东南大学电工电子实验中心
实 验 报 告
课程名称： 模拟电子电路基础
第 三 次实验
实验名称： 三极管放大电路设计 院（系）： 专 业： 姓 名：
学 号：
实 验 室: 105 实验组别： 同组人员： 实验时间： 2015年05月04日 评定成绩： 审阅教师：
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实验三 三极管放大电路设计
一、实验目的
1. 掌握单级放大电路的设计、工程估算、安装和调试；
2. 了解三极管、场效应管各项基本器件参数、工作点、偏置电路、输入阻抗、输出阻抗、
增益、幅频特性等的基本概念以及测量方法； 3. 了解负反馈对放大电路特性的影响。
4. 掌握多级放大电路的设计、工程估算、安装和调试；
5. 掌握基本的模拟电路的故障检查和排除方法，深化示波器、稳压电源 、交流毫伏表、
函数发生器的使用技能训练。
二、预习思考：
1. 器件资料：
上网查询本实验所用的三极管9013的数据手册，画出三极管封装示意图，标出每个管脚的名称，将相关参数值填入下表：
参数符号 VCBO VCEO VEBO ICM hFE VCE(sat) VBE fT 参数值 ≤40V (额) ≤30V (额) ≤5V (额) ≤500mA (额) 96~246 ≤0.25V ≤1V ≥140MHz 参数意义及设计时应该如何考虑 集电极基极电压。必须在此范围内工作否则将损坏三极管。 集电极发射极电压。同上。 发射极基极电压。同上。 集电极电流。同上。 直流增益。 集电极发射极饱和压降。 基极发射极正向电压。 特征频率。 注：额——表示Absolute maximum ratings，最大额定值。
2. 偏置电路：
图3-3中偏置电路的名称是什么？简单解释是如何自动调节晶体管的电流IC以实现稳定直流工作点的作用的，如果R1、R2取得过大能否再起到稳定直流工作点的作用，为什么？
答：
① 图3-1偏置电路名称：分压式偏置电路。
② 自动调节晶体管电流Ic以实现稳定直流工作点的作用的原理：
当温度升高，会引起静态电流ICQ(≈IEQ)的增加，此时发射极直流电位UEQ=IEQ*RE也会增加，而由于基极电位UBQ基本固定不变，因此外加在BJT发射结上的电压UBEQ=UBQ-UEQ将减小，迫使IEQ减小，进而抑制了ICQ的增加，使ICQ基本维持不变，达到自动稳定静态工作点的目的。同理，当温度降低时，ICQ减小，UEQ同时减小，而UBEQ则上升促使IEQ增大，抑制了ICQ 的减小，进而保证了Q点的稳定。 ③ 若R1、R2取得过大，则不能再起到稳定工作点的作用。这是因为在此情况下，
流入基极的电流不可再忽略，UB不稳定导致直流工作点不稳定。
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3. 电压增益：
(I) 对于一个低频电压放大器，一般希望电压增益足够大，根据您所学的理论知识，分
析有哪些方法可以提高电压增益，分析这些方法各自优缺点，总结出最佳实现方案。
答：提高电压增益的方法：从增益的公式来看，可以通过提高β值与Rc、减小rbe值来提高增益，但各有其弊端。提高β虽可行但选择范围有限，改变Rc、rbe会影响到静态工作点。还可以在电路中引入正反馈，可这种方法会影响电路工作的稳定性，因而不常用。此外，还可以通过多级放大电路实现，这种方法往往增益大、输入电阻大、输出电阻小，在工程中广为应用。
(II) 实验中测量电压增益的时候用到交流毫伏表，试问能否用万用表或示波器，为什
么？
答：不能，因为实验中所测信号幅度很小，用示波器测量将把噪声计入幅值，万用表测量的灵敏度低。
4. 输入阻抗：
1) 放大器的输入电阻Ri反映了放大器本身消耗输人信号源功率的大小，设信号源内
阻为RS，试画出图3-3中放大电路的输入等效电路图，通过连线回答下面的问题，并做简单解释： Ri = RS 放大器从信号源获取较大电压
Ri << RS 放大器从信号源吸取较大电流 Ri >> RS 放大器从信号源获取最大功率
① 答：放大电路输入等效电路图：
简单解释：
放大器从信号源获得的功率为P=I2*Ri，I=Us/(Rs+Ri)，两式联立，解得，当Ri=Rs ，放大器从信号源获取最大功率，最大功率为Pmax=Us2/(4Rs)。也可直接看出，Ri越小，放大器从信号源获取的电流越大。Ui=I*Ri，当Ri越大，放大器从信号源获取的电压越大。
