东南大学信息学院-模电实验三.docx
东南大学信息学院 - 模电实验三-作者 : _-日期 : _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：I CQ0.41mA;忽略 r ,和 rce 的作用，在小信号等效电路中，满足bbRiR1/ R2/ rbbrb e (1) RE1 9.4k,，设 Ri，(1 )RE1 31.81k为 R2 两端向三极管看进去的等效电阻，Rir ，b eAiioRC1R1 / R20.17iiR8 RC1R1 / R2Ri ,AVAiR818.09Ri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：886.33mVVo886.33mV因此可得： AV17.73Vi50mV计算值表 3-1： 晶体三极管放大器增益仿真值实测值放大器增益AV-18.09-17.73-17.222、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，填入表表 3-2：不同输入情况下的输入输出波形图3-2。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。答： 1、差异：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。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50、1k和 10k 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. 信号源内阻表 3-3：不同信号源内阻的输入输出波形图电压增益 AV -17.59电压增益 AV -17.64电压增益 AV -17.73源电压增益 AVS -17.50源电压增益 AVS -15.94源电压增益 AVS -8.59R=50 R=1k R=10k 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： 当源电阻增大时，电压增益增大，但是电压源增益减小。由【实验预习】中的仿真值可知，AV17.73，因此，可估算出晶体管放大器的内阻为 10k。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CE1 接于3-0CE1 接于2-0电压增益AVS-17.73-72.75分析： 改变旁路电容的节点后，输出波形出现失真现象。通过调节输入信号幅度，获得不失真波形，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。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， AV182517.22 。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仿真值实测值V（ V）2.7751V（ V）4.0002V（V）0.1483I （R3）（ A ）741.832、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，求得该放大器的增益为：仿真波形实测波形增益： 13.72增益：图 3-7. MOS 管放大器瞬态波形四、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。
