实验三 晶体放大器分析与设计
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POCKET LAB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CE1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
解:
根据实验二的直流工作点分析:
ICQ≈0.41mA;
忽略rbb,和rce的作用,在小信号等效电路中,满足
Ri≈R1//R2//[rbb,+rb,+(1+β)RE1]≈9.4kΩ e
设Ri为R2两端向三极管看进去的等效电阻,Ri=rb,+(1+β)RE1≈31.81kΩ e
,,
Ai=
ioRC1R1//R2
=β⋅≈0.17 iiR8+RC1R1//R2+Ri,
R8
≈18.09 Ri
AV=-Ai
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。
解:
输入波形峰峰值:50mV 输出波形峰峰值:
886.33mV
因此可得:AV=
Vo886.33mV=≈17.73
Vi50mV
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。
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。
答:1、差异:①在输入正弦波频率不变的情况下,输出波形峰峰值随输入波形峰峰值的增大而增大,但是增幅逐渐减小。②峰峰值50mV--300mV逐渐增大,放大器的电压增益AV呈现先增大后减小的趋势,甚至当输入波形的峰峰值增大到一定程度时,输出波形出现失真。
2、原因:放大器的电压传输特性是非线性的,只在小信号变化的范围内近似为线性,当输入信号幅度逐渐增大时,电压达到非线性区域,就会出现信号的失真。
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3-2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3-2. 信号源内阻
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。 答:①当源电阻增大时,电压增益增大,但是电压源增益减小。
②由【实验预习】中的仿真值可知,AV=17.73,因此,可估算出晶体管放大器的内阻为10kΩ。
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。
(1)将旁路电容接在节点2和地之间,现象(即输入输出波形)如图3-3所示。
图3-3. 改变旁路电容,将其接在节点2和地之间,输入输出波形图
(2)改变输入信号峰峰值为40mV,重新获得不失真波形,如图3-4所示。
图3-4. 改变输入信号幅度,重新获得不失真波形
表3-4:CE1不同接法时的放大器增益
失真波形,由表中数据可以看出,此时增益为72.75,与原电压增益相比,电压增益急剧增大。
②出现这种现象的原因:放大器的电压传输特性是非线性的,只有当输入信号幅度以及增益不大时才为线性输出。而当旁路电容CE1接在节点2和地之间,RE2被短路,增益明显变大,输出为非线性。因此,输出波形出现明显失真。
二、晶体三极管放大器硬件实验
本实验采用POCKET LAB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POCKET LAB的直流输出端+5V和GND与电路的电源、地节点连接;POCKET LAB的一路输出端作为电路的输入信号;POCKET LAB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办法,使用POCKET LAB的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POCKET LAB的信号发生器界面,选择输入信号波形为正弦波,频率为5kHz,信号幅度为50mV,DC Offset=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。 4、交流波形测试
在电脑中打开POCKET LAB的示波器界面,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3-1,比较计算值,仿真值和测试值是否一致。
答:在POCKET LAB的示波器界面,可直接读出输入输出波形的峰峰值,如下图所示。因此,AV=
1825
≈17.22。在误差允许范围内,可认为计算值、仿真值和测试值一致。 106
三、场效应管放大器仿真实验
1、根据图3-5所示电路,在Multisim中搭建MOS管IRF510单级放大电路。
图3-5. MOS管IRF510单级放大电路
对该电路进行直流工作点分析,完成表3-5。(注:因器件原因,无法进行场效应管的实测。)
表3-5. 场效应管放大器直流工作点
2、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。
注:因器件原因,无法进行场效应管的实测。
实验思考:
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( 电流 )放大器;而共集放大器是( 电压 )放大器。
实验三 晶体放大器分析与设计
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POCKET LAB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CE1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
解:
根据实验二的直流工作点分析:
ICQ≈0.41mA;
忽略rbb,和rce的作用,在小信号等效电路中,满足
Ri≈R1//R2//[rbb,+rb,+(1+β)RE1]≈9.4kΩ e
设Ri为R2两端向三极管看进去的等效电阻,Ri=rb,+(1+β)RE1≈31.81kΩ e
,,
Ai=
ioRC1R1//R2
=β⋅≈0.17 iiR8+RC1R1//R2+Ri,
R8
≈18.09 Ri
AV=-Ai
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。
解:
输入波形峰峰值:50mV 输出波形峰峰值:
886.33mV
因此可得:AV=
Vo886.33mV=≈17.73
Vi50mV
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。
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。
答:1、差异:①在输入正弦波频率不变的情况下,输出波形峰峰值随输入波形峰峰值的增大而增大,但是增幅逐渐减小。②峰峰值50mV--300mV逐渐增大,放大器的电压增益AV呈现先增大后减小的趋势,甚至当输入波形的峰峰值增大到一定程度时,输出波形出现失真。
2、原因:放大器的电压传输特性是非线性的,只在小信号变化的范围内近似为线性,当输入信号幅度逐渐增大时,电压达到非线性区域,就会出现信号的失真。
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3-2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3-2. 信号源内阻
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。 答:①当源电阻增大时,电压增益增大,但是电压源增益减小。
②由【实验预习】中的仿真值可知,AV=17.73,因此,可估算出晶体管放大器的内阻为10kΩ。
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。
(1)将旁路电容接在节点2和地之间,现象(即输入输出波形)如图3-3所示。
图3-3. 改变旁路电容,将其接在节点2和地之间,输入输出波形图
(2)改变输入信号峰峰值为40mV,重新获得不失真波形,如图3-4所示。
图3-4. 改变输入信号幅度,重新获得不失真波形
表3-4:CE1不同接法时的放大器增益
失真波形,由表中数据可以看出,此时增益为72.75,与原电压增益相比,电压增益急剧增大。
②出现这种现象的原因:放大器的电压传输特性是非线性的,只有当输入信号幅度以及增益不大时才为线性输出。而当旁路电容CE1接在节点2和地之间,RE2被短路,增益明显变大,输出为非线性。因此,输出波形出现明显失真。
二、晶体三极管放大器硬件实验
本实验采用POCKET LAB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POCKET LAB的直流输出端+5V和GND与电路的电源、地节点连接;POCKET LAB的一路输出端作为电路的输入信号;POCKET LAB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办法,使用POCKET LAB的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POCKET LAB的信号发生器界面,选择输入信号波形为正弦波,频率为5kHz,信号幅度为50mV,DC Offset=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。 4、交流波形测试
在电脑中打开POCKET LAB的示波器界面,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3-1,比较计算值,仿真值和测试值是否一致。
答:在POCKET LAB的示波器界面,可直接读出输入输出波形的峰峰值,如下图所示。因此,AV=
1825
≈17.22。在误差允许范围内,可认为计算值、仿真值和测试值一致。 106
三、场效应管放大器仿真实验
1、根据图3-5所示电路,在Multisim中搭建MOS管IRF510单级放大电路。
图3-5. MOS管IRF510单级放大电路
对该电路进行直流工作点分析,完成表3-5。(注:因器件原因,无法进行场效应管的实测。)
表3-5. 场效应管放大器直流工作点
2、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。
注:因器件原因,无法进行场效应管的实测。
实验思考:
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( 电流 )放大器;而共集放大器是( 电压 )放大器。