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1、-单管放大器仿真分析与实验报告-第 6 页单管放大器仿真分析与实验报告一、实验目的1. 掌握放大电路静态工作点的调试方法及其对放大电路性能的影响。2. 掌握低频小信号放大器主要性能指标的综合测试方法。3. 了解单级共射放大电路的特性。4. 掌握Multisim仿真实验方法，逐步理解仿真实验和真实实验的差别。二、实验电路图1. 电路组成原理共射单级放大电路是单级放大器的三种组态之一，而共射单级放大电路的组成形式也有多种。图5-1-1是电阻分压式偏置、稳定静态工作点的单级共射低频放大器。放大是最基本的模拟信号处理能力，包含两个方面：一是能将微弱的低频小信号增强到所需要的数值，即放大电信号以方便测量
2、和使用；二是要求放大后的信号波形与放大前波形的形状相同，即信号不能失真，否则要丢失传送的信息，失去了放大的作用。基于以上分析可以知道，电阻组成的基本原则也包括两个方面，首先要给电路中的晶体管加上合适的直流偏置电路，即发射结正偏、集电结反偏，使其工作在放大状态，同时施加合适范围的电源和电流，即合适的静态工作点。其次要保证信号发生器、放大电路和负载之间的信号能够正常传递，即有动态输入ui时，应该有输出响应uo。基极偏置电阻RB1、RB2以及集电极电阻RC取值得当，与电源VCC配合，为晶体管设置合适的静态工作点，使之工作于放大区。它的主要特点是电路的结构能自行稳定由温度的变化带来的静态工作点的变化。
3、对耦合电路的要求第一、信号发生器和负载接入放大电路时，不能影响晶体管的直流偏置。第二，在交流信号的频率范围内，耦合电路应能使信号正常地传输。在分立元件阻容耦合电子电路中，起传递作用的电容器称为耦合电容，如Cb和Cc。只要电容器的容量足够大，即在信号频率范围内的容抗XC（1/wc）足够小，就可以保证信号几乎毫无损失地传输。同时，电容器对直流量的容抗无穷大，使输入端信号发生器的接入以及输出端负载的连接都不会影响放大电路的直流偏置。三：参数计算（1）静态工作点的计算由以上公式可见，静态工作点的调整有多种方式，但为方便起见，实际多以调整电位器Rp为主（滑动变阻器）。（2）电压放大倍数其中有：，常取10
4、0300。输入电阻输出电阻注：放大电路的两种工作状态：放大电路的重要特点：交流信号叠加在直流工作点上，交流量与直流量共存。因此，分析时，将直流和交流分开进行处理。静态工作点：当放大电路输入信号为零时，晶体管的基极电流IBQ、集电极电流ICQ、b-e间电压UBEQ和管压降UCEQ称为放大电路的静态工作点。放大电路的静态工作点是由晶体管的参数和放大电路的偏置电路共同决定的，参数的选取影响到放大电路的增益、失真和其他各个方面。调整的方法是在不加输入信号（不加交流信号）的情况下，测量放大电路的静态（直流）工作点，并进行必要的调整（调整电位器），并使之工作于合适的工作点上。如果静态工作点选取得过高或过低
5、，都会使输出波形产生失真。分为两种：截止失真。在单级共射放大电路中，如果放大器的静态工作点偏低，会使逐步加大的输入信号电压负半周进入了晶体管的截止区，使输出电压波形的“顶部被切掉”，这种现象称为截止失真。如图3-3-1中Q2点所示。出现这种情况时，应通过加大基极偏流IBQ，使晶体管脱离截止区以消除截止失真。饱和失真。如果放大器的静态工作点偏高，会使逐步加大的输入信号电压正半周进入了晶体管的饱和区，使输出电压uo波形的“底部被切掉”，这种现象称为饱和失真。如图3-3-1中Q3点所示。出现这种情况时，应通过减小基极偏流IBQ，使晶体管脱离饱和区以消除饱和失真。图3-3-1最大不失真动态范围当逐渐加
