單管放大電路實驗報告電03 王劍曉2010010929單管放大電路報告一、 實驗目的(1) 掌握放大電路直流工作點的調整與測量方法；(2) 掌握放大電路主要性能指標的測量方法；(3) 了解直流工作點對放大電路動態特性的影響；(4) 掌握發射極負反饋電阻對放大電路動態特性的影響；(5) 掌握信號源內阻RS對放大電路頻帶（上下截止頻率）的影響；二、 實驗電路與實驗原理實驗電路如課本P77所示。圖中可變電阻RW是為調節晶體管靜態 工作點而設置的。（1） 靜態工作點的估算與調整；將圖中基極偏置電路VCC、RB1、RB2用戴維南定理等效成電壓源，得到直流通路，如下圖1.2所示。其開路電壓VBB和內阻RB分別為：VBB= RB2/( RB1+RB2)* VCC; RB= RB1/ RB2; 所以由輸入特性可得：VBB= RBIBQ+UBEQ+(RE1+ RE2)(1+) IBQ; 即：IBQ=（VBB- UBEQ）/(RE1+ RE2)+ RB; 因此，由晶體管特性可知：ICQ=IBQ； 由輸出回路知：VCC= RC ICQ + UCEQ+(RE1+ RE2) IEQ; 整理得：UCEQ= VCC-(RE1+ RE2+ RC) ICQ； 分析：當Rw變化（以下以增大為例）時，RB1增大，RB增大，IBQ減小；ICQ減小；UCEQ增大，但需要防止出現頂部失真；若Rw減小變化相反，需要考慮底部失真（截止失真）；（2） 放大電路的電壓增益、輸入電阻和輸出電阻做出電路的交流微變等效模型：則：電壓增益Ai=UO/Ui=-（RC/ RL）/rbe; 輸入電阻Ri=RB1/RB2/rbe； 輸出電阻RO= RC; 其中rbe=rbb+(1+)UT/ IEQ,體現了直流工作點對動態特性的影響；分析：當RC、RL選定后，電壓增益主要決定于rbe，受到IEQ，即直流工作點的影響。由上面對直流工作點的分析可知，Rw變化（以下以增大為例）時ICQ減小，那么rbe增大，電壓增益Ai減小，輸入電阻Ri增大，輸出電阻RO基本不變，與直流無關；如果將發射極旁路電容CE改為與RE2并聯，RE1成為交流負反饋電阻，電路的動態參數分別變為電壓增益Ai=UO/Ui=-（RC/ RL）/rbe+(1+) RE1; 輸入電阻Ri=RB1/RB2/rbe+(1+) RE1； 輸出電阻RO= RC; 分析：此時電壓增益Ai減小（RE1影響了放大倍數），此時如果有rbe(1+) RE1，則Ai=（RC/RL）/RE1，實現了穩定；輸入電阻Ri增大（使得更多的輸入信號被放大），輸出電阻RO基本不變；Rw變化（以下以增大為例）時ICQ減小，那么rbe增大，電壓增益Ai仍然減小，輸入電阻Ri增大，輸出電阻RO基本不變，與直流無關；（3） 放大電路電壓增益的幅頻特性和頻帶放大電路一般含有電抗，使得電路對不同頻率的信號具有不同的放大能力，即電壓增益是頻率的函數。電壓增益的大小與頻率的函數關系即是幅頻特性。需要注意的是：測量放大電路的動態指標必須在波形不失真的條件下進行，因此輸入信號不能太大，實驗中一般使用示波器監視輸出信號的波形。三、實驗內容與擴展內容（1） 工作點的調整；調節Rw，分別使ICQ=1mA和2mA，測量VCEQ的值；（2） 工作點對放大電路的動態特性的影響；在ICQ=1mA和2mA時，測量電壓放大倍數、幅頻特性（只測上下截止頻率）、輸入電阻、輸出電阻。其中輸入正弦電壓信號Vi的幅度為5mV，頻率為1kHz。（3） 射極負反饋電阻對動態特性的影響；（擴展內容）如果將發射極旁路電容CE改為與RE2并聯，RE1成為交流負反饋電阻，在ICQ=1mA時，測量電壓放大倍數、幅頻特性（只測上下截止頻率）、輸入電阻、輸出電阻，總結射極負反饋電阻對電路動態特性的影響；四、 注意事項：（1） 實驗中要將直流電源、信號源、示波器等電子儀器和實驗線路接地，以免引起干擾；（2） 電路性能指標的測試要在輸出電壓波形不失真和沒有明顯干擾的情況下進行；五、 仿真（仿真報告請見文檔“仿真報告”）1） 仿真電路圖見電子電路實驗p77圖3.1“單管共發射極放大電路”。