单级放大电路的设计与仿真.doc

实验一 单级放大电路的设计与仿真
一、实验目的
1、掌握放大电路的静态工作点的调整和测试方法。
2、掌握放大电路的动态参数的测试方法。
3 、观察静态工作点的选择对输出波形及电压放大倍数的影响。
二、实验原理
当三极管工作在放大区时具有电流放大作用，只有给放大电路中的三级管提供合适的静态工作点才能保证三极管工作在放大区，如果静态工作点不适合，输出波形则会产生非线性失真——饱和失真和截止失真，而不能正常放大。
当静态工作点设置在合适的位置时，即保证三极管在交流信号的整个周期均工作在放大区时，三极管有电流放大特性，通过适当的外接电路，可实现电压放大。表征放大电路放大特性的交流参数有电压放大倍数，输入电阻，输出电阻。
由于电路中有电抗元件电容，另外三极管中的PN结有等效电容存在，因此，对于不同频率的输入交流信号，电路的电压放大倍数不同，电压放大倍数与频率的关系定义为频率特性，频率特性包括：幅频特性——即电压放大倍数的幅度与频率的关系；相频特性——即电压放大倍数的相位与频率的关系。
三、实验要求和实验步骤
（1）实验要求
1. 设计一个分压偏置的单管电压放大电路，要求信号源频率2kHz(峰值5mV) ，负载电阻3.9kΩ，电压增益大于50。
2. 调节电路静态工作点，观察电路出现饱和失真和截止失真的输出信号波形，并测试对应的静态工作点值。
3. 调节电路静态工作点，要求输入信号峰值增大到10mV电路输出信号均不失真。在此状态下测试：
① 电路静态工作点值；
② 三极管的输入、输出特性曲线和b 、 rbe 、rce值；
③ 电路的输入电阻、输出电阻和电压增益；
④ 电路的频率响应曲线和fL、fH值。
（2）实验步骤
1.设计分压偏置的单管电压放大电路
2.测试饱和失真和截止失真
电路图如上图所示，当调整R1和R2的大小时，可以观测到饱和失真和截止失真。
1）观察饱和失真并测定参数
调节R1大小，使R1=24.9K，观察示波器，可得输出电压的波形如图1所示。观察波形，发现输出电压波形出现了削底的现象，对于NPN管说明此时三极管出项了饱和失真。

图1 三极管放大电路饱和失真时的输出电压波形
再通过对电路图进行直流分析，可得图2中的数据。

图2 三极管放大电路饱和失真时的静态工作点值
此时静态工作点为Ib=144.87uA、Ic=2.08mA、Vce=0.08V。
2)观察截止失真并测定参数
由于输入的信号过小，因此很难观察到截止失真的现象，因此将小信号的峰值调至20mV，将R2调至21K, 观察示波器，可得输出电压的波形如图3所示。观察波形，发现输出电压波形出现了削顶的现象，对于NPN管说明此时三极管出项了截止失真。

图3 三极管放大电路截止失真时的输出电压波形
再通过对电路图进行直流分析，可得图4中的数据。

图4 三极管放大电路饱和失真时的静态工作点值
此时静态工作点为Ib=947.55nA、Ic=208.40uA、Vce=10.84V。
3)观察不失真并测定参数
无需改变设计图中的任何参数。观察波形，发现输出电压波形出现了较为对称的波形（图5）。

图5 三极管放大电路不失真时的输出电压波形
再通过对电路图进行直流分析，可得图6中的数据。

图6 三极管放大电路不失真时的静态工作点值
此时静态工作点为Ib=4.96uA、Ic=1.07mA、Vce=6.07V。
由于静态工作点位置不合适，波形会产生失真，如图7所示。
（1）静态工作点偏低，如QB所示，接近截止区，交流量在截止区，使输出电压波形正半周被削顶，产生截止失真。
（2）静态工作点偏高，如QA所示，接近饱和区，交流量在饱和区，使输出电压波形负半周被削底，产生饱和失真。

