单级放大电路设计 模电实验(DOC)

东南大学电工电子实验中心

实验报告

课程名称：电子电路基础

第三次实验

实验名称：单级电压放大电路设计

院（系）：吴健雄专业：电类

姓名：学号：

实验室: 实验组别：

同组人员：实验时间：2011年 5 月5 日评定成绩：审阅教师：

实验三单级电压放大电路设计

一、基本信息

实验时数：6学时

时间要求：第10～11周完成，第11周内交实验报告

教材：《电子线路实践》Page 1～6

实验检查：带班教师检查

二、学习目标：

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。

三、设计提示：

图3-1 射级偏置电路

1、对于图3-1中的偏置电路，只有R2支路中的电流I1>>I BQ时，才能保证U BQ恒定实现自

动稳定工作点的作用，所以工程中一般取：

1(5~10)

BQ

I I

=（硅管）

1(10~20)

BQ

I I

=（锗管）。

2、 为了提高电路的稳定性，一般要求U BQ >>U BE ，工程中一般取U BQ =(5~10)U BE ，即U BQ =(3～

5)V （硅管），U BQ =(1～3)V （锗管）。 3、 电路的静态工作点电流 E

BE

BQ CQ R U U I -≈

，由于是小信号放大，所以I CQ 一般取

0.5~2mA 。

4、 I CQ 确定后通过以下公式可计算R 1和R 2的值：

()()CQ

BQ

BQ BQ

BQ I U I U I U R 1051051

2~~?=

=

=

β， ()BQ

BQ CC

BQ

CC U R U V

I U V R 21

1-=

-=

。

5、 交流电压放大倍数()()

CQ

L

e

b L be

L

I mV R r r R r R Au 2613001βββββ++?-

=++?-=?-

='

''

。 6、 交流输入阻抗1226////(1)300(1)i be be b e CQ

mV

R r R R r r r I ββ=≈=++=++。 7、 交流输出阻抗//O o C C R r R R =≈。

8、 电路频率特性的下限频率值主要受C 1，C 2和C E 影响，其关系分别为：

()()121103C 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。

9、 幅频特性曲线、上限频率、下限频率、截止频率中心频率、带宽的测量方法：

A

A (a)单级放大器放大特性

(b)低通特性

(c)高通特性

(d)带

通特性

图3-2 幅频特性示意图

幅频特性反应了电路增益和频率之间的关系，图3-2列出了常见的幅频特性类型。 (a)和(d)中的f L 表示下限频率，f H 表示上限频率，带宽BW=f H -f L ，(d)中的f 0表示中心频率；(b)和(c)中的 f 0表示截止频率。在实验中可采用“逐点法”测量不同频率时的电压放大倍数A u 来测量幅频特性。测量时，保持输入信号幅度不变，改变输入信号频率，每改变一次信号频率，用交流毫伏表或示波器测量一个输出电压值，计算其增益，然后将测试数据列表、整理并在坐标纸上将其连接成曲线。由于函数发生器的输出信号幅度在不同频率时可能会有变化，因此每改变一次频率都要用交流毫伏表或示波器测量输入信号的幅度，一定要保证输入

信号的幅度不改变。

为了更快更准确的测量幅频特性，必须根据不同幅频特性类型，选择不同的测量技巧。对于(a)可先测出中频区的输出电压值，然后调高或调低频率使输出电压降到中频电压值的0.707倍，从而找到f L和f H，然后在f L和f H之间和左右找3至5个点进行测量，即可较准确的绘制曲线。(b)和(c)也可参考这种方式来测量。对于(d)可从较低的频率值逐步增加频率，用交流毫伏表或示波器测量输出信号，刚开始输出信号幅度随着频率的增加而增加，当增加到某一个频率时，输出信号幅度随着频率的增加开始减小，则该频率为中心频率，记下该频率对应的幅度，然后调高或调低频率使输出电压降到中心频率电压的0.707倍，从而找到f L 和f H。

四、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3-1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：

共发射集偏置电路。

利用 R R 1,2构成的分压器给三极管基极 b 提供电位U B ,基极电位U B 可近似求得为

2

21

*B CC R U V R R =

+。

当环境温度升高时，I CQ 增加，电阻 R E 上的压降增大，由于基极电位U B 固定，加到发射结上的电压减小，I BQ 减小，从而使 I CQ 减小，通过这样的自动调节过程使 I CQ 恒定，即实现了稳定直流工作点的作用。

如果 R 1、R 2取得过大，则 I 1减小，不能满足 R 1、R 2支路中的电流I BQ 的条件，使得V BQ 在温度变化时无法保持不变，无法起到稳定直流工作点的作用。

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：0(//)(//)

26(1)