其中RS0，為實驗室所用信號發生器的內阻。與器件盒中的器件參數相匹配。 2）Multisim 7中的元件選擇三極管選用實際元件，型號為MRF9011L，將模型參數中的（即BF）改為212；其它元件都選用虛擬器件。2） 仿真內容a. 靜態工作點在ICQ=1mA和2mA時，測量VCEQ的值，并記錄RB1的值。RB1可選用Multisim中的“Virtual Linear Potentiometer”元件。b. 動態特性仿真在ICQ=1mA和2mA時，測量電壓放大倍數和幅頻特性。其中輸入正弦電壓信號Vi的幅度為5mV，頻率為1kHz。六、仿真心得：1）在仿真進行過程中，應保持RW的值不變；2）RW的量程要為100 k；3）新接入萬用表后，對電流和電壓是有影響的，也就是會產生誤差；4）看清楚要對誰測量，提前做好測量準備，以免測量時出現遺漏或差錯；（一）預習報告1、預習計算晶體管的主要參數為：B=260，VBE=0.7V，rbb=10歐，fT=300MHz,Cbc=1pF,計算實驗地那路的主要性能指標，以備與實驗測試結果進行分析比較。（1）首先計算直流狀態下的ICQ、UCEQ 以及此時的Rw：IBQ=(VBB- UBEQ)/(RB+(I+)(RE1+ RE2) UCEQ =VCC- ICQ(RC+ RE1+ RE2) ICQ=1mA時，IBQ= ICQ/ =1/260mA; 帶入，解得RB1=77.170k;此時，UCEQ=7.495VICQ=2mA時，IBQ= ICQ/ =2/260mA; 帶入，解得RB1=41.357k;此時，UCEQ=2.991V（2）其次，計算各交流量：電壓放大倍數AU、輸入電阻Ri、輸出電阻RO：ICQ=1mA時, RB1=77.170K；此時rbe=rbb+UT/ IBQ=0.010+26*0.26=6.86 K；電壓放大倍數為：AU =UO / Ui=-(RC/ RL)/ rbe=-75.94;輸入電阻Ri= RB1/ RB2/rbe=4.44 k;輸出電阻RO=RC=3.3 k;ICQ=2mA時, RB1=41.357K；此時rbe=rbb+UT/ IBQ=0.01+26*0.26/2=3.39 K；電壓放大倍數為：AU =UO / Ui=-(RC/ RL)/ rbe=-153.666;輸入電阻Ri= RB1/ RB2/rbe=2.59 k;輸出電阻RO=RC=3.3 k;2、主要實驗步驟a) 實驗數據表格（1）測量直流工作點ICQmARw/UCEQ/V12（2）測量計算電壓放大倍數ICQ/mARw/Ui/VUO/VAU12（3）測量計算輸入電阻RiICQ/mAUo/V（斷開R1）Uo/V（接入R1）Ri= Uo/( Uo- Uo)/12（4）測量計算輸出電阻ROICQ/mA開路時UOC/V接通時UOC/VRO/V12（5）測量頻帶ICQ/mAUoUo /2上限fH/Hz下限fL/Hz12(6)提高要求有負反饋的情況（只測當ICQ=1.0mA的情況）ICQ/mAUCEQ/VUO/VUI/VAURO/RI/fH/HzfL/Hzb) 主要實驗步驟：（1） 測量：（2） 測量直流工作點：用萬用表測量集電極對地電壓使之為8.4V（ICQ=1mA時，UC=12V-3.6V=8.4V）和4.8V（ICQ=2mA時，UC=12V-3.6V*2=4.8V）；記錄下此時的Rw；并測量UCEQ；（3） 測量動態特性：電壓放大倍數：將輸入電壓、輸出電壓分別加在示波器兩輸入端，調節Rw的值分別為上步驟中記錄的值，測量Ui、UO的峰值，相比后得到AU；測量輸入電阻Ri：在輸入端串聯R1=3.6k，調節Rw的值分別為上步驟中記錄的值，測量輸出電壓Uo、Uo； 由公式Ri= Uo/( Uo- Uo)即可計算Ri；測量輸出電阻RO: 在輸出端串聯R2=4.7k，調節Rw的值分別為上步驟中記錄的值，測量輸出電壓Uo、Uo； 由公式RO=（UOC/UOC-1）* R2即可計算RO；測量頻帶：調節Rw的值分別為上步驟中記錄的值，保持輸入電壓為近似5mV不變，分別向上、向下調節函數信號發生器的頻率，測量輸出電壓的幅值使之為5mV* AU/2，讀取此時的頻率，記錄。