实验三 三极管放大电路设计

东南大学电工电子实验中心

实验报告

课程名称：电子电路实验

第 3 次实验

实验名称：三极管放大电路设计

院（系）：吴健雄学院专业：电类强化班

姓名：梅王智汇学号：61012215

实验室: 101 实验组别：

同组人员：实验时间：2014年 5 月 4 日评定成绩：审阅教师：

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：

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I C 以实现稳定直流工作点的作用的，如果R 1、R 2取得过大能否再起到稳定直流工作点的作用，为什么？

答：该偏置电路是分压偏置电路，利用R1，R2对电源电压进行了分压，保证了基极电压稳定为：2

12

BQ CC R U V R R =

+。这样就为电路提供了稳定的工作点。就是当环境

温度升高时，I CQ ≈I EQ 增加，U EQ =I EQ R E 增大，由于U BQ 的基本固定，U BEQ =U BQ -U EQ 减小,又使I EQ 减小，抑制I CQ 增加，通过这样的自动调节就稳定了静态工作点。

如果R1，R2取值过大，以至于接近输入电阻R i ，就会导致流入基极的电流不可忽略，工作点不稳定。

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：

为了提高增益，需要调节参数， 共发射极组态电路增益为： (//)

C L be

R R A r β=-

共基级组态电路增益为： ()

//be

C L R R A r β=

共集电极组态电路增益为：()()1'1'

be

L L R A r R ββ+=

++ 注意到通过调大共发射极组态电路的R C 与负载R L 可以获得更大的放大倍数增益，但是在调节R C 的时候会增大其输出电阻，故应当适当调节。

也可以通过引入正反馈的办法来提高电压增益，但是这会影响电路工作的稳定性，一般只用于整形和波形发生电路。

(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：不可以。输入电压信号非常小，为5MV 左右，在示波器中显示出来的具有很大的干扰谐波，测量值也会跳动非常厉害。万用表，测量的误差也非常大。所以用交流毫伏表是最好的选择。

4. 输入阻抗：

1) 放大器的输入电阻R i 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R S ，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： R i = R S 放大器从信号源获取较大电压

R i << R S 放大器从信号源吸取较大电流 R i >> R S 放大器从信号源获取最大功率

答：根据2

(

)S i i S

U P R R R =+，可知R i = R S 时，放大器可获得最大功率。

当R i << R S 时，由于总的阻抗比较小，故可获较大电流。 当R i >> R S 时，由分压原理，放大器可获得较大电压。 输入等效电路如下：

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R S 的取值不能太大也不能太小。

图3-1 放大器输入阻抗测量原理图

答：若R s 太小，则U s ≈U i ，会导致电流过大，若R s 太大，则U i 会很小。所以为了保证器件的直流工作点，保证器件正常工作，所以R s 不能太大也不能太小

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：答： 由于该电路为共发射极放大电路

输入阻抗12////be Ri R R r =

由于()

()

'261be bb EQ

mA r r I β=++基本不变，所以可以适当提高R 1与R 2的阻值。 或者计入电压串联负反馈，也可以增大输入电阻。

5. 输出阻抗：

1) 放大器输出电阻R O 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R L ，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。 R O = R L 负载从放大器获取较大电压 R O << R L 负载从放大器吸取较大电流 R O >> R L 负载从放大器获取最大功率

答：由2(

)o

L o L

U P R R R =+可知，当R O = R L 时，负载从放大器获取最大功率；

当R O << R L时，由分压原理，负载从放大器获取较大电压；

当R O >> R L时，由于总电阻较小，负载从放大器吸取较大电流。

输出等效电路：

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R L的取值不能太大也不能太小。

图3-2 放大器输出阻抗测量原理图

答：输出电流

'

0L

U

I

R R =

+

输出电压

'

L

L

U R U

R R

=

+

要保证输出电流与输出电压都不能太小，负载电阻不能太大也不能太小。

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：对于共发射极放大电路。其输出电阻是RC。所以要减小电路的输出阻抗，减小RC 即可。或者加入电压串联负反馈也可减小输出阻抗。

6.计算图3-3中各元件参数的理论值，其中

已知：V CC=12V，U i=5mV，R L=3KΩ，R S=1KΩ，T为9013

指标要求：A u>50，R i>1 KΩ，R O<3KΩ，f L<100Hz，f H>100kHz（建议I C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

