Multisim仿真实验：共射极单管放大器

３.２实验２共射极单管放大器１

1.实验目的

１)研究晶体管的放大作用，掌握单管放大电路的主要性能指标及测量方法。

２)学会放大器静态工作点的调试方法，分析静态工作点对放大器非线性失真的影响。

３)进一步掌握实验室常用仪器的使用方法。

２.预习要求

１)复习共射极放大电路的基本工作原理

２)了解放大电路电压放大倍数、输入电阻、输出电阻和幅频特性的测试方法。

３)对图３-２所示电路进行Multisim仿真。通过仿真分析电路的静态工作点以及接负载情况下的电压放大倍数、上限频率和下限频率等指标。

３.实验原理

由一个晶体管组成的单管放大电路是最基本的放大电路。下面以ＮＰＮ型晶体管组成的图３-２共射极单管放大器实验电路ａ)电路ｂ)引脚共射极单管放大电路为例进行研究，电路如图３-２所示。

(1)静态工作点对放大器基本性能的影响

考查一个放大器的基本性能,主要是看它能否不失真地放大信号。为使放大器正常工作，必须设计合适的静态工作点。图３-２所示电路为工作点稳定的射极偏置实验电路图。它的偏置电路采用Ｒb1和Ｒb2组成分压电路，并在发射极中接有电阻R e以稳定放大器的静态工作点。

在图３-２所示电路中，当流过偏置电阻Ｒb1和Ｒb2的电流远大于晶体管VT的基极电流ＩB时(一般为5~10倍)，静态工作点可用下式估算

为了得到最大的不失真输出电压幅度，静态工作点应尽量选在交流负载线的中点。工作点选得过高会引起饱和失真，过低则会产生截止失真，饱和失真和截止失真统称为放大器的非线性失真。工作点“过高”或“过低”不是绝对的，应该是相对于信号的幅度而言，如输入信号幅度很小，即使工作点较高或较低也不一定会出现失真。对于小信号放大器来说，由于输出电压的幅度小，工作点不一定要选在负载线的中点，而可根据实际要求灵活选择。例如，希望放大器功耗小，工作点可适当选低些，希望放大器的增益高可使工作点适当选高些，等等，但均以不使输出电压的波形产生失真为宜。

(2)放大器静态工作点的测量与调试

1）静态工作点的测量。测量放大器的静态工作点。应在输入信号ｕｉ＝０的情况下进行。即将放大器输入端与地端短接，然后选用量程合适的直流电压表，分别测量晶体管各极对地电位ＵＢ、ＵＣ和ＵＥ。实验中，为了避免断开集电极，一般采用测量电压。然后换算出各级电流的方法。例如Ｉc＝（Ｕcc－Ｕc）/Ｒc。为了减小误差，提高测量精度。实验时应选用内阻较高的直流电压表。

２)静态工作点的调试。改变电路参数Ｕcc、Ｒc、Ｒp、Ｒ1、Ｒb2、Ｒe都会引起静态工作点的变化。但通常多采用调节偏置电阻Ｒp的方法来改变电路的静态工作点。调节ＲＰ使之减小。即增大Ｉc，使工作点沿负载线上移进入饱和区。用示波器观察输出波形。看到输出波形的负半周被削底,如图３-３a所示.测量此时的输出电压，应比正常放大无失真时有所减小。但由于晶体管输出特性曲线中,Ｉc越大(在一定范围内),相应的电流放大系数β值会有所增加。以至于有饱和失真时的输出电压幅度与正常放大无失真时的输出电压幅度相比。减小的程度不甚明显。有时反而会增加.调节Ｒp使之增大,即减小Ｉc,使工作点沿负载线下移进入截止区。此时用示波器观察放大器输出电压波形。会看到波形的正半周被缩顶。如图３-３b所示.测量失真后的输出电压幅度,其值应比无失真时要小。

(3)放大电路动态指标测量调整放大器到合适的静态工作点后，输入交流信号ｕｓ，这时电路处于动态工作状态，图３-４测量放大电路动态指标原理图放大电路的基本性能指标主要是动态参数，包括电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、频率响应特性等。这些参数必须在输出信号不失真的情况下才有意义。测量放大电路动态指标的原理如图３-４所示。

