單管放大器仿真分析與實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆辗糯箅娐缝o態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)試方法及其對(duì)放大電路性能的影響。掌握低頻小信號(hào)放大器主要性能指標(biāo)的綜合測(cè)試方法。了解單級(jí)共射放大電路的特性。掌握Multisim仿真實(shí)驗(yàn)方法，逐步理解仿真實(shí)驗(yàn)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)的差別。二、實(shí)驗(yàn)電路圖電路組成原理共射單級(jí)放大電路是單級(jí)放大器的三種組態(tài)之一，而共射單級(jí)放大電路的組成形式也有多種。圖5-1-1是電阻分壓式偏置、穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的單級(jí)共射低頻放大器。放大是最基本的模擬信號(hào)處理能力，包含兩個(gè)方面：一是能將微弱的低頻小信號(hào)增強(qiáng)到所需要的數(shù)值，即放大電信號(hào)以方便測(cè)量和使用；二是要求放大后的信號(hào)波形與放大前波形的形狀相同，即信號(hào)不能失真，否則要丟失傳送的信息，失去了放大的作用。基于以上分析可以知道，電阻組成的基本原則也包括兩個(gè)方面，首先要給電路中的晶體管加上合適的直流偏置電路，即發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏，使其工作在放大狀態(tài)，同時(shí)施加合適范圍的電源和電流，即合適的靜態(tài)工作點(diǎn)。其次要保證信號(hào)發(fā)生器、放大電路和負(fù)載之間的信號(hào)能夠正常傳遞，即有動(dòng)態(tài)輸入ui時(shí)，應(yīng)該有輸出響應(yīng)uo。基極偏置電阻RB1、RB2以及集電極電阻RC取值得當(dāng)，與電源VCC配合，為晶體管設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使之工作于放大區(qū)。它的主要特點(diǎn)是電路的結(jié)構(gòu)能自行穩(wěn)定由溫度的變化帶來(lái)的靜態(tài)工作點(diǎn)的變化。對(duì)耦合電路的要求第一、信號(hào)發(fā)生器和負(fù)載接入放大電路時(shí)，不能影響晶體管的直流偏置。第二，在交流信號(hào)的頻率范圍內(nèi)，耦合電路應(yīng)能使信號(hào)正常地傳輸。在分立元件阻容耦合電子電路中，起傳遞作用的電容器稱為耦合電容，如Cb和Cc。只要電容器的容量足夠大，即在信號(hào)頻率范圍內(nèi)的容抗XC（1/c）足夠小，就可以保證信號(hào)幾乎毫無(wú)損失地傳輸。同時(shí)，電容器對(duì)直流量的容抗無(wú)窮大，使輸入端信號(hào)發(fā)生器的接入以及輸出端負(fù)載的連接都不會(huì)影響放大電路的直流偏置。三：參數(shù)計(jì)算（1）靜態(tài)工作點(diǎn)的計(jì)算由以上公式可見(jiàn)，靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)整有多種方式，但為方便起見(jiàn)，實(shí)際多以調(diào)整電位器Rp為主（滑動(dòng)變阻器）。（2）電壓放大倍數(shù)其中有：，常取≈100～300Ω。①輸入電阻②輸出電阻注：放大電路的兩種工作狀態(tài)：放大電路的重要特點(diǎn)：交流信號(hào)疊加在直流工作點(diǎn)上，交流量與直流量共存。因此，分析時(shí)，將直流和交流分開(kāi)進(jìn)行處理。靜態(tài)工作點(diǎn)：當(dāng)放大電路輸入信號(hào)為零時(shí)，晶體管的基極電流IBQ、集電極電流ICQ、b-e間電壓UBEQ和管壓降UCEQ稱為放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)是由晶體管的參數(shù)和放大電路的偏置電路共同決定的，參數(shù)的選取影響到放大電路的增益、失真和其他各個(gè)方面。