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1、单管放大器仿真分析与试验报告一、试验目的1. 把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. 把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. 把握 Multisim 仿真试验方法，逐步理解仿真试验和真实试验的差异。二、试验电路图BR51kWRB1RPV(+12V )ccCR5.1kWC680 kW+ cCb+ 10mFuR10mF+3DG6u+RLoiB2RC24kW_E1.8 kWe_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
2、共射低频放大器。放大是最根本的模拟信号处理力量，包含两个方面：一是能将微弱的低频小信号增加到所需要的数值，即放大电信号以便利测量和使用；二是要求放大后的信号波形与放大前波形的外形一样，即信号不能失真，否则要丧失传送的信息，失去了放大的作用。基于以上分析可以知道，电阻组成的根本原则也包括两个方面，首先要给电路中的晶体管加上适宜的直流偏置电路，即放射结正偏、集电结反偏，使其工作在放大状态， 同时施加适宜范围的电源和电流，即适宜的静态工作点。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，应当有输出响应 uo。基极偏置电阻 R、R以及集电极电阻 R 取值得当，与电源
3、 V协作，为晶体管B1B2CCC设置适宜的静态工作点，使之工作于放大区。它的主要特点是电路的构造能自行稳定由温度的变化带来的静态工作点的变化。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。其次，在沟通信号的频率范围内，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。C只要电容器的容量足够大，即在信号频率范围内的容抗 X 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
4、点的计算RU=B 2VBR+ RCCB1B 2I= UBE- UBE IRCEU= V-CECCI (RCC+ R )E由以上公式可见，静态工作点的调整有多种方式，但为便利起见，实际多以调整电位器 Rp 为主滑动变阻器。2电压放大倍数ub R/ / RA =0 -LCuuribe其中有： rbe r+ bbb26mV，常取rIEQbb100300。输入电阻R = RiB1输出电阻R = RoC/ /RB 2/ /rbe注：放大电路的两种工作状态：放大电路的重要特点：沟通信号叠加在直流工作点上，沟通量与直流量共存。因此，分析时，将直流和沟通分开进展处理。静态工作点：当放大电路输入信号为零时，晶体
5、管的基极电流 I 、集电极电流 I、b-e 间电压BQCQUBEQ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打算的，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沟通信号的状况下，测量放大电路的静态直流工作点，并进展必要的调整调整电位器，并使之工作于适宜的工作点上。假设静态工作点选取得过高或过低，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，假设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
6、图 3-3-1 中 Q 点所示。消灭这种状况时，应通过加大基极偏流 I，使晶2BQ体管脱离截止区以消退截止失真。饱和失真。假设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。消灭这种状况时，应通过减小基极偏流 I饱和失真。i (mA)CiC3，使晶体管脱离饱和区以消退BQI(A)B63QIB50w tIiB41C1QI0w tB3IiB2C20w t0IQB12IuB0(V)CE0u ce (V)w t图 3-3-1最大不失真动态范围p当渐渐加大输入信号 ui 的幅度时
7、，假设使输出电压波形 uo 的顶部和底部几乎同时被切掉一局部，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适宜，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- 。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退。假设电路仅仅消灭饱和或截止失真，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沟通信号，静态工作点是电路能正常工作的根底，放大电路工作必需在直流电源作用下施加沟通信号，晶体管的 u 、u、i 和 i 都oCEBC是直流和沟通重量叠加后的瞬时值。晶体管放大电路的主要性能指标
8、有电压放大倍数 Au、最大输出动态范围 U、输入电阻 R，输出电阻 R及通频带 f等。omaxi以下分别介绍各个数值的原理及计算方法：oBW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力量的主要性能指标。在实测电压放大倍数时，应当用示波器观看输出端的电压波形，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留意：只有在不失真的状况下，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看，还要在输入端加一级电 阻衰减器，将信号源幅值预
9、先进展衰减，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V (+12V )BR51kWRB1RPccCR5.1kWCu680 kW+ c+RiC+1+ 5.1kWusb10mFRB2512WR10mFR3DG6u+LoREC24kW_1.8k 10meF_测量最大输出动态范围U。omax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，渐渐增大输入信号 ui 幅度，使输出 uo 消灭明显的失真，再依据失真波形的削顶或削底状况调整静态工作点，直到输入信号幅度增大到使输出 uo 同时消灭截止和饱和失真即削顶又削底为止，之后再渐渐减小输入信号
