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1、 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，)on(BEV=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VA,填入表 3-1（CC1，CC2 和 CE1 均可视为短
2、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：mA;41.0CQI 忽略,rbb和cer的作用，在小信号等效电路中，满足 k4.9)1(/1b21i,EebbRrrRRR，设，iR为2R两端向三极管看进去的等效电阻，k81.31)1(1biEeRrR，17.0/,2121181iiCCioRRRRRRRRiiA 09.188iiVRRAA 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
3、。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VA，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：73.17m50m33.886ioVVVVAV 表 3-1：晶体三极管放大器增益 计算值 仿真值 实测值 放大器增益VA-18.09-17.73-17.22 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，
4、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。表 3-2：不同输入情况下的输入输出波形图 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VA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
5、。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VSA，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VA-17.59 电压增益VA-17.64 电压增益VA-17.73 源电压增益VSA-17.50 源电压增益VSA-15.94 源电压增益VSA-8.59
6、R=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，VA17.73，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
7、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 3-0 CE1 接于 2-0 电压增益VSA-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
8、，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
9、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，
10、22.171061825VA。在误差允许范围内，可认为计算值、仿真值和测试值一致。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）（1VV 2.775 ）（VV2 4.000 ）（VV3 0.148 I（R3）（A）741.83 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，并将输入输出
11、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。