（二）終結報告1、實驗數據記錄、處理及分析1）數據記錄、處理（1）測量值 實驗中利用學習機和示波器測得MRF9011L的輸出特性曲線，測得=iciB=212，小與理論值的260。（2）測量直流工作點ICQmARw/UCEQ/V150.9k7.38222.1k2.88（3）測量計算電壓放大倍數ICQ/mARw/Ui/VUO/VAU158.5k5.00m0.343168.62219.2k5.00m0.6532130.65（4） 測量計算輸入電阻RiICQ/mAUo/V（斷開R1）Uo/V（接入R1）Ri= Uo/( Uo- Uo)/15.00m4.01m4.05k25.00m3.63m2.65k（5）測量計算輸出電阻RO（實際輸出端串聯電阻為5.1k）ICQ/mA開路時UOC/V接通時UOC/VRO/V10.63800.4042.95k21.11220.7022.98k（6）測量頻帶ICQ/mAUo/VUo /2 /V上限fH/Hz下限fL/Hz10.4100.30001.8730M134.220.7080.50061.3560M224.4（7）提高要求有負反饋的情況（只測當ICQ=1.0mA的情況）ICQ/mAUCEQ/VUO/VUI/VAURO/RI/fH/HzfL/Hz17.3845.40m5.00m-9.083.28k10.79k25.43.214M注：該提高要求是由王劍曉同學在課堂上完成，但由于當時未能完成全部的數據處理，因此未經任老師批準，只將部分處理好的數據以及原始數據交給助教老師過目。2）數據分析通過理論估算與仿真結果，我們來進行實驗結果的對比分析。（1） 理論計算根據測量結果，=212首先計算直流狀態下的ICQ、UCEQ 以及此時的RwIBQ=(VBB- UBEQ)/(RB+(I+)(RE1+ RE2)UCEQ =VCC- ICQ(RC+ RE1+ RE2) ICQ=1mA時，IBQ= ICQ/ =1/212mA; 帶入解得RB1=79.74k;此時，UCEQ=7.50V.ICQ=2mA時，IBQ= ICQ/ =2/212mA; 帶入解得RB1=43.07k;此時，UCEQ=3.00V.其次，計算各交流量：電壓放大倍數AU、輸入電阻Ri、輸出電阻RO：ICQ=1mA時, RB1=79.74K；此時rbe=rbb+UT/ IBQ=10+26*212=5.52 K；電壓放大倍數為：AU =UO / Ui=-(RC/ RL)/ rbe=-76.95;輸入電阻Ri= RB1/ RB2/rbe=3.84 k;輸出電阻RO=RC=3.3 k;ICQ=2mA時, RB1=43.07K；此時rbe=rbb+UT/ IBQ=10+26*212/2=2.77 K；電壓放大倍數為：AU =UO / Ui=-(RC/ RL)/ rbe=-153.34;輸入電阻Ri= RB1/ RB2/rbe=2.22 k;輸出電阻RO=RC=3.3k;提高要求：（ICQ=1mA）此時RB1=79.74K，rbe=5.52 K；電壓放大倍數為：AU =UO / Ui=-(RC/ RL)/（ （1+ ）*RE1+rbe）=-8.83輸入電阻Ri= RB1/ RB2/（rbe+（1+ ）*RE1）=10.00K；輸出電阻RO=RC=3.3 k;（2）理論值、仿真值、實驗值的對比表格如下ICQ=1mA時：Rw/kUCEQ/VAU Ri/ kRO/ kfL/HZfH/HZ理論值59.77.50-76.953.843.30仿真值55.07.53-71.884.543.09130.881.3M實驗值58.57.38-68.624.052.95134.21.873 