2) 图3-1是实际工程中测量放大器输入阻抗的原理图，试根据该图简单分析为什么串接电阻RS的取值不能太大也不能太小。
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图3-1 放大器输入阻抗测量原理图
测量困难。
答：由图得，Ri=Ui*Rs/(Us-Ui)。若Rs太大，Ui太小；Rs过小，Us与Ui太接近，
3) 对于小信号放大器来说一般希望输入阻抗足够高，根据您所学的理论知识，分析
有哪些方法可以提高图3-3中放大电路的输入阻抗。 答：在输出不失真的情况下，降低电路的直流工作点；增大R1、R2并保证不影响UBE的稳定。
5. 输出阻抗：
1) 放大器输出电阻RO的大小反映了它带负载的能力，试分析图3-3中放大电路的输
出阻抗受那些参数的影响，设负载为RL，画出输出等效电路图，通过连线回答下面的问题，并做简单解释。 RO = RL 负载从放大器获取较大电压 RO << RL 负载从放大器吸取较大电流 RO >> RL 负载从放大器获取最大功率 答：输出等效电路图：
简单解释：
负载从放大器获取的电压P=I2*RL，Uo=RL*Uo’/(RL+Ro)。当Ro=RL，负载从放大器获取最大功率。也可以直接看出，Ro越小，负载获得的电压越大，电流也越大。
2) 图3-2是实际工程中测量放大器输出阻抗的原理图，试根据该图简单分析为什么电
阻RL的取值不能太大也不能太小。
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图3-2 放大器输出阻抗测量原理图
答：Ro=(Uo’-Uo)*RL/Uo，若RL太小，Uo也太小，难以测量；RL太大，Uo’与Uo相当，Uo’-Uo太小。
3) 对于小信号电压放大器来说一般希望输出阻抗足够小，根据您所学的理论知识，
分析有哪些方法可以减小图3-3中放大电路的输出阻抗。
答：Ro=Rd，可以减小Rd但此法将影响静态工作点；此外也可以引入负反馈的方法来减小输出电阻。
6. 计算图3-3中各元件参数的理论值，其中
已知：VCC=12V，Ui=5mV，RL=3KΩ，RS=1KΩ， T为9013
指标要求：Au>50，Ri>1 KΩ，RO<3KΩ，fL<100Hz，fH>100kHz（建议IC取2mA） 用Multisim软件对电路进行仿真实验，仿真结果填写在预习报告中。 1) 仿真原理图 Multisim仿真电路图：
2) 参数选择计算
设UBEQ=0.7V，β=100。其中ICQ最好取2mA。
令UBQ=5.7V，UEQ=5V，又ICQ=2mA≈IEQ，RE=UEQ/ICQ=2.5kΩ，取RE=2kΩ+510Ω。rbb’=200Ω，rbe≈1.5kΩ。取Rc=2kΩ。RL’= Rc||RL=1.2 kΩ。R1=14.7 kΩ，R2=6.8kΩ。 Au=-β(Rc||RL)/rbe=80>50
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Ri=R1||R2||rbe=1.134 kΩ>1 kΩ Ro=Rc==2kΩ<3kΩ 满足要求。 其中电容尽量取大。
3)
仿真结果
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7. 对于小信号放大器来说一般希望上限频率足够大，下限频率足够小，根据您所学的理论
知识，分析有哪些方法可以增加图3-3中放大电路的上限频率，那些方法可以降低其下限频率。
答：增加上限频率：选择rbb’,Cb’c 小、fT高的三极管。在不能选择三极管的情况下，可通过减小R1、R2来实现上限频率的增大，但要注意输入电阻与增益随之改变。
降低下限频率：提升C1、C2、CE（旁路电容）值，这三个值是影响下限频率的主
要因素。
8. 负反馈对放大器性能的影响
答：电路中引入负反馈之后，增益减小，带宽、输入阻抗、输出阻抗增大，对噪声温漂等干扰有抗干扰能力，总的来说负反馈能有效提高电路的性能。 9. 设计一个由基本放大器级联而成的多级放大器，
已知：VCC=12V，Ui=5mV，RL=1KΩ，T为9013
要求满足以下指标：| Au |>100，Ri>1 KΩ，RO<100Ω 1) 仿真原理图
2) 参数选择计算
多级放大器中各级放大电路往往各有其功能，比如本次设计的三级放大电路，第一级共源放大，主要用于增大输入电阻，第二级共射放大，主要用于信号放大，最后一级