C L C L U i be

b CQ

U R R R R A mv U r r I βββ=

=-=-++

提高增益的方法有：

1）增大集电极电阻R C 和负载R L 。缺点：R C 太大，受V CC 的限制，会使电路不能正常工作。

2）Q 点适当选高，即增大I CQ 。缺点：电路耗电大、噪声大。

3）选用多级放大电路级联形式来获取足够大的电压增益。缺点：电路较复杂，输出信号易产生自激，需采取措施消除。

(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：在频率低于 100KHZ 时万用表的交流档和交流毫伏表都可以比较精确地测量交流电压，当频率大于 100KHZ 小于 1MHZ 时，万用表的测量精度下降，只能采用交流毫伏表测量，对于更高频率的信号，必须选择高频毫伏表测量。而示波器测量的电压精度一般比毫伏表低一个数量级,无法在需要精确测量电压值时的时候使用。

4、 输入阻抗：

(I) 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3-1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：等效电路图如下所示：

2

2

22()2s i i i i i s

U Us P I R R Rs R R Rs Ri Ri

===+++

对i P 关于i R 求导，当i R =s R 时，i P =0，所以 放大器从信号源获取最大功率。

Us

Ii Ri Rs =

+，当Ri Rs <<时，放大器从信号获取较大电流。

UsRi Ui Ri Rs =+，当Ri Rs >>时，放大器从信号源获取较大电压。

(II) 图3-3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3-3 放大器输入阻抗测量原理图

答：若 Rs 取得过大，不满足当Ri Rs >>条件，Ui 较小，则放大器从信号源获取较小

电压。电压表测量小信号的时候由于噪声干扰等原因测量精度下降，测量误差增加。若

Rs 取得过小，又不满足Ri Rs <<条件，则放大器从信号源获得较小电流，Ui 的值将会变

得很大，会引起较大的误差。

(III) 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3-1中放大电路的输入阻抗。 答：

交流输入阻抗：1226////300(1)be CQ

mv

Ri r R R I β

=≈++； 适当增大 R1，R2 的电阻值，保证满足R1，R2支路中1BQ I I >>的条件，或者使用电流放

大系数（ β ）大的三极管，也可以在输出信号不失真的情况下降低静态工作点。

5、 输出阻抗：

(I) 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3-1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：分析如下：

22

0000222000()2L L

L L L

L L

R I R I P I R R R R R R R R ===+++

当0L R R =时，负载从放大器获得最大功率。

000

00

1

L L L R I I I R R R R =

=

++，当0L R R >>，负载从放大器获得较大电流。 0000

001L L L

L R I R R I U R R R R ==++，当0L R R <<，负载从放大器获得较大电压。 (II) 图3-4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3-4 放大器输出阻抗测量原理图

答：若 RL 取值过大，电流源的电流只有一小部分流经 RL ，输出电流过小。但若 RL 过小，则通过 RL 的电流即通过集电极端的电流过大，将会损坏三极管。

(III) 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3-1中放大电路的输出阻抗。

答：交流输出阻抗：0//ce C C R r R R =≈，由于ce r 太大，减小对放大电路的输出阻抗的减小没有多少影响，因此主要是减小C R 的阻值。

6、 计算图3-1中各元件参数的理论值，其中

已知：V CC =12V ，U i =5mV ，R L =3K Ω，R S =50Ω， T 为9013

指标要求：A u >50，R i >1 K Ω，R O <3K Ω，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。 答：本实验所用的三极管 9013 是硅管， β =145

1) 对于上图中的偏置电路，只有2R 支路中的电流1BQ I I >>时，才能保证BQ V 恒定实现

自动稳定工作点的作用，因此为了满足功能工作点的需求，取1I = 25BQ I ，BQ V =3v

2) BQ BE

CQ E

V V I R -=

，取C I =2MA 3) 211453

8.725252

BQ BQ BQ V V R K I I β?====Ω?,取2R = 10K Ω；

12

(123)10

303

CC BQ BQ V V R K V R --?≈

==Ω

4) 3

0(//)(//)145(3//3)1098.9502626(1)300(1145)

2C L C L U i be

b CQ U R R R R A mv mv U r r I βββ??=

=-=-=-=->++++

2626

300(1)300(1145) 2.212

be CQ mv Ri r K K I β≈=++=++=> 00//,3C C C R r R R R K =≈=

符合指标要求。

30.7

1.152

BQ BQ BEQ CQ CQ V V V RE K I I --=

=== 其他参数：

112100,10,,47,100W E R K R K C C u C u ====

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3-1中放大电路的上限频率，那些方法可以降低其下限频率。

答：下限频率主要受C1,C2和CE 的影响：

L 1

121

2[(////]be S f R R r R C π=

+），为降低下限频率，可以增大耦合电容C1，减小电源内阻

等。

'12H f RC π

π=

，其中'''

b e

C C C πμ=+，b'e bb'12s //[(////)]R r r R R R =+，为增加上限截止频率，可以选取bb'r 、'b c C 小的三极管。

8、 负反馈对放大器性能的影响

答：

1 使放大倍数降低，从而可以增大带宽；

2提高放大的稳定性；

3减少输出失真和噪声；

4 调节输入和输出阻抗，其中并联负反馈降低输入阻抗，串联负反馈提高输入阻抗，电压负反馈降低输出阻抗，电流负反馈提高输出阻抗。。

五、基本实验内容

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3-1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’表3-1中。注意：用双综示波器监视U O及Ui的波形时，必须确保在U O基本不失真时读数。