图7 放大电路波形失真图
4. 测试三极管的输入、输出特性曲线和b 、 rbe 、rce值
1） 测试三极管的b值
当输入信号峰值增大到10mV时，可以得到电路静态工作点值（图8），得到 。

图8 电路静态工作点值
2）测试三极管的输入特性曲线
图9为测试三极管输入的实验图，使得VCE=VCEQ，使用直流扫描，可得输入特性曲线如图10所示。

图9 测试输入特性曲线的实验图

图10 输入特性曲线
通过静态时的Ib找到Q点，在Q点附近取两个点，斜率的倒数即为rbe。求rbe值的过程如图11所示。
。

图11 通过输入特性曲线得到rbe
3）测试三极管的输出特性曲线
图12为测试输出特性曲线的实验图，使得IB=IBQ,使用直流扫描，可得输出特性曲线如图13所示。

图12 测试输出特性曲线的实验图

图13 输出特性曲线
通过静态时的Ic找到Q点，在Q点附近取两个点，斜率的倒数即为rce。求rce值的过程如图14所示。

图14 通过输入特性曲线得到rce
5. 测量输入电阻、输出电阻和电压增益
1） 测量输入电阻
输入电阻的测试电路如图15所示。将万用表XMM1设置为交流电流表，万用表XM设置为交流电压表。从这两个表中读出电流和电压的值，如图16所示。

图15 输入电阻的测试电路

图16 输入电流和输入电压的读数
2）测量输出电阻
输出电阻的测试电路如图17所示。将万用表XMM1设置为交流电流表，万用表XMM2设置为交流电压表。从这两个表中读出电流和电压的值，如图18所示。

图17 输出电阻的测试电路

图18 输出电流和输出电压的读数
3）测量电压增益
电压增益的测试电路如图19所示。将万用表XMM1设置为交流电压表，万用表XMM2设置为交流电压表。从这两个表中读出电压的值，如图20所示。

图19 电压增益的测试电路

图20 输出电压和输出电压的读数
6．电路的频率响应曲线和fL、fH值
1）电路的频率响应曲线
对电路进行交流分析，幅频，相频特性曲线如图21所示。

图21频率特性曲线
2） fL、fH值的测定
通过软件得到幅频最大的值后，再通过三分贝点得到fL、fH值，从而得到通频带宽。
fL、fH值的测定可通过图22得到。fL=69.21HZ、fH=27.13MHZ。

图22 fL、fH值的测定
四、分析实验结果
1.计算误差
1）实验中所用的三极管2N2222A的 b的理论值为220，而实验中测试出的b值为215.82，可得误差为
。
2） ，则误差为

3），则误差为

4）,则误差为

5），则误差为

2.分析结果
对于r be的误差是因为其理论公式中就是近似相等，本身就存在误差，另外在输出、输入特性曲线选点时也存在误差导致最后结果产生误差。
输入电阻产生的误差较大是与电源及所选取的三极管的型号有关，输出电阻的误差是由于计算输出电阻的公式中缺少rce的理论值而产生的。
β的值比较接近软件提供的理论值220，其产生的误差的原因可能是由于电路中的电阻有1%波动，造成测量上的误差。
总体来说，虽然实验存在误差，但误差在可以接受的范围之内。
五、实验感想
虽然以前也对Multisim软件有所了解，但真正将其用在EDA设计中时还是有很多不了解的地方，也犯了一些小错误。实验一其实就是模电的基本知识，但并不只要求我们掌握书本中的知识，还要进行三极管管号及相关电阻的选取等内容，这就要求我们对现实中的材料有一定的了解。对于输入输出电阻的求解也是在老师所提供的方法下，通过直接读取软件所给数据得出的。在观察截止失真时，由于信号过小，造成结果不明显，通过调节信号的大小可清楚看出失真现象。通过仿真软件来模拟结果，不仅巩固了书本中所学的知识，也了解了更多实用的知识。