2)

参数选择计算

输入电阻12////i be R R R r =，又26

200(1)

be E

r I β=++， 其中I E 取2mA ，所以r be 约为2k Ω，这样只要R B =R 1//R 2>1k Ω，那么就可以满足Ri>1k Ω 输出电阻R o

在此实验中，电容应当取得大一些，这样才能够使得下限频率低一些，均选用了

100μF 。

3) 仿真结果

增益A u =U o /U i ≈126符合要求 通过波特仪观察幅频曲线，

下限频率为

33.4Hz

上线频率为64.492Hz ，符合要求。

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：上限频率

()''112////H bb s B b e M

f r R R r C π=

+????g g

，其中C M 为密勒电容，若要增大

上限频率，可同比例增大R B ，即同比例增大R 1与R 2。

其中CM 为密勒电容。所以为了增大上限截止频率，可以同比例地增大R1与R2. 下限频率 ()

()1

21

103C r R f be S L ?+?≥π~，

()

()2

21

103C R R f L C L ?+?≥π~，

()

E

be

S E L C r R R f ?++?≥)//(~β

π121

31

所以为了减小下限频率，可以适当增大C 1、C 2、C E 。

8. 负反馈对放大器性能的影响

答：

1. 负反馈会减小电路的放大倍数。

2. 负反馈可以提高电路的稳定性。

3. 负反馈可以扩展通频带。

4. 负反馈可以减小非线性失真（反馈环内）。

5. 负反馈对于输入输出电阻也有一定影响。

6. 负反馈可抑制干扰与噪声。

9. 设计一个由基本放大器级联而成的多级放大器，

已知：V CC =12V ，U i =5mV ，R L =1K Ω，T 为9013

要求满足以下指标：| A u |>100，R i >1 K Ω，R O <100Ω 1) 仿真原理图

2) 参数选择计算

a) 输入电阻由共源放大级决定，R i =R 2+R 3//R 4>1M Ω；

b) 输出电阻由共集放大级决定，2811

14//////

1be o o r R R R R R β

+=+，其中R o2≈R 9，

计算可得，R o ≈80Ω

c) 第一级共源放大级的增益A u1=-g m (R 6//R i2) ，R i2为第二级放大电路的输入电阻，

R i2=R 7//R 10//r be ≈2.2k Ω，A u1≈-1.29；

第二级共射放大级的增益A u2=-β(R 9//R i3)/r be ，R i3为第三级放大电路的输入电阻，

R i3=R 8//R 11//[r be +(1+β)(R 14//R 16)]≈13.2kΩ，A u2≈-190；

第三级共集放大级的增益()()()()

1416314161//1//u be R R A r R R ββ+=

++≈0.98； 故整个放大器的增益A u =A u1A u2A u3=240；

3) 仿真结果

注：由于仿真实验中选用场效应管与三极管与实际做实验的三极管的型号不一致，故导致放大倍数有较大差距，但仍可反映本电路三级放大的主要特点。

CH1-输入

CH2-U o

CH3-U o1

CH4-U o2

三、实验内容

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R W，使静态集电极电流I CQ=2mA，测量静态时晶体管集电极—发射极之间电压U CEQ。

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U S 使Ui=5mV，

测量并记录U S、U O和U O’（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U O及Ui的波形时，必须确保在U O基本不失真时读数。

(3)根据测量结果计算放大器的A u、Ri、Ro。

静态工作点电流I CQ(mA)

