放大电路实验操作和multisim仿真(20200705152859)

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β、　r be 、r ce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f L、f H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Q B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Q A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

β 、　

r be 、r ce 值　1）测试三极管的

β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

215.82

c b

I

I

=

=β。　

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

r be 。求r be 值的过

程如图11所示。　

6be

dx K

dy

r

=

=。　

图11 通过输入特性曲线得到r be

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

r ce 。求r ce 值的过

程如图14所示。　

100.2ce dx

K dy

r ==

图14 通过输入特性曲线得到

r ce

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。　

4.98i

i

i

K

v

R

i

=

=

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。　

2.79o

o

o

K

v R

i

=

=

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。　

65.42

o v

i

v A

v

=

=

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f L、f H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）f L、f H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f L、f H值，从而得到通频带宽。

f L、f H值的测定可通过图22得到。f L=69.21HZ、f H=27.13MHZ。　

图22 f L、f H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β的理论值为220，而实验中测试出的

β值为215.82，

可得误差为　

|| 1.9%

E -=

=真真

βββ。　

2）　

200(1) 5.57T be

E

K

V

r

I

=++=β，则误差为　

||

7.7%

be be

be E r r

r

-=

=真真

3）

，则误差为　

1

2

5.11||||i

be

K

R r R R ==|| 2.5%

i i

i E R R R

-

=

=真真

4）

,则误差为　

2.87o

c K R

R ==||

2.8%

o

E R R

R

-=

=o 真o 真

5）

||65.30

c

L

v

be

R

R A

r

=-=-β，则误差为　

||0.2%

v

E A A A

-=

=v 真v 真

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

r ce 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。