东南大学信息学院-模电实验三.doc

东南大学信息学院-模电实验三

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β≈120，=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,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：

忽略和的作用，在小信号等效电路中，满足

设为两端向三极管看进去的等效电阻，

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，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：
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
-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，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：①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。②峰峰值50mV--300mV逐渐增大，放大器的电压增益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50Ω、1kΩ和10kΩ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，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-17.59
电压增益-17.64
电压增益-17.73
源电压增益-17.50
源电压增益-15.94
源电压增益-8.59
R=50Ω
R=1kΩ
R=10kΩ

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：①当源电阻增大时，电压增益增大，但是电压源增益减小。
②由【实验预习】中的仿真值可知，17.73，因此，可估算出晶体管放大器的内阻为10kΩ。

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3-0
CE1接于2-0
电压增益
-17.73
-72.75
分析：①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。
②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，。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

2.775

4.000

0.148

I（R3）（μA）
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。