調(diào)整的方法是在不加輸入信號(hào)（不加交流信號(hào)）的情況下，測(cè)量放大電路的靜態(tài)（直流）工作點(diǎn)，并進(jìn)行必要的調(diào)整（調(diào)整電位器），并使之工作于合適的工作點(diǎn)上。如果靜態(tài)工作點(diǎn)選取得過(guò)高或過(guò)低，都會(huì)使輸出波形產(chǎn)生失真。分為兩種：①截止失真。在單級(jí)共射放大電路中，如果放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)偏低，會(huì)使逐步加大的輸入信號(hào)電壓負(fù)半周進(jìn)入了晶體管的截止區(qū)，使輸出電壓波形的“頂部被切掉”，這種現(xiàn)象稱為截止失真。如圖3-3-1中Q2點(diǎn)所示。出現(xiàn)這種情況時(shí)，應(yīng)通過(guò)加大基極偏流IBQ，使晶體管脫離截止區(qū)以消除截止失真。②飽和失真。如果放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)偏高，會(huì)使逐步加大的輸入信號(hào)電壓正半周進(jìn)入了晶體管的飽和區(qū)，使輸出電壓uo波形的“底部被切掉”，這種現(xiàn)象稱為飽和失真。如圖3-3-1中Q3點(diǎn)所示。出現(xiàn)這種情況時(shí)，應(yīng)通過(guò)減小基極偏流IBQ，使晶體管脫離飽和區(qū)以消除飽和失真。圖3-3-1③最大不失真動(dòng)態(tài)范圍當(dāng)逐漸加大輸入信號(hào)ui的幅度時(shí)，若使輸出電壓波形uo的頂部和底部幾乎同時(shí)被切掉一部分，那么除了說(shuō)明電路此時(shí)既有截止失真又有飽和失真，還說(shuō)明靜態(tài)工作點(diǎn)比較合適，如圖5-1-2中Q1點(diǎn)所示，意味著電路可獲得最大不失真動(dòng)態(tài)范圍峰峰值Uop-p。此時(shí)的失真只是由于輸入信號(hào)幅度太大而引起的，只要適當(dāng)減小輸入信號(hào)的幅度即可消除。如果電路僅僅出現(xiàn)飽和或截止失真，就要調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)Q，使之獲得最大不失真動(dòng)態(tài)范圍。放大電路的目的是放大交流信號(hào)，靜態(tài)工作點(diǎn)是電路能正常工作的基礎(chǔ)，放大電路工作必須在直流電源作用下施加交流信號(hào)，晶體管的uo、uCE、iB和iC都是直流和交流分量疊加后的瞬時(shí)值。晶體管放大電路的主要性能指標(biāo)有電壓放大倍數(shù)Au、最大輸出動(dòng)態(tài)范圍Uomax、輸入電阻Ri，輸出電阻Ro及通頻帶fBW等。以下分別介紹各個(gè)數(shù)值的原理及計(jì)算方法：電壓放大倍數(shù)Au。電壓放大倍數(shù)Au是輸出電壓與輸入電壓之比，是衡量電路電壓放大能力的主要性能指標(biāo)。在實(shí)測(cè)電壓放大倍數(shù)時(shí)，應(yīng)該用示波器觀察輸出端的電壓波形，也可以用雙蹤示波器同時(shí)測(cè)量放大電路的輸入端和輸出端的電壓峰峰值（注意：只有在不失真的情況下，測(cè)試數(shù)據(jù)才有意義）另外，放大倍數(shù)還和空載、有載有關(guān)。放大電路總要接負(fù)載，而有時(shí)負(fù)載的角色實(shí)際就是下一級(jí)的輸入電阻。有時(shí)，由于示波器的靈敏度因素，對(duì)很小的微信號(hào)不好觀察，還要在輸入端加一級(jí)電阻衰減器，將信號(hào)源幅值預(yù)先進(jìn)行衰減，用示波器觀測(cè)信號(hào)源輸出信號(hào)，放大電路的實(shí)際輸入信號(hào)在衰減器后②測(cè)量最大輸出動(dòng)態(tài)范圍Uomax。前面從理論上了解了最大不失真動(dòng)態(tài)范圍的概念，測(cè)量方法是給放大電路輸入1kHz的正弦信號(hào)，慢慢增大輸入信號(hào)ui幅度，使輸出uo出現(xiàn)明顯的失真，再根據(jù)失真波形的削頂或削底情況調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)，直到輸入信號(hào)幅度增大到使輸出uo同時(shí)出現(xiàn)截止和飽和失真（即削頂又削底）為止，之后再慢慢減小輸入信號(hào)ui，使輸出uo波形剛好不失真為止，此時(shí)觀測(cè)示波器輸出電壓Uop-p，通常表示不失真輸出的半峰Uomax為最大輸出動(dòng)態(tài)范圍。