东南大学信息学院模电实验三.docx
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东南大学信息学院模电实验三
实验内容:
一、晶体三极管放大器仿真实验
1、根据图3-1所示电路,在Multisim中搭建晶体三极管2N3904单级放大电路。
加入峰峰值=50mV,频率=10kHz的正弦波。
仿真设置:
Simulate--Run。
结果查看:
采用Agilent示波器XSC1,查看输入、输出两路波形。
双击该器件,出现示波器界面。
调整2个通道的显示方式,将它们的波形显示出来,并采用测量工具,测试输入、输出波形的峰峰值,计算得到电压增益
,填入表格3-1。
解:
输入波形峰峰值:
50mV输出波形峰峰值:
886.33mV
因此可得:
表3-1:
晶体三极管放大器增益
计算值
仿真值
实测值
放大器增益
-18.09
-17.73
-17.22
2、变输入信号幅度峰峰值,取Vinpp=100mV,Vinpp=200mV,Vinpp=300mV,重新进行瞬态仿真和频谱分析,截取各输入条件下的输入输出波形图和频谱分析图,填入表3-2。
表3-2:
不同输入情况下的输入输出波形图
瞬态波形图
频谱分析
Vinpp=50mV
瞬态波形图
频谱分析
Vinpp=100mV
瞬态波形图
频谱分析
Vinpp=200mV
瞬态波形图
频谱分析
Vinpp=300mV
思考题:
请说明不同输入情况下的输出波形有何差异,并尝试解释其原因。
答:
1、差异:
①在输入正弦波频率不变的情况下,输出波形峰峰值随输入波形峰峰值的增大而增大,但是增幅逐渐减小。
②峰峰值50mV--300mV逐渐增大,放大器的电压增益
呈现先增大后减小的趋势,甚至当输入波形的峰峰值增大到一定程度时,输出波形出现失真。
2、原因:
放大器的电压传输特性是非线性的,只在小信号变化的范围内近似为线性,当输入信号幅度逐渐增大时,电压达到非线性区域,就会出现信号的失真。
3、取输入信号为Vinpp=100mV,在信号源上串联一个电阻表征信号源内阻,如图3-2所示。
取该电阻为50Ω、1kΩ和10kΩ重新进行仿真,截取不同电阻情况下的输入输出波形图,并估算源电压增益
,填入表3-3。
图3-2.信号源内阻
表3-3:
不同信号源内阻的输入输出波形图
电压增益
-17.59
电压增益
-17.64
电压增益
-17.73
源电压增益
-17.50
源电压增益
-15.94
源电压增益
-8.59
R=50Ω
R=1kΩ
R=10kΩ
思考题:
请说明不同源电阻情况下的电压增益的差异,并据此估算出晶体管放大器的内阻。
答:
①当源电阻增大时,电压增益增大,但是电压源增益减小。
②由【实验预习】中的仿真值可知,
17.73,因此,可估算出晶体管放大器的内阻为10kΩ。
4、改变旁路电容CE1,将其接在节点2和地之间,重新仿真图3-1,观察到什么现象?
为什么?
改变输入信号幅度,重新获得不失真波形,并测得此时的电压增益,与原电压增益比较,得到何种结果?
请解释原因,并将两种增益值填入表3-4。
(1)将旁路电容接在节点2和地之间,现象(即输入输出波形)如图3-3所示。
图3-3.改变旁路电容,将其接在节点2和地之间,输入输出波形图
(2)改变输入信号峰峰值为40mV,重新获得不失真波形,如图3-4所示。
图3-4.改变输入信号幅度,重新获得不失真波形
表3-4:
CE1不同接法时的放大器增益
CE1接于3-0
CE1接于2-0
电压增益
-17.73
-72.75
分析:
①改变旁路电容的节点后,输出波形出现失真现象。
通过调节输入信号幅度,获得不失真波形,由表中数据可以看出,此时增益为72.75,与原电压增益相比,电压增益急剧增大。
②出现这种现象的原因:
放大器的电压传输特性是非线性的,只有当输入信号幅度以及增益不大时才为线性输出。
而当旁路电容CE1接在节点2和地之间,RE2被短路,增益明显变大,输出为非线性。
因此,输出波形出现明显失真。
二、晶体三极管放大器硬件实验
本实验采用POCKETLAB实验平台提供的直流+5V电源、信号发生器、直流电压表和示波器。
1、电路连接
首先根据图3-1在面包板上搭试电路,并将POCKETLAB的直流输出端+5V和GND与电路的电源、地节点连接;POCKETLAB的一路输出端作为电路的输入信号;POCKETLAB的一路输入端接电路输入信号端;另一路输入端接电路输出信号端,分别测试输入输出两路信号。
2、直流测试
在进行波形测试之前,请采用实验二的直流测试办法,使用POCKETLAB的直流电压表测试各点直流电压,以确保电路搭试正确。
3、输入信号
在电脑中打开POCKETLAB的信号发生器界面,选择输入信号波形为正弦波,频率为5kHz,信号幅度为50mV,DCOffset=0V,两通道独立设置。
点击按钮Set,正弦波信号将输出到电路输入端。
4、交流波形测试
在电脑中打开POCKETLAB的示波器界面,选择合适的时间和电压刻度,显示三极管单端放大器的输入,输出波形。
并在窗口中直接读出其输入输出波形的峰峰值,获得其电压增益,填入表3-1,比较计算值,仿真值和测试值是否一致。
答:
在POCKETLAB的示波器界面,可直接读出输入输出波形的峰峰值,如下图所示。
因此,
。
在误差允许范围内,可认为计算值、仿真值和测试值一致。
三、场效应管放大器仿真实验
1、根据图3-5所示电路,在Multisim中搭建MOS管IRF510单级放大电路。
图3-5.MOS管IRF510单级放大电路
对该电路进行直流工作点分析,完成表3-5。
(注:
因器件原因,无法进行场效应管的实测。
)
表3-5.场效应管放大器直流工作点
仿真值
实测值
2.775
4.000
0.148
I(R3)(μA)
741.83
2、加入峰峰值=100mV,频率=5kHz的正弦波,进行瞬态仿真,在示波器中查看波形,并将输入输出波形截图于图3-7,根据测量输入输出波形的峰峰值,求得该放大器的增益为:
仿真波形
实测波形
增益:
13.72
增益:
图3-7.MOS管放大器瞬态波形
四、场效应管放大器硬件实验
重复第二项“晶体三极管放大器硬件实验”中的所有步骤,完成场效应管放大器IRF510的硬件实验,并将直流工作点测试结果填入表3-5。
将瞬态实测波形截图填入图3-7。
注:
因器件原因,无法进行场效应管的实测。
实验思考:
将图3-1中的输出端改为节点2,使共射放大器变为共集放大器,查看输入、输出波形。
对比共射放大器的输入输出波形,理解波形中的相位对比变化。
由此可知,共射放大器是(电流)放大器;而共集放大器是(电压)放大器。
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