带概念;
实验预习:
设置如图5-1电路,改变CC1,CC2和CE1三个电容,并在输出端接负载电容C1,获得如图5-1所示电路。
1.根据实验二中的直流工作点,计算该单级放大器的中频电压增益Av=-38.59。
2.复习放大器上下限频率概念和计算方法。
图5-1电路中,电容CC2和CE1足够大,可视为短路电容。
具有高通特性的电容CC1和输入电阻Ri决定了电路的fL;低通特性的电容C1和输出电阻决定了电路的fH。
请分别计算电路的fL、fH和通频带BW,填入表格5-1。
图5-1.晶体三极管放大器频响电路
解:
由实验二可知,β=120,
(1)
忽略沟道长度调制效应,即
不计
忽略基极电流,故
由直流分析,
(1+β)
uA
由交流分析,
β
故
=
因此,20lg
=31.73dB
(2)
=
//[
]
=
实验内容:
一、NPN管放大器仿真实验
1.放大器幅频和相频仿真:
根据图5-1所示电路,在Multisim中搭建晶体三极管2N3904单级放大电路,进行电路的幅频和相频特性仿真。
信号源设置:
加入如图5-2所示的信号源,双击它,在弹出如图5-3窗口中设置AC
仿真信号源。
设置ACanalysismagnitude=1V;ACanalysisphase=0deg。
注意,此处的1V并不表示输入为1V的大信号,仅仅表示输入为1个单位信号。
因此,此时的输出电压Vout/1=Vout。
因此输出即为增益值。
图5-2交流电压源
图5-3电压源设置窗口仿真设置:
Simulate→Analysis→ACAnalysis…
弹出如图5-4所示窗口。
在Frequencyparameters中设置AC扫频的开始频率FSTART,终止频率FSTOP,扫频种类:
Decade(十倍频),NumberofPointsperdecase:
10,表示每10倍频中扫多少个频率点;Verticalscale:
纵坐标的刻度:
Decibel(dB值)。
在OutputTab中从左侧栏选择需要观测幅频和相频特性的点,点击Add,加入到右侧栏后,点击Simulate,开始进行AC仿真。
结果查看:
在弹出的波形窗口中,如图5-5所示,使用Cursor,可以清楚地看到中频增益和上下限频率。
将仿真结果填入表格5-1中。
注1:
相位图中当出现相移超过-180度时,会自动翻转至+180度继续下降。
计算值
仿真值
实测值
放大器增益AV(dB)
-31.73
-31.65
-28.70
下限频率fL(Hz)
145.48
156.7980
154.45
上限频率fH(Hz)
5305.16
5452.0
5243.56
5159.68
注2:
所有展示波形仅为参考,以实际仿真波形为准。
图5-4AC仿真设置窗口
图5-5幅频和相频曲线
表5-1:
晶体三极管放大器频率特性
通频带BW(Hz)
5159.68
5295.202
5089.11
2.放大器瞬态仿真:
采用实验三中的瞬态仿真方法,分别输入三个不同频率的相同幅度正弦波信号,观察瞬态波形输出,并从示波器上显示的波形峰峰值换算出不同频率时的增益值,填入表格5-2。
并注意输入输出波形中相位之间的关系。
将增益和相位关系与AC仿真结果相对比,理解放大器的频率响应。
三种频率的具体要求是:
低频区fL与fH之间;高频区:
>fH。
表5-2:
不同频率输入信号时放大器增益值
电压增益Av
低频区f=50Hz
中频区f=4kHz
高频区f=10kHz:
仿真值
10.16
31.92
18.60
测试值
10.73
26.82
15.46
低频区f=50Hz:
中频区f=4kHz:
高频区f=10kHz:
分析:
在误差允许范围内,可以认为仿真值和测试值一致。
