东南大学模电实验三 晶体管放大器分析与设计.docx

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东南大学模电实验三晶体管放大器分析与设计

实验三晶体管放大器分析与设计

实验目的：

1．熟悉仿真软件Multisim的使用，掌握基于Multisim的瞬态仿真方法；

2．熟悉POCKETLAB硬件实验平台，掌握基本功能的使用方法；

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分析和设计方法；

4．通过软件仿真和硬件实验验证，掌握场效应管放大器的分析和设计方法。

实验预习：

在图3-1所示电路中，双极型晶体管2N3904的β≈120，VBE（on）=0.7V。

根据实验二中的直流工作点，计算该单级放大器的电压增益Av，填入表3-1（CC1，CC2和CE均可视为短路电容）

图3-1.晶体三极管静态工作点分析电路

实验内容：

一．晶体三极管放大器仿真实验

1．根据图3-1所示电路，在Multisim中搭建晶体三极管2N3904单级放大电路。

加入峰峰值=50mV，频率=10kHz的正弦波。

仿真设置：

Simulate→Run。

结果查看：

采用Agilent示波器XSC1，查看输入、输出两路波形。

双击该器件，出现如图3-2所示的示波器界面。

调整2个通道的显示方式，将它们的波形显示出来，并采用如图所

指的测量工具，测试输入，输出波形的峰峰值，计算得到电压增益Av，填入表格3-1。

图3-2Multisim安捷伦示波器

表3-1：

晶体三极管放大器增益

计算值

仿真值

实测值

放大器增益AV

-17.935

-17.726

-16.95

2．变输入信号幅度峰峰值，取Vinpp=100mV，Vinpp=200mV，Vinpp=300mV，重新进行瞬态仿真和频谱分析，截取各输入条件下的输入输出波形图和频谱分析图，填入表3-2。

表3-2：

不同输入情况下的输入输出波形图。

瞬态波形图

频谱分析

Vinpp=50mV

瞬态波形图

频谱分析

Vinpp=100mV

瞬态波形图

频谱分析

Vinpp=200mV

瞬态波形图

频谱分析

Vinpp=300mV

思考题：

请说明不同输入情况下的输出波形有何差异，并尝试解释其原因。

解：

随着输入信号幅度峰峰值的增大，失真程度越来越大，非线性程度也越来越明显。

原因：

放大器的电压传输特性是非线性的，只有在小信号的变化范围内传输特性曲线可以近似看成一段直线，表明输入输出之间存在线性关系

3．取输入信号为Vinpp=100mV，在信号源上串联一个电阻表征信号源内阻，如图3-3所示。

取该电阻为50Ω、1kΩ和10kΩ重新进行仿真，截取不同电阻情况下的输入输出波形图，并估算源电压增益Avs，填入表3-3。

图3-3信号源内阻

表3-3：

不同信号源内阻的输入输出波形图。

源电压增益Avs=17.5

源电压增益Avs=16

源电压增益Avs=8.751

R=50Ω

R=1kΩ

R=10kΩ

思考题：

请说明不同源电阻情况下的电压增益的差异，并据此估算出晶体管放大器的内阻？

解：

源电阻越大，输出源电压增益越小。

17.5=Av[Ri/（50+Ri）]

16=Av[Ri/（1000+Ri）]

8.751=Av[Ri/（10000+Ri）]

故Ri=9.862kΩ

4．改变旁路电容CE1，将其接在节点2和地之间，重新仿真图3-1，观察到什么现象？

为什么？

改变输入信号幅度，重新获得不失真波形，并测得此时的电压增益，与原电压增益比较，得到何种结果？

请解释原因，并将两种增益值填入表3-4。

表3-4：

CE1不同接法时的放大器增益

CE1接于3-0

CE1接于2-0

电压增益Av

-17.77

-73.5

答：

Vpk=50mV（失真波形）：

Vpk=20mV（波形不失真）：

现象:

CE1接于2-0的电压增益明显大于CE1接于3-0

原因：

发射极旁路电容交流通路时，短路了发射极电阻，使得输出电阻大大减小，从而明显提高了电压增益。

同时由于放大器的电压传输特性是非线性的，故当信号进入非线性区域，产生波形失真。

二、晶体三极管放大器硬件实验

本实验采用POCKETLAB实验平台提供的直流+5V电源、信号发生器、直流电压表和示波器。

1．电路连接

首先根据图3-1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的一路输出端作为电路的输入信号；POCKETLAB的一路输入端接电路输入信号端；另一路输入端接电路输出信号端，分别测试输入输出两路信号。

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．输入信号

在电脑中打开POCKETLAB的信号发生器界面，如图3-4所示，选择输入信号波形为正弦波，频率为5kHz，信号幅度为50mV，DCOffset=0V，两通道独立设置。

点击按钮Set，正弦波信号将输出到电路输入端。

图3-4信号发生器

4．交流波形测试

在电脑中打开POCKETLAB的示波器界面，如图3-5，选择合适的时间和电压刻度，显示三极管单端放大器的输入，输出波形。

并在窗口中直接读出其输入输出波形的峰峰值，获得其电压增益，填入表格3-1，比较计算值，仿真值和测试值是否一致。

图3-5示波器界面

三、场效应管放大器仿真实验

1．根据图3-6所示电路，在Multisim中搭建MOS管IRF510单级放大电路。

图3-6MOS管放大器2．对该电路进行直流工作点分析，完成表格3-5。

表3-5场效应管放大器直流工作点

仿真值

实测值

V1（V）

3.99999

0.007

V2（V）

148.36558m

0.008

V3（V）

2.77452

5.01

I（R3）（μA）

741.82789

0.000

3．加入峰峰值=100mV，频率=5kHz的正弦波，进行瞬态仿真，在示波器中查看波形，并将输入输出波形截图于图3-7，根据测量输入输出波形的峰峰值，求得该放大器增益为（-13.72）。

解:

检测电路连接无误,但实测波形出现失,原因未知，猜测电路原理图或者MOS管存在问题。

四、场效应管放大器硬件实验

重复第二项“晶体三极管放大器硬件实验”中的所有步骤，完成场效应管放大器IRF510的硬件实验，并将直流工作点测试结果填入表3-5。

将瞬态实测波形截图填入图3-7。

图3-8为IRF510引脚图。

图3-8IRF510的引脚图

实验思考：

1．将图3-1中的输出端改为节点2，使共射放大器变为共集放大器，查看输入，输出波形。

对比共射放大器的输入输出波形，理解波形中的相位对比变化。

由此可知，共射放大器是反相放大器；而共集放大器是同相且增益约为1放大器。

仿真波形：

实测波形：