③輸入電阻Ri。輸入電阻Ri的定義：Ri＝Ui/Ii。Ri是指從放大電路輸入端看進(jìn)去的等效電阻。其大小表明放大電路對(duì)信號(hào)源的影響程度。放大電路的Ri可看成信號(hào)源的負(fù)載，必然從信號(hào)源索取電流，Ri越大，表明放大電路從信號(hào)源索取的電流越小，對(duì)信號(hào)源講即輕載，放大電路所得到的輸入電壓ui越接近信號(hào)源電壓uS，換句話說(shuō)放大電路能從信號(hào)源獲取較大電壓；反之，若，放大電路從信號(hào)源吸收較大電流，放大電路從信號(hào)源得到的輸入電壓ui越小；若，則放大電路從信號(hào)源獲取最大功率。實(shí)際測(cè)量Ri有多種方法：第一種：替代法。替代法的測(cè)試方法如圖5-1-4所示。先將開(kāi)關(guān)S撥到c檔，測(cè)出輸入ui的值。再將開(kāi)關(guān)S撥到b檔，調(diào)整電阻R，使其上壓降ui同樣達(dá)到c檔時(shí)的值，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電阻R即是Ri。第二種：換算法。輸入電阻為低值的測(cè)試方法：當(dāng)理論估算出輸入電阻不是很大時(shí)，輸入電阻還可用輸入換算法測(cè)量，測(cè)試方法如圖3-3-5所示。在被測(cè)放大電路前串一個(gè)電阻RX，輸入正弦信號(hào)，用示波器分別測(cè)量出電壓uS和ui，則由電阻分壓比可得：。圖3-3-5注意，在實(shí)際測(cè)量中輸入端接的電阻RX不宜過(guò)大，否則容易引入干擾。但也不宜過(guò)小，過(guò)小會(huì)使測(cè)量誤差增大，最好取RX與Ri在同一個(gè)數(shù)量級(jí)。為了減小測(cè)量誤差，一般取RX為可變電阻，調(diào)整RX接近Ri值，若使ui=us，這時(shí)Ri=Rx。輸入電阻為高值的測(cè)試方法：當(dāng)理論估算輸入電阻很大(如集成電路)時(shí)，測(cè)試方法如圖5-1-6所示。先將開(kāi)關(guān)S１閉合、S２打開(kāi)，測(cè)量出輸出uo1的值，再將開(kāi)關(guān)S１、S２都打開(kāi)，測(cè)量出輸出uo2的值，利用放大器的開(kāi)路電壓uo＝Auui的關(guān)系，而放大倍數(shù)是不變的，則有： ④輸出電阻Ro放大電路作為線性含源二端網(wǎng)絡(luò)，從放大電路輸出端看進(jìn)去可以等效為戴維南電路，即等效成一個(gè)輸出電阻Ro與開(kāi)路電壓源uoc的串聯(lián)組合。輸出電阻Ro的大小反映了放大器帶負(fù)載的能力，Ro越小，帶負(fù)載能力越強(qiáng)。理論上講，求輸出電阻要對(duì)有源二端網(wǎng)絡(luò)用置零網(wǎng)絡(luò)信號(hào)源、外加電壓源比端電流得到輸出電阻的計(jì)算方法，但實(shí)際上，Ro的測(cè)試方法常如圖5-1-7所示。輸入端加一個(gè)正弦信號(hào)，用示波器分別測(cè)量空載時(shí)的輸出電壓和接負(fù)載電阻RL時(shí)的輸出電壓,則有（在測(cè)量時(shí)要注意，保證在RL接入和斷開(kāi)時(shí)輸出波形均不失真，且RL和Ro處于同一數(shù)量級(jí)。）⑤通頻帶fBW。上述指標(biāo)為時(shí)域范圍研究的問(wèn)題，通頻帶是頻域范圍研究的問(wèn)題。放大器的放大倍數(shù)實(shí)際上是頻率的函數(shù)。，Aum為中頻區(qū)放大倍數(shù)。通頻帶用于衡量放大電路對(duì)不同頻率信號(hào)的放大能力。通頻帶fBW的定義：。通頻帶（幅頻特性）通常有如下測(cè)試方法。（1）逐點(diǎn)記錄法在保持輸入信號(hào)幅度不變的情況下，改變輸入信號(hào)的頻率f，用示波器逐點(diǎn)觀測(cè)記錄輸出電壓uo。由計(jì)算對(duì)應(yīng)于不同頻率下放大器的電壓增益，以升序頻率在坐標(biāo)紙上記錄所測(cè)數(shù)據(jù)（頻率采樣越密曲線越平滑），對(duì)應(yīng)找出fL和fH，即可計(jì)算出通頻帶fBW。注意：記錄前要先調(diào)整輸入信號(hào)幅度，用示波器觀測(cè)到輸出信號(hào)為不失真輸出波形。實(shí)際上，輸入ui幅度不變，描點(diǎn)記錄不同頻率下的uo也即幅頻特性曲線。