二、NPN管放大器频响硬件实验
本实验采用PocketLab实验平台提供的直流+5V电源、信号发生器、直流电压表、波特图仪和示波器。
1.电路连接
首先根据图5-1在面包板上搭试电路,并将PocketLab的直流输出端+5V和GND与电路的电源、地节点连接;PocketLab的输出端SIG1端口作为电路的输入信号接CC1左侧;PocketLab示波器1通道CH1接电路输入信号端;示波器2通道CH2接电路输出,即CC2右侧,分别测试输入输出两路信号。
注:
因为后续需要采用波特图测试仪,波特图测试仪默认将CH1作为激励;CH2作为观测输出,因此这里CH1,CH2通道请勿接反。
2.直流测试
在进行波形测试之前,请采用实验二的直流测试方法,使用PocketLab直流电压表测试各点直流电压,以确保电路搭试正确。
3.波特图测试
在电脑中打开PocketLab的波特图界面,如图5-6所示。
扫频信号来自于SIG1通道,已接到电路输入端;波特图默认激励通道为CH1,因此SIG1接CH1;CH2默认为响应通道,接电路输出端。
在该界面上,需要设置扫频的起始频率,终止频率,步进和扫频信号的峰值电压。
除了扫频信号的峰值电压外,其余设置定义和Multisim中相同,除了PocketLab最高能支持的扫频值为10KHz。
而扫频信号的峰峰值要特别注意,因为这是真实加入的信号,与仿真时的虚拟信号不同,因此为了防止仿真电路进入大信号状态,该峰峰值应设置为一个足够小的信号,如0.01V,即10mV,以保证电路工作于小信号状态。
设置好后,点击Scan,扫描获得幅频和相频曲线。
请读出上下限频率和增益值,填入表格5-1。
图5-6波特图界面
4.瞬态波形测试
PocketLab与电路的连接方式保持不变。
在PocketLab中打开信号发生器和示波器界面(Scope),选择输入信号波形为正弦波,信号幅度Vpp为0.01V,DCOffset=0V。
在电脑中打开PocketLab的示波器界面,显示三极管单端放大器的输入,输出波形。
点击按钮Run,连续改变输入正弦波的频率,在示波器窗口中选择合适的时间和电压刻度,观察输出波形峰峰值和输入输出波形相对相位值的变化,体会电路对于不同频率的响应。
选取表5-2中的三个频率,根据示波器窗口中读出的输入输出波形峰峰值,获得其电压增益,填入表格5-2,比较仿真值和测试值是否一致。
三、PNP管放大器仿真实验
1.放大器幅频和相频仿真:
给PNP管2N3906加上合适的偏置电路和输入输出网络,进行电路的幅频和相频特性仿真。
采用AC仿真,将其幅频和相频特性截图如图5-7。
图5-7.PNP管放大器幅频和相频响应仿真图
2.放大器瞬态仿真:
采用瞬态仿真,分别输入三个不同频率的相同幅度正弦波信号,观察瞬态波形输出,同样设置三种不同频率的输入信号,从示波器上截图于表格5-3。
三种频率的具体要求是:
低频区fL与fH之间;高频区:
>fH。
表5-3:
不同频率输入信号时放大器输入输出波形
低频区f=50Hz
中频区f=4kHz
高频区f=10kHz
四、PNP管放大器硬件实验
1.搭试电路:
首先将设计好的PNP管放大电路在面包板上搭试,与PocketLab正确连接。
2.直流测试:
使用PocketLab直流电压表测试各点直流电压,以确保电路搭试正确。
3.波特图测试:
根据NPN管放大器硬件实验步骤,在电脑中打开PocketLab的波特图界面并进行正确的设置。
点击Run,扫描获得幅频和相频曲线,截图于图5-8。
4.瞬态波形测试
选取表5-2中的三个频率,将示波器窗口中的输入输出波形截图于图5-9。
低频区f=50Hz
中频区f=4kHz
高频区f=10kHz
图5-9PNP管放大器瞬态波形测试图