6、大输入信号ui的幅度时，若使输出电压波形uo的顶部和底部几乎同时被切掉一部分，那么除了说明电路此时既有截止失真又有饱和失真，还说明静态工作点比较合适，如图5-1-2中Q1点所示，意味着电路可获得最大不失真动态范围峰峰值Uop-p。此时的失真只是由于输入信号幅度太大而引起的，只要适当减小输入信号的幅度即可消除。如果电路仅仅出现饱和或截止失真，就要调整静态工作点Q，使之获得最大不失真动态范围。放大电路的目的是放大交流信号，静态工作点是电路能正常工作的基础，放大电路工作必须在直流电源作用下施加交流信号，晶体管的uo、uCE、iB和iC都是直流和交流分量叠加后的瞬时值。晶体管放大电路的主要性能指标有电
7、压放大倍数Au、最大输出动态范围Uomax、输入电阻Ri ，输出电阻Ro及通频带fBW等。以下分别介绍各个数值的原理及计算方法： 电压放大倍数Au。电压放大倍数Au是输出电压与输入电压之比，是衡量电路电压放大能力的主要性能指标。在实测电压放大倍数时，应该用示波器观察输出端的电压波形，也可以用双踪示波器同时测量放大电路的输入端和输出端的电压峰峰值（注意：只有在不失真的情况下，测试数据才有意义）另外，放大倍数还和空载、有载有关。放大电路总要接负载，而有时负载的角色实际就是下一级的输入电阻。有时，由于示波器的灵敏度因素，对很小的微信号不好观察，还要在输入端加一级电阻衰减器，将信号源幅值预先进行衰减，
8、用示波器观测信号源输出信号，放大电路的实际输入信号在衰减器后测量最大输出动态范围Uomax。 前面从理论上了解了最大不失真动态范围的概念，测量方法是给放大电路输入1kHz的正弦信号，慢慢增大输入信号ui幅度，使输出uo出现明显的失真，再根据失真波形的削顶或削底情况调整静态工作点，直到输入信号幅度增大到使输出uo同时出现截止和饱和失真（即削顶又削底）为止，之后再慢慢减小输入信号ui，使输出uo波形刚好不失真为止，此时观测示波器输出电压Uop-p，通常表示不失真输出的半峰Uomax为最大输出动态范围。输入电阻Ri 。输入电阻Ri 的定义：RiUi / Ii。Ri是指从放大电路输入端看进去的等效电阻
9、。其大小表明放大电路对信号源的影响程度。放大电路的Ri可看成信号源的负载，必然从信号源索取电流，Ri越大，表明放大电路从信号源索取的电流越小，对信号源讲即轻载，放大电路所得到的输入电压ui越接近信号源电压uS，换句话说放大电路能从信号源获取较大电压；反之，若，放大电路从信号源吸收较大电流，放大电路从信号源得到的输入电压ui越小；若，则放大电路从信号源获取最大功率。实际测量Ri有多种方法：第一种：替代法。替代法的测试方法如图5-1-4所示。先将开关S拨到c档，测出输入ui的值。再将开关S拨到b档，调整电阻R，使其上压降ui同样达到c档时的值，此时对应的电阻R即是Ri。第二种：换算法。输入电阻为低
10、值的测试方法：当理论估算出输入电阻不是很大时，输入电阻还可用输入换算法测量，测试方法如图3-3-5所示。在被测放大电路前串一个电阻RX，输入正弦信号，用示波器分别测量出电压uS 和ui ，则由电阻分压比可得： 。图3-3-5注意，在实际测量中输入端接的电阻RX不宜过大，否则容易引入干扰。但也不宜过小，过小会使测量误差增大，最好取RX与Ri在同一个数量级。为了减小测量误差，一般取RX为可变电阻，调整RX接近Ri值，若使ui=us，这时Ri=Rx。输入电阻为高值的测试方法：当理论估算输入电阻很大 (如集成电路) 时 ，测试方法如图5-1-6所示。先将开关S闭合、S打开，测量出输出uo1的值，再将开
11、关S、S都打开，测量出输出uo2的值，利用放大器的开路电压uoAu ui的关系，而放大倍数是不变的，则有：输出电阻Ro 放大电路作为线性含源二端网络，从放大电路输出端看进去可以等效为戴维南电路，即等效成一个输出电阻Ro与开路电压源uoc的串联组合。输出电阻Ro的大小反映了放大器带负载的能力，R o越小，带负载能力越强。理论上讲，求输出电阻要对有源二端网络用置零网络信号源、外加电压源比端电流得到输出电阻的计算方法，但实际上，R o的测试方法常如图5-1-7所示。输入端加一个正弦信号，用示波器分别测量空载时的输出电压和接负载电阻RL 时的输出电压 , 则有（在测量时要注意，保证在RL接入和断开时输