（2）掃頻法利用掃頻儀直接在屏幕上顯示出幅頻曲線，由幅頻曲線Au(f)可測(cè)出通頻帶fBW。四：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)相關(guān)原理，有以下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容建立仿真實(shí)驗(yàn)文件在硬盤上建立本次實(shí)驗(yàn)的文件夾（一般路徑名不要包含中文、特殊字符、盡量不要過(guò)長(zhǎng)），在文件夾內(nèi)建立仿真實(shí)驗(yàn)用的電路圖文件。建立電路圖時(shí)，晶體管選擇2N2222型號(hào)，電阻選擇理想電阻，電容也選擇理想電容。測(cè)量工作點(diǎn)測(cè)量并調(diào)試放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)，研究電路參數(shù)Rp，Rc，Vcc變化過(guò)程中，對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響。仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)量可以通過(guò)萬(wàn)用表儀器測(cè)量電壓換算獲得，也可以加入結(jié)點(diǎn)，并顯示節(jié)點(diǎn)參數(shù)獲得。Rp對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響調(diào)節(jié)Rp和輸入信號(hào)，使放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)為最佳狀態(tài)（即輸入信號(hào)幅值增大時(shí)，輸出波形同時(shí)出現(xiàn)飽和與截止失真）。使信號(hào)幅度為0，用萬(wàn)用表測(cè)量UBQ,UCQ、UEQ,計(jì)算出集電極電流ICQ。②重新設(shè)置輸入信號(hào)不變，將Rp增大，觀察并記錄波形的逐漸失真。撤去信號(hào)，用測(cè)量UBQ、UCQ、UEQ,計(jì)算出集電極電流ICQ,并根據(jù)波形和數(shù)據(jù)判斷出失真的類型。③將信號(hào)再次恢復(fù)，且保持輸入信號(hào)不變。將Rp減小，觀察并記錄波形的逐漸失真。撤去信號(hào)，測(cè)量UBQ、UCQ、UEQ,計(jì)算出集電極電流ICQ，并根據(jù)波形和數(shù)據(jù)判斷出失真的類型。集電極電阻RC對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響將輸入信號(hào)接入放大電路，改變集電極電阻上RC，觀察輸出波形，并記錄下來(lái)波形失真的情況和集電極電阻的值以及對(duì)應(yīng)的靜態(tài)工作點(diǎn)，測(cè)量方法同上。電源電壓Vcc對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)的影響將輸入信號(hào)接入放大電路，再將Vcc由12V變?yōu)?V，觀察并記錄輸出波形失真的情況，并記錄靜態(tài)工作點(diǎn)，并將兩種不同電源電壓幅值時(shí)的情況進(jìn)行比較。測(cè)量放大器的性能指標(biāo)將信號(hào)源調(diào)至10mV@1kHz的正弦信號(hào)，用示波器觀察輸出電壓波形，在波形沒(méi)有出現(xiàn)失真的情況下，改變負(fù)載，分別當(dāng)負(fù)載是1kΩ，15kΩ和輸出開(kāi)路的情況下，測(cè)量放大電路的輸入和輸出電壓，計(jì)算放大電路的增益。②最大輸出動(dòng)態(tài)范圍在測(cè)量放大倍數(shù)的基礎(chǔ)上，使得輸入信號(hào)幅值逐漸增大，觀察輸出波形，當(dāng)輸入輸出波形同時(shí)失真時(shí)的輸出值Uo,即為Uo,max。③放大器輸入電阻的測(cè)量。用輸入換算法測(cè)量輸入電阻。輸入信號(hào)不變，在放大器輸入回路串入與輸入電阻為同一數(shù)量級(jí)的電阻R，用示波器分別測(cè)量R兩端對(duì)地的電壓uo和ui，則輸入電阻為：④放大器輸出電阻的測(cè)量用輸出換算法測(cè)量輸出電阻。當(dāng)負(fù)載電阻為15kΩ時(shí)，輸入端加入正弦信號(hào)，用示波器分別