1 2

测量值测量值理论值误差输入端接地

U BQ(V) 1.62 2.62 2.60 0.8%

U CQ(V) 8.85 5.93 6.00 1.2%

U EQ(V) 1.02 2.00 2.00 0

输入信号

U i=5mV

U S(mV) 5.15 5.15 5.14 0.2%

U O(V) 0.322 0.504 0.525 4%

U O’ (V)0.656 0.992 1.05 5.5% 计算值

U BEQ0.6 0.62 0.6 3.3%

U CEQ7.83 3.93 4.00 1.8%

A u64.4 100.8 105 4%

Ri/kΩ 1.6 1.6 1.8 11%

R O/kΩ 2.9 3.1 3 3.3% 实验结果分析：

由测量值与理论值的比较，发现大多数测量值与理论值误差在5%以内，基本吻合； 输入电阻的误差达到了11%

由输入电阻 s i

i S i

rU R U U =

-

通过分析可知误差主要来自于以下几点原因

1. 当U s 与U i 差量相当小时，只要r s 测量稍有误差，对于输入电阻的测量影响就会相

当大，而实验选用的r s 的误差为5%金环电阻，故对输入电阻的测量影响较大； 2. U s 与U i 均为小信号，交流毫伏表的分度值为0.1mV/div 测量本身就有误差； 3. 计算所得输入电阻为估算得到，亦有一定误差； 4. 三极管本身具有离散性，参数选择上有误差。 2) 观察不同静态工作点对输出波形的影响

(1) 改变R W 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R W 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

1饱和失真

截止失真

注：U i=20mV

（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：

当R1增大时，U BQ减小，I CQ≈I EQ=(U BQ-U BEQ)/R E减小，U EQ减小，U CQ=V cc-I CQ R C增大；静态工作点向下移，故易出现截止失真；

当R1减小时，U BQ增大，I CQ≈I EQ=(U BQ-U BEQ)/R E增大，U EQ增大，U CQ=V cc-I CQ R C减小；静态工

作点向上移，故易出现饱和失真；

波形与数据基本符合实验要求；

综上所述，要使三极管放大电路得到不失真增益波形需要调节适当的静态工作点，既不能过大也不能过小。

3）测量放大器的最大不失真输出电压

分别调节R W和U S，用示波器观察输出电压U O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I CQ和输出电压的峰峰值U OP-P。

带负载时测量I CQ= 2.91mA ，U OP-P = 2.56V

实验结果分析：当I CQ=2.91mA时，最大不失真输出电压U op-p=2.56V，继续增大输入电压，则会使输出波形同时出现截至失真和饱和失真；因此I CQ=2.91mA为适中的静态工作点，

在选择静态工作点时应选择ICQ=2.91mA，此时U BQ=3.5V，R1=68.3kΩ；

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f L、上限频率f H。（2）调整I CQ=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f L）、中频区（任取）和高频区（取f H）

各取一点测量U O值，记录下限频率f L、上限频率f H，计算带宽BW。

(II)输入Ui=5mV，f=f L，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=f H，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。

f/kHz f L=0.032 f=10f H=970

U O/V 0.16 0.23 0.19

Vi超前Vo

117.5 ————120

Φ= ?t/T ?3600

带宽BW =980kHz

实验结果分析：下限频率为32Hz，上限频率为980kHz，带宽为980kHZ，符合要求

f=f L时的输入输出波形图：

（探头增益为10x）

实验结果分析：下限频率为32Hz，满足要求；

2倍，故满足要求；

在频率较小时，耦合电容无法忽略，故会产生一定的相移，与理论符合；

f=f H时的输入输出波形图：

（探头增益为10x）

实验结果分析：上限频率为980kHz，满足要求；

2倍，故满足要求；

在频率较高时，三极管极间电容无法忽略，故会产生一定的相移，并使增益下降，与理论符合；

2．提高要求

1）设计一个分别由共源（CS）、共射（CE）和共集（CC）构成的三级放大电路，要求满足以下指标：（设共源、共射和共集的输出电压分别为U O1、U O2和U O）

A u>100，R i>1MΩ，R O<100Ω。

写出具体设计过程，计算电路参数以及A u、R i和R O 的理论值。设置合适的静态工作点，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U S 使Ui=5mV，用示波器双踪显示Ui、Uo的波形，在输出波形不失真的情况下，记录波形，测量U S、U O和U O’（负载开路时输出电压）并计入表3-4中。根据测量结果计算放大器的A u、Ri、Ro，与理论值比较。