MICQ=2mA時:Rw/kUCEQ/VAU Ri/ kRO/ kfLfH理論值23.073.00-153.342.223.30仿真值20.03.01-131.682.572.89239.175.312M實驗值19.22.88-130.652.652.98224.41.356M提高要求（ICQ=1mA）：Rw/kUCEQ/VAU Ri/ kRO/ kfLfH理論值59.77.50-8.8310.03.30仿真值55.07.53-8.7610.31 3.2718.4153.66M實驗值58.57.38-9.0810.793.2825.43.214M從數據直觀看：大多數實驗數據相比仿真值比相對理論值更相近，說明實際電路較理論更復雜，其各量的影響因素更多。3)下面對仿真、實驗所造成的誤差進行分析：所需參數的求解公式：電壓放大倍數為：AU =UO / Ui=-(RC/ RL)/ rbe;輸入電阻Ri= RB1/ RB2/rbe;輸出電阻RO=RC；（1） 理論值的誤差：由于理論計算時的等效模型是中頻等效模型，忽略了耦合電容和極間電容的影響，因而造成理論計算的誤差。由于CE使RE1+ RE2的等效值變大。VBB= RB2/( RB1+RB2)* VCC; VBB基本不變；RB= RB1/ RB2; RB基本不變；IBQ=（VBB- UBEQ）/(RE1+ RE2)+ RB; IBQ減小；ICQ= IBQ； ICQ減小；UCEQ= VCC-(RE1+ RE2+ RC) ICQ； UCEQ不定；注意：上述分析忽略了C1C2和極間電容的影響，雖然誤差小了一些，但是具體來說仍是不準確的。（2）理論值與仿真值：在誤差允許范圍內，仿真的輸入輸出電阻普遍小于理論值，而電壓放大倍數偏小。原因：由于并聯在電阻兩端的極間電容的影響，造成輸入電流偏大，輸入電阻Ri將偏小，輸出電阻RO也將偏小，同時由于耦合電容組成高通網絡，使得電壓放大倍數AU將偏小。 （3）理論值與實驗值：在誤差允許范圍內，實驗中的輸入電阻值比理論值偏大，但是輸出電阻和電壓放大倍數偏小。原因：輸入電阻偏大，有著多方面的原因。存在系統誤差與偶然誤差。同時由于耦合電容和旁路電容的存在將導致輸入電流偏小，所以輸入電阻偏大。電壓放大倍數偏小的原因同上；下面分析輸出電阻偏小的可能原因：可能由于晶體管的極間電阻rce相對于Rc和RL相差不大，不能忽略；如果忽略，則相當于少了一個并聯的電阻，故理論值相對比較的大。比較有負反饋和無負反饋電阻時的幅頻特性，可見無反饋情況下的頻帶寬度BW小于有反饋時的頻帶寬度。根據負反饋的特性，增益下降的同時應該有頻帶展寬，即有負反饋時的BW應遠大于無負反饋時的BW。可見實驗結論與理論有差距。經分析，其原因可能是由于示波器的10檔探頭的截止頻率約為2-3MHz左右，因此由于探頭的頻率限制，可能造成誤差。 （4）仿真值與實驗值：相比理論值，實驗值與仿真值更為接近，但是由于實驗中很多未知因素的影響使得實驗值與仿真值還有一定的誤差。原因：由于具體實驗中的分布電容和耦合電容與仿真工具中的器件參數不同，再考慮上溫度和實驗室環境的影響以及操作中的誤差，導致 fL偏大，同樣極間電容、測量工具的限制等因素也影響著fH，導致其偏小。 綜上所述，實驗值、理論值和仿真值都存在一定的誤差。總結誤差產生的原因：（1）實驗儀器的誤差測上限截止頻率時，會受到示波器中電容等內部元件的影響，并且由于示波器分辨率的問題導致數據不準確，此外頻率信號發生器也會給電路帶來影響；用數字萬用表測電阻以及靜態工作點時，也會帶入儀器誤差；（2）三極管參數的誤差由于實際晶體管和仿真及計算所用的器件參數不完全一致，性能不能替代，特別是估算動態電阻rbe時，因此在靜態電流ICQ=2mA的狀態下，實驗值與理論的差別較大；（3）實際電路中電容的影響實驗電路中所用的旁路電容