(3)重新调整R W，使I CQ分别为1.5mA和2.5mA，重复上述测量，将测量结果记入表3-1中。

(4)根据测量结果计算放大器的A u、Ri、Ro。

表3－1 静态工作点变化对放大器性能的影响

实验结果分析：从表中数据误差可看出，有几项的数据误差是比较大的，达到了20%+。一方面是测量误差所致，另一方面，则是设计的静态工作点ICQ=1.5mA 不合适所致，1.5mA 是直流负载线的中点，而非交流负载线的中点，因此测量误差较大。

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。

图1 截止失真输入输出波形：

输入波形

输出波形

图2 完全截止失真输入输出波形（实验提示：此时可以加大输入信号幅度）：

输入波形

输出波形

图3 饱和失真输入输出波形：

输入波形

输出波形

实验结果分析：做完全截止时R1要断开，由于Vcc对基极不再有驱动电流。由于发射结正向导通时，有个阈值电压，输入电压要大于它，因此输入电压要加的比较大，三极管才能正常工作。做完全饱和时，R2要断开，并且要加大R1的值，否则基极就会产生过饱和电流，这样即使输入电流在其上叠加（反向减小）之后，仍不能将其从过饱和区中拉出。

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= 2.11mA ，U OP-P = 3.35v

实验结果分析：此次的输入电压为50mA，那么放大倍数为3.36/0.05=67.2，而理论计算的放大倍数约为100，误差接近30%，说明在波形失真的临界点，波形还没有变形，但放大倍数已经有了很明显的下降。

3、测量放大器幅频特性曲线

调整I CQ=x(设计值)，保持Ui=5mV不变，改变信号频率，用逐点法测量不同频率下的U O 值，计入表3-3中，并画出幅频特性曲线，记录下限频率f L、上限频率f H，计算带宽BW。

这里我设计的ICQ=1.5mA，测量的数据如下表：

表3-3 放大电路的幅频特性

Au

LOG(f)

图4 幅频特性图

下限频率f L =400HZ 上限频率f H =190KZ 带宽BW =189.4KHZ 实验结果分析：下线截止频率超过100HZ，并且与计算值得误差较大，个人觉得这是所给公式只取大于等于造成的，因为计算式只是最小值，而不是真实值。

六、提高实验内容

1、相位测量

a）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；

答：Vi超前Vo φ = ?t/T ?3600 = 2.77 / 5.05*360 =197.5

f=f L时的输入输出波形图：

实验结果分析：从波形和计算结果都可以发现输出波形落后输入波形大概180。这也说明共射极放大电路是反相放大。

b ） 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。

答：Vi 超前Vo φ = ?t/T ?3600 = 165 / 250 * 360=230.4.

f=f H 时的输入输出波形图：

输入波形

输出波形

实验结果分析：

180，不在是纯粹的反相电路。原因可能是再高频时三极管内部的电容相应显现出来，对相位产生了较大影响。

2、 负反馈对放大器性能的影响

在实验电路图3-1中增加反馈电阻R F =10Ω，构成电流串联负反馈放大器, 如图3-5所示。调整I CQ =x(设计值)，测量该电路的增益、输入阻抗、输出阻抗、下限频率f L 、上限频率f H 、带宽BW ，并和前面实验测量的结果进行分析比较。

图3-5 电流串联负反馈放大电路

电路的增益Vo= 64.4 输入阻抗Ri= 4.2K 输出阻抗Ro= 3.1k

输入波形

输出波形

下限频率f L =100HZ 上限频率f H =750KHZ 带宽BW =749.9KHZ 实验结果分析：

发现引入负反馈后电路增益变小，输入阻抗变大，输出阻抗不变，下线截止频率下降，上限截止频率提高。这种变化符合原先的推理。根据增益带宽积的概念，增益减小时，带宽变宽，但其乘积不变。本实验中的侧力阿兵哥数据在一定范围内可认为满足。总结来说，引入负反馈是牺牲增益以达到扩大带宽并且使电路更稳定和合理的目的。

七、发挥实验内容

自己设计。

注意事项：

1、各仪器的地线应与电路的地相连接。

2、稳压电源的输出电压应预先调到所需的电压值再接入实验电路中。

3、若电路存在自激，可改变元件的接线位置或走向，并注意电解电容的极性。

4、在测幅频特性时，随着频率升高，信号发生器的输出幅度可能会下降，从而出现输入信

号Ui与输出信号Uo同时下降的现象。所以在实验中要经常测量输入电压值，使其维持5mV不变。