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共集放大用于减小输出电阻。
从这一基本设计思想出发，依次确定各级放大电路的参数。Vcc=12V。
第一级目的在于增大输入电阻，并对信号进行小幅放大：
Ri=RG3+RG1//RG2>1MΩ，取RG3=2MΩ。 令UGQ=5V，则RG1=270kΩ，RG2=200kΩ。
若IDQ=2mA，UGSQ=2.2V，USQ=2.8V，Rs≈1.4kΩ，可取Rs=2kΩ，相应的可取RD=2kΩ，仿真时为了保证合适的放大倍数这个值有所调整，只是计算大概参数范围。此时gm≈2.24，Au≈2.8。 第二级目的在于放大：
UB2Q=2.5V，取RB1=20kΩ，RB2=5.1kΩ。 IE2Q=0.5mA，RE=3.3kΩ，Rc=6.8Ω。
第三级目的在于减小输出电阻： UB3Q=8.6V，ICQ=2mA，图中R6≈3.65kΩ取3.3kΩ，负载RA取4.7 kΩ。 关于电容的选择，要使交流信号通过时电容相当于短路，电容值要尽量大，本电路中所取电容为47μF、100μF。
我的第一、二级电路间采用电容耦合，静态工作点相互独立；第二、三级电路则采用直接耦合，因为尽管它们的静态工作点相互影响，但参数值计算简单，而且直接耦合能够减少元器件，方便搭电路与检查错误。
3) 仿真结果
其中Channel_A为输出信号，Channel_B为输入信号。
三、实验内容
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1. 基本要求：
图3-3 射极偏置电路
1) 研究静态工作点变化对放大器性能的影响 (1) 调整RW，使静态集电极电流ICQ=2mA，测量静态时晶体管集电极—发射极之间电压UCEQ。
记入表3-3中。
(2) 在放大器输入端输入频率为f=1kHz的正弦信号，调节信号源输出电压US 使Ui=5mV，
测量并记录US、UO和UO’（负载开路时的输出电压）的值并填于表3-1中。注意：用双踪示波器监视UO及Ui的波形时，必须确保在UO基本不失真时读数。 (3) 根据测量结果计算放大器的Au、Ri、Ro。 相关波形图：
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由图可知：放大倍数约为97倍，符合要求。
表3-1 静态工作点变化对放大器性能的影响 静态工作点电流ICQ(mA) UBQ(V) 输入端接地 UCQ(V) UEQ(V) US(mV) 输入信号Ui=5mV UO(V) UO’ (V) UBEQ UCEQ 计算值 Au Ri/kΩ RO/kΩ 1 测量值 2.883 9.68 2.269 14 0.223 0.316 0.614 7.411 44.6 5.04 1.987 测量值 5.928 7.68 5.284 7.5 0.36 0.64 0.644 2.396 72 3.384 1.9394 2 理论值 5.8 8 5.02 5.07 0.3871 0.645 0.78 2.98 77.42 3.46 1.950 误差 2.2% 4% 5.3% 47.9% 7% 0.78% 17.4% 19.6% 7% 2.2% 0.54%
实验结果分析：
测量静态工作点时，输入端接地，误差并不大，在正常范围内。当Ui=5mV时，Us的理论值与测量值即出现较大误差，这是因为，本身Ui值太小，接线过程中不免产生噪声与干扰，这个噪声值使本来就比较小的电压产生较大的偏差，此外信号在电路中的耦合也会有所损耗，所以Us的误差较大也是可以理解的。
而由于本电路中并没有负反馈，电路对噪声、温漂等抗干扰能力弱，导致UBEQ 与UCEQ
产生较大误差。
2) 观察不同静态工作点对输出波形的影响
(1) 改变RW的阻值，使输出电压波形出现截止失真，绘出失真波形，并将测量值记录表3-2中。
(2) 改变RW的阻值，使输出电压波形出现饱和失真，绘出失真波形，并将测量值记录表3-2中。
表3-2 不同静态工作点对输出波形的影响
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UBQ(V) 测量值 UCQ(V) UEQ(V) 波形 ICQ(mA) 计算值 UBEQ(V) UCEQ(V) R1 相关波形图如下：
① 完全截止