10、u ，使输出 u波形刚好不失真为止，此iop时观测示波器输出电压Uop- ，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 。i输入电阻Ri 的定义：R Ui/ I 。Ri是指从放大电路输入端看进去的等效电阻。其大小i说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，必定从信号源索取电流，Ri 越大，说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S得到的输入电压 ui 越接近信号源电压 u ，换句话说放大电路能从信号源猎取较大电压；反u之，假设 R R ，放大电路从信号源吸取较大电流，放大电路从信号源得到的输入电压isi越小；假设
11、R= R ，则放大电路从信号源猎取最大功率。is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iS 拨到b 档，调整电阻R，使其上压降ui 同样到达c 档时的值，此时对应的电阻R 即是R 。其次种：换算法。X输入电阻为低值的测试方法：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 R ，输入正弦信uuu号，用示波器分别测量出电压和，则由电阻分压比可得： R=SiiusiR。- uXi信号源a+u_b+AuRXsu_i Ri图 3-
12、3-5留意，在实际测量中输入端接的电阻 RX 不宜过大，否则简洁引入干扰。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 RX1为可变电阻，调整RX 接近Ri 值，假设使ui= 2 us，这时Ri=Rx。o1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 翻开，测量出输出 u的值，再将开关 S 、S 都打oui开，测量出输出uo2 的值，利用放大器的开路电压u Au 的关系，而放大倍数是不变的， 则有：S1aRb+AuS2+uRRouiio_uoc_+uRsL
13、_uuA=o1 =o 2R=uRo 2uuRsuis R + Riiu- uo1o 2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力量，R o 越小，带负载力量越强。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 u oc 和接负载电阻RL 时的输出电压 u oL , 则有uR= (ooc - 1
14、)RuLoL+Au+RuuuRsii_oRLou_oc在测量时要留意，保证在RL 接入和断开时输出波形均不失真，且RL 和 Ro 处于同一数量级。通频带 fBW 。上述指标为时域范围争论的问题，通频带是频域范围争论的问题。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力量。20lg A(dB )低频区中频区高频区fBW0-3fLfHf (Hz )通频带f的定义： f= f- f。BWBWHL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状况下，转变输入信号的频率f，用示波器逐点观测记录输出电压u。由 A
15、= u/ u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ouoi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 。留意：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：试验内容依据上述试验相关原理，有以下试验内容：仿真试验内容1. 建立仿真试验文件在硬盘上建立本次试验的文件夹一般路径名不要包含中文、特别字符、尽量不要过长，在文件夹内建立仿真试验
16、用的电路图文件。建立电路图时，晶体管选择2N2222 型号，电阻选择抱负电阻，电容也选择抱负电容。2. 测量工作点测量并调试放大电路的静态工作点，争论电路参数Rp，Rc，Vcc 变化过程中，对静态工作点的影响。仿真试验过程中，静态工作点的测量可以通过万用表仪器测量电压换算获得，也可以参加结点，并显示节点参数获得。（1） Rp 对静态工作点的影响 调整Rp 和输入信号，使放大器的静态工作点为最正确状态即输入信号幅值增大时，输出波形同时消灭饱和与截止失真。使信号幅度为 0，用万用表测量UU 、U ,计算出集电极电流I 。CQBQ, CQEQ 重设置输入信号不变，将Rp 增大，观看并记录波形的渐渐失
17、真。撤去信号，用测UUCQU量、BQEQ,计算出集电极电流 ICQ,并依据波形和数据推断出失真的类型。将信号再次恢复，且保持输入信号不变。将 Rp 减小，观看并记录波形的渐渐失真。撤去信号，测量U、U、U,计算出集电极电流I，并依据波形和数据推断出失真的类型。BQCQEQCQ（2） 集电极电阻RC 对静态工作点的影响R将输入信号接入放大电路，转变集电极电阻上，观看输出波形，并记录下来波C形失真的状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，观看并记录输出波形失真的状况，并记录静态
18、工作点，并将两种不同电源电压幅值时的状况进展比较。3. 测量放大器的性能指标 将信号源调至 10mV1kHz 的正弦信号，用示波器观看输出电压波形，在波形没有消灭失真的状况下，转变负载，分别当负载是 1k，15k和输出开路的状况下，测量放大电路的输入和输出电压，计算放大电路的增益。最大输出动态范围在测量放大倍数的根底上，使得输入信号幅值渐渐增大，观看输出波形，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。i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 u ，则输入电阻为
19、：R = u Riiuo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，输入端参加正弦信号，用示波器分别测量空载和加载时的输出电压uo 和 u ，则输出电阻为：LR = u-1RuoiL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f。由于软件的限制，无法使用波特仪进展测量，我们使用逐点法，并用电子表格软件绘BW制波特图，获得fL 和 fH 点。仿真试验成果:在 Multisim 软件中，将电路连接并调试至最正确静态工作点，电路如图：连接实物图：在示波器中观看到如图：留意：在连接电路时，示波器可能会因较大噪声而得不到正确波形，需要设计电路的实物连接，保证各节点接触良好，电路简明，