１)电压放大倍数Ａｕ的测量。电压放大倍数Ａｕ是指输出电压ｕo与输入电压ｕi的有效值之比，即

２)输入电阻Ｒi的测量。输入电阻是表明放大电路从信号源吸取电流大小的参数，Ｒｉ越大，放大电路从信号源吸取的电流则越小，反之则越大。如图３-４所示，放大器的输入电阻是从放大器输入端看进去的等效电阻，即

测量交流电流比较困难，通常采用换算法测量Ｒi，测量电路如图３-４所示。图中Ｒ为串入输入信号与放大电路之间的一个已知阻值的外接电阻。用交流电压表分别测出和，则输入电阻为

电阻Ｒ的值不宜取得过大或过小，以免产生较大的测量误差，通常取Ｒ与Ｒi同一数量级。本实验可取Ｒ≈(１~２)ｋΩ。

３)输出电阻Ｒｏ的测量。输出电阻是表明放大电路带负载的能力，Ｒo越大，表明放大电路带负载的能力越差，反之则越强。输出电阻Ｒｏ是将信号源短路，负载ＲL开路时从输出端向放大器看进去的等效电阻。可以采用替换法测量Ｒo。如图３-４所示，分别测出不带负载ＲL时的输出电压和带负载时的输出电压，即可间接地推算出Ｒo的大小。根据             

可求出

测量时应注意两次测量时的输入电压信号大小应保持不变，且大小适当，以保证输出波形不失真。通常取ＲL与Ｒo同一数量级。注意:放大倍数、输入电阻、输出电阻通常都是在正弦信号下的交流参数，只有在放大电路处于放大状态且输出不失真的条件下才有意义。对于图３-２所示射极偏置电路，电压放大倍数输入电阻Ｒi＝Ｒb1∥Ｒb2∥ｒbe输出电阻Ｒo≈Ｒc

(4)放大器幅频特性的测量放大器的幅频特性是指在输入正弦信号幅值不变的情况下，输出随频率连续变化的稳态响应，即不同频率信号时的电压放大倍数。晶体管内部的极间电容和电路中的耦合旁路电容图３-５幅频特性曲线是影响放大器频率特性的主要因素。单管阻容耦合放大电路的幅频特性曲线如图３-５所示。Ａum为中频电压放大倍数，通常规定电压放大倍数随频率变化下降到中频放大倍数的0.707倍时所对应的频率分别为下限频率ｆL和上限频率ｆH。ｆL与ｆH之间的频带称为通频带(ＢＷ)。ＢＷ＝ｆH－ｆL测量放大器的频率特性时，可维持输入信号的幅度不变，改变其频率。首先测出放大器在中频时的输出电压Ｕom，然后分别上调和下调频率，直到输出电压降到0.707Ｕom为止，此时所对应的两个频率分别是上限频率ｆH和下限频率ｆL。

４.实验内容

(1)实验参考电路实验参考电路和参数如图３-２ａ所示,晶体管采用9013型号,β≈100~200,引脚如图３-２ｂ所示。

按图３-２电路接线,检查无误后接通电源电压Ｕcc。

(2)静态工作点的测量与调整

将信号发生器提供ｆ＝１kHz,Ｕs≈10mV(有效值)的正弦输入信号接到放大电路的输入端,放大电路的输出端接示波器。调节电位器Ｒp,使示波器上显示的输出电压波形最大且不失真,然后关闭信号发生器,使输入信号Ｕi＝０。用数字万用表的直流电压档测量晶体管各电极的对地电压,完成表３-３。如果ＵCE＝Ｕc－ＵE<0.5Ｖ,则说明晶体管工作在饱和状态ꎻ如果ＵCE≈Ｕcc,则说明晶体管已工作在截止状态。

(3)电压放大倍数的测量１)保持静态工作点不变。由信号发生器提供ｆ＝１kHz,Ｕs≈10mV(有效值)的正弦输入信号,同时用示波器观测输出电压波形,保证其不失真。分别测量负载开路和接负载两种情况下的Ｕo值,并完成表３-４。注意:当不能得到满意的不失真输出波形时,可适当调节输入信号幅度,并记录在表３-４中。