表3-4 多级放大器技术指标测量

测量值理论值误差

（1）设计过程

设计过程：为了使输入电阻尽量大，输出电阻尽量小，故第一级为共源极放大电路，

第二级为共射极放大电路，第三级为共集电极放大电路；

参数计算：

a) 输入电阻由共源放大级决定，R i =R 2+R 3//R 4>1M Ω； b) 输出电阻由共集放大级决定，2811

14//////1be o o r R R R R R β

+=+，其中R o2≈R 9，

计算可得，R o ≈80Ω

c) 第一级共源放大级的增益A u1=-g m (R 6//R i2) ，R i2为第二级放大电路的输入电阻，

R i2=R 7//R 10//r be ≈2.2kΩ，A u1≈-1.29；

第二级共射放大级的增益A u2=-β(R 9//R i3)/r be ，R i3为第三级放大电路的输入电阻，

R i3=R 8//R 11//[r be +(1+β)(R 14//R 16)]≈13.2kΩ，A u2≈-190；

第三级共集放大级的增益()()()()

1416314161//1//u be R R A r R R ββ+=

++≈0.98；

故整个放大器的增益A u =A u1A u2A u3=240；

（2）双踪显示输入输出波形图：

（3）实验结果分析：

通过测量值与理论值的对比，测量值第一级放大倍数为1.24，第二级放大倍数为185，第三级放大倍数为0.96，均偏小；

第一级为共源极放大电路，误差来源主要来源于第二级r be的测量；在这里将β值均设作140，造成一定误差；另外就是电阻本身示值的误差，在这里均采用5%误差的电阻，亦会造成一定误差；

第二级的共发射极放大电路的误差来源于第二级与第三级r be理论值计算的的误差，另外输入电压的不稳定也是造成误差的原因之一；

第三级的共集电极放大电路的误差主要来源于r be的理论计算，以及β值的选取，必须先精确测量β值在进行设计；

总体而言误差还是在可以接受的范围内，在调解过程中曾经出现过失真，此时就需要综合调节三级放大电路，是静态工作点符合要求；

（4）总结多级放大器的设计方法

多级放大器的设计需考虑许多因素：

第一，静态工作点的设置是首先需要考虑的对象，前一级的输入电压必须在后以及放大电路的不失真输入电压范围内；

第二，相邻级的放大电路的输入或输出阻抗对于放大倍数也是有一定的影响，故在设计时应当综合考虑，选用合适阻值的电阻和电容；

第三，耦合方式的选择，本次实验选用电容耦合，主要是为了防止静态工作点的相互干扰，便于调节；但是电容的选择就变得非常重要，不能过大也不能过小以防信号的失真并保证一定的增益；

第四，频率特性，由于各个电路的幅频曲线不同，故要获得合适的增益必须保证各级输入电压都在通频段内，这就要求对于极间电容以及耦合电容的精密计算和选取；

2）采用电压串联负反馈电路，分析负反馈对输入电阻、输出电阻及放大倍数的影响。

设计电路：

数据记录：

测量值无反馈负反馈

输入信号U i=5mV U S(mV) 5.1 5 U O1(mV) 6.2 6.2 U O2(V) 1.15 0.243 U O(V) 1.11 0.236 U O’ (V) 1.13 0.253

计算值A u226 24

Ri/kΩ 1MΩ ∞

R O /kΩ

0.090

0.360

（注：在调节电路过程中，改变了第二级的R C ，因而加入负反馈后的输出波形与记录值不同）

输入输出双踪波形：

实验数据分析：

通过调节U s 使输入信号U i =5mV 不变，将输出信号通过330k Ω连接到场效应管的源极上，并去掉源极的100μF 的旁路电容，即构成电压串联负反馈电路。

引入电压串联负反馈后，理论上电路的放大倍数应当减小，输入阻抗应当变大，通频带变宽，输出阻抗应当减小。

但实验所得的输出阻抗反而增大，经过分析，发现有以下几个原因： 通过调节U s 使输入信号U i =5mV 不变，将输出信号通过330k Ω连接到场效应管的源极上，并去掉源极的100μF 的旁路电容，即构成电压串联负反馈电路。

引入电压串联负反馈后，理论上电路的放大倍数应当减小，输入阻抗应当变大，通频带变宽，输出阻抗应当减小。

但实验所得的输出阻抗反而增大，经过分析，发现原因如下：

输出电压值为示波器所测量，输出电压有一定跳动，在验收后又仔细观察了示波器的U o 与U o’，并使用交流毫伏表测量，得到的数据时U o =248mV ； U o’=250mV ，计算'1o o L o U R R U ??

=- ???

=40.3Ω，这与理论相符；