东南大学模电实验三 晶体管放大器分析与设计 - 图文

实验三 晶体管放大器分析与设计

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，VBE(on)=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 Av，填入表 3-1（CC1，CC2 和 CE 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

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，出现如图 3-2 所示的示波器界面。调整 2 个通道的显示方式，将它们的波形显示出来，并采用如图所

指的测量工具，测试输入，输出波形的峰峰值，计算得到电压增益 Av，填入表格 3-1。

图 3-2 Multisim 安捷伦示波器

表 3-1：晶体三极管放大器增益

计算值 放大器增益 AV 仿真值 实测值 -17.935 -17.726 -16.95

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 Vinpp=50mV 频谱分析 瞬态波形图 频谱分析 Vinpp=100mV 瞬态波形图 Vinpp=200mV 频谱分析 瞬态波形图 Vinpp=300mV 频谱分析 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。

解：随着输入信号幅度峰峰值的增大，失真程度越来越大，非线性程度也越来越明显。

原因：放大器的电压传输特性是非线性的，只有在小信号的变化范围内传输特性曲线可以近 似看成一段直线，表明输入输出之间存在线性关系

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 3-3 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 Avs，填入表 3-3。

图 3-3 信号源内阻

表 3-3：不同信号源内阻的输入输出波形图。

源电压增益 Avs=17.5 R=50Ω 源电压增益 Avs=16 R= 1kΩ 源电压增益 Avs=8.751 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？

解：

源电阻越大，输出源电压增益越小。 17.5=Av[Ri/(50+Ri)] 16=Av[Ri/(1000+Ri)] 8.751=Av[Ri/(10000+Ri)] 故Ri=9.862 kΩ

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。

表 3-4：CE1 不同接法时的放大器增益

电压增益 Av CE1 接于 3-0 CE1 接于 2-0 -17.77 -73.5 答：

Vpk=50mV（失真波形）：

Vpk=20mV（波形不失真）：

现象: CE1 接于 2-0的电压增益明显大于CE1 接于 3-0

原因：发射极旁路电容交流通路时，短路了发射极电阻，使得输出电阻大大减小，从而明显提高了电压增益。同时由于放大器的电压传输特性是非线性的，故当信号进入非线性区域，产生波形失真。

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方法，使用 POCKET LAB 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，如图 3-4 所示，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。

图 3-4 信号发生器

4．交流波形测试

在电脑中打开POCKET LAB 的示波器界面，如图 3-5，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，填入表格 3-1，比较计算值，仿真值和测试值是否一致。

图 3-5

三、 场效应管放大器仿真实验

示波器界面

1． 根据图 3-6 所示电路，在 Multisim 中搭建 MOS 管 IRF510 单级放大电路。

图 3-6 MOS 管放大器

2．对该电路进行直流工作点分析，完成表格 3-5。

表 3-5 场效应管放大器直流工作点

V1（V） V2（V） V3（V） I（R3）（μA） 仿真值 实测值 3.99999 148.36558m 2.77452 741.82789 0.007 0.008 5.01 0.000 3．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，求得该放大器增益 为（-13.72 ）。

仿真波形

图 3-7

实测波形

MOS 管放大器瞬态波形

解:检测电路连接无误,但实测波形出现失,原因未知，猜测电路原理图或者MOS管存在问题。

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。图 3-8 为 IRF510 引脚图。

图 3-8 IRF510 的引脚图

实验思考：

1． 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 反相放大器；而共集放大器是 同相且增益约为1放大器。 仿真波形：

实测波形 ：

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