12、出波形均不失真，且RL和Ro处于同一数量级。）通频带fBW 。上述指标为时域范围研究的问题，通频带是频域范围研究的问题。放大器的放大倍数实际上是频率的函数。，A um为中频区放大倍数。通频带用于衡量放大电路对不同频率信号的放大能力。通频带fBW的定义：。通频带（幅频特性）通常有如下测试方法。（1）逐点记录法在保持输入信号幅度不变的情况下，改变输入信号的频率f，用示波器逐点观测记录输出电压uo。由 计算对应于不同频率下放大器的电压增益，以升序频率在坐标纸上记录所测数据（频率采样越密曲线越平滑），对应找出fL和fH，即可计算出通频带fBW 。注意：记录前要先调整输入信号幅度，用示波器观测到输出信号
13、为不失真输出波形。实际上，输入ui幅度不变，描点记录不同频率下的uo也即幅频特性曲线。（2）扫频法利用扫频仪直接在屏幕上显示出幅频曲线，由幅频曲线A u (f)可测出通频带fBW 。四：实验内容根据上述实验相关原理，有以下实验内容：仿真实验内容1. 建立仿真实验文件在硬盘上建立本次实验的文件夹（一般路径名不要包含中文、特殊字符、尽量不要过长），在文件夹内建立仿真实验用的电路图文件。建立电路图时，晶体管选择2N2222型号，电阻选择理想电阻，电容也选择理想电容。2. 测量工作点测量并调试放大电路的静态工作点，研究电路参数Rp，Rc，Vcc变化过程中，对静态工作点的影响。仿真实验过程中，静态工作点
14、的测量可以通过万用表仪器测量电压换算获得，也可以加入结点，并显示节点参数获得。（1） Rp对静态工作点的影响 调节Rp和输入信号，使放大器的静态工作点为最佳状态（即输入信号幅值增大时，输出波形同时出现饱和与截止失真）。使信号幅度为0，用万用表测量UBQ,UCQ、UEQ,计算出集电极电流ICQ。 重新设置输入信号不变，将Rp增大，观察并记录波形的逐渐失真。撤去信号，用测量UBQ、UCQ、UEQ,计算出集电极电流ICQ,并根据波形和数据判断出失真的类型。将信号再次恢复，且保持输入信号不变。将Rp减小，观察并记录波形的逐渐失真。撤去信号，测量UBQ、UCQ、UEQ,计算出集电极电流ICQ，并根据波形
15、和数据判断出失真的类型。（2） 集电极电阻RC对静态工作点的影响将输入信号接入放大电路，改变集电极电阻上RC，观察输出波形，并记录下来波形失真的情况和集电极电阻的值以及对应的静态工作点，测量方法同上。（3） 电源电压Vcc对静态工作点的影响将输入信号接入放大电路，再将Vcc由12V变为6V，观察并记录输出波形失真的情况，并记录静态工作点，并将两种不同电源电压幅值时的情况进行比较。3. 测量放大器的性能指标 将信号源调至10mV1kHz的正弦信号，用示波器观察输出电压波形，在波形没有出现失真的情况下，改变负载，分别当负载是1k，15k和输出开路的情况下，测量放大电路的输入和输出电压，计算放大电路
16、的增益。最大输出动态范围在测量放大倍数的基础上，使得输入信号幅值逐渐增大，观察输出波形，当输入输出波形同时失真时的输出值Uo,即为Uo,max。放大器输入电阻的测量。用输入换算法测量输入电阻。输入信号不变，在放大器输入回路串入与输入电阻为同一数量级的电阻R，用示波器分别测量R两端对地的电压uo和ui，则输入电阻为：放大器输出电阻的测量用输出换算法测量输出电阻。当负载电阻为15k时，输入端加入正弦信号，用示波器分别测量空载和加载时的输出电压uo和uL，则输出电阻为： 测试通频带fBW用逐点记录法自拟表格，同时描绘出幅值频率特性曲线，找出fL和fH点，计算通频带fBW。由于软件的限制，无法使用波特仪进行测量，我们使用逐点法，并用电子表格软件绘制波特图，获得fL和fH点。