２)用双踪示波器观察输出和输入的波形,比较它们之间相位、幅度的关系。

(4)观察静态工作点变化对输出波形的影响

输入信号ｆ＝１kHz,Ｕs≈10mV。调节电位器,逐渐减小或增大Ｒp,用示波器观察输出波形的失真情况,测量相应的静态工作点,并完成表３-５。

 (５)放大电路幅频特性的测量保持输入信号的幅度不变,根据表３-４数据,计算出Ｕ＝0.707Ｕo值的大小。增大和减小信号源频率ｆ,观察输出电压的变化。当输出电压下降到Ｕ＝0.707Ｕo时,所对应的频率分别是上限频率ｆH和下限频率ｆL。记录数据于表３-６中。

(６)设计测量输入电阻和输出电阻的方法并自拟记录表格参照实验原理中介绍的输入电阻和输出电阻的测量方法,设计测量电路并连接。输入信号ｆ＝１kHz,Ｕs≈10mV,在输出电压不失真的情况下,测量输入电阻和输出电阻。

５.实验报告要求

１)画出实验电路与有关仪器的连接图。

２)记录整理实验数据,与理论估算值和仿真值进行比较,分析产生差异的原因。

３)讨论静态工作点变化对放大器输出波形的影响。

６.思考题

１)实验电路中,上偏置电阻Ｒb1起什么作用?是否可以只接Ｒp,不接Ｒ1?为什么?

２)为什么通过测量电压间接得到静态工作电流Ｉc,而不直接测出?

３)不用示波器观察波形,仅用数字万用表测量放大器输出电压是否正确,为什么?

 

实验内容记录如下

（1）实验电路连接如下

（2）静态工作点的测量

实验数据记录如下：

UB/V	UE/V	UC/V	IC≈UE/Re （mA）
4.1	3.434	5.185	3.434

实验截屏如下：

（3）电压放大倍数的测量

1）分别测量负载开路和接负载两种情况下的UO值，完成表格

RL/Ω	US/V	UO/V	Au
∞	0.010002	1.315	131.47
5.1k	0.010002	1.076	107.58

实验截屏如下：

 

2）用双踪示波器观察输出输入波形，发现它们相差180度的相角，幅值之比为电压放大倍数值，波形如上图

（4）观察静态工作点变化对输出波形的影响

测量相应的静态工作点，记录如下表

	uo波形	UCE/V	Ie≈UE/Re（mA）	晶体管工作状态
RP减小		0.069	4.28	饱和失真
RP减小		10.64	0.457	截至失真

 

实验截屏如下

（5）放大电路幅频特性的测量

保持输入信号的幅度不变，计算出U=0.707Uo值的大小。增加和减小信号源频率f，记录对应的频率分别是上限频率fH和下限频率fL，完成下表：

测试值	fH	fL
f/kHz	2980000	860
U/V	0.758	0.758

实验截屏如下：

（6）测量输入电阻和输出电阻

1)输入电阻Ri的测量

串入电阻R阻值设为1.5kΩ，记录数据填入下表：

Ui/V	Us/V	R/kΩ	Ri/ kΩ
0.00422	0.009998	1.5	1.096

实验截屏如下：

2)输入电阻Ro的测量

串入电阻R阻值设为5.1kΩ，记录数据填入下表：

Uo‘/V	Uo/V	RL/kΩ	Ro/ kΩ
1.32	1.076	5.1	1.157

实验截屏如下：

６.思考题

（1）偏置电阻Rb1给晶体管提供了一个合适的工作点，提高了放大倍数，减小饱和失真。不可以只接Rp，不接R1。如果这样，当Rp较小时基极电压过高，集电结不能反偏，晶体管无法正常工作。

（2）因为Ic较小，直接测量万用表的内阻会对测量有较大影响，导致误差。同时会导致断开集电极。

（3）不正确，因为晶体管此时不一定工作在工作区。若工作在饱和区或者截止区输出电压会有较大的失真，数据没有准确性