完全截止 1.279 9.76 0.694 截止失真 1.427 9.59 0.838 饱和失真 5.992 5.931 6.59 如下 3.0345 -0.598 -0.659 6.82k 完全饱和 6.33 6.18 5.68 RW变化对失真的影响 Rw增大易出现截止失真，Rw减小易出现饱和失真；Rw越大（小），截止（饱和）失真越厉害。 —— / / / / 如下 1.12 0.585 9.086 57k 如下 1.205 0.589 8.752 50.38k 如下 2.91 0.65 0.5 6.09k
② 截止失真
③ 饱和失真
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④ 完全饱和
（实验提示：测量截止失真波形时可以加大输入信号幅度） 实验结果分析：
在以上失真波形中只调节了Rw的值，输入信号幅度没改变。
通过调节Rw的值使得静态工作点改变，Rw越小静态工作点越高，反映在输出波形上，波形越容易出现底部失真，即饱和失真；反之，Rw越大静态工作点越低，越容易出现截止失真。在计算时，设R1=14.7kΩ，实际调节时，可保留R1’=4.7kΩ，串入电位器；此外，必要的话，将4.7kΩ去掉直接用电位器代替。 和之前的相联系，要求在输出信号基本不失真时读数就是为了保证电路的静态工作点设置合理。
3）测量放大器的最大不失真输出电压
分别调节RW和US，用示波器观察输出电压UO波形，使输出波形为最大不失真正弦波。测量此时静态集电极电流ICQ和输出电压的峰峰值UOP-P。
带负载时测量 ICQ= 2mA ，UOP-P = 1.88V 此时输入信号有效值为Uirms = 35mV 实验图如下：
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实验结果分析：
波形产生失真的原因可能有多种，可能是由于工作点设置不合理——过高或过低，而产生饱和失真或截止失真，如前一内容所测波形。在静态工作点设置合理的情况下，如果输入信号幅度过大仍然会导致波形失真，本内容即在这种情况下测定最大不失真输出电压。
4) 测量放大器幅频特性曲线
（1）使用扫频仪测出放大器的幅频特性曲线并记录曲线，读出下限频率fL、上限频率fH。 （2）调整ICQ=2mA，保持Ui=5mV不变，完成以下内容，计入表3-3中： (I) 参考（1）中测得曲线，分别在低频区（取fL）、中频区（任取）和高频区（取fH）
各取一点测量UO值，记录下限频率fL、上限频率fH，计算带宽BW。
(II) 输入Ui=5mV，f=fL，用示波器双踪显示输入输出波形，记录波形，并测量两者间的
相位差Φ；
(III) 输入Ui=5mV，f=fH，用示波器双踪显示输入输出波形，记录波形，并测量两者间的
相位差Φ。
表3-3 放大电路的幅频特性
f/kHz fL=53.0Hz f=3.8kHz fH=132kHz UO/V 0.24 0.365 ———— 0.413 190.08° Vi超前Vo 108.87° Φ= ?t/T ?3600 带宽BW = 132kHz
实验结果分析：与仿真结果相比，下限频率有所减小，而上限频率却大大降低，不
排除在扫频仪上下限频率读的不准的情况，测出上限频率=132kHz却让人难以理解，观察数据，发现在此频率下输出信号幅度并没有衰减，可以判断此时并非在上限频率附近，即上限频率测定值错误。（可是为什么扫频仪显示的是132kHz？）
理论上Vi相位应超前Vo相位180°，实际上在上限截止频率出有附加相移约10°，
在下限频率处附加相移表现得更为明显，在中频区相移基本稳定在180°，体现了电路的频率响应。
f=fL时的输入输出波形图：
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实验结果分析： 测出此时Uo=240mV，与理论输出电压相Uo=385mV比有明显衰减，240/385=0.623，这说明fL=53Hz的确在下限频率点附近。本次测定是正确的。
f=fH时的输入输出波形图：
实验结果分析： 此时虽有附加相移，但从幅度角度分析，幅度并未衰减，甚至有所增加，增加量可以是输入端的噪声干扰引起的，则可推断出信号幅值并未衰减，说明132kHz不在上限频率附近，测定出的fH值是错的，但错银尚不能解决。
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东大模电实验-三极管放大电路设计 - 图文
