共射放大电路实验报告

实验报告课程名称：电子电路设计实验指导老师：李锡华,叶险峰,施红军成绩：________实验名称：晶体管共射放大电路分析实验类型：设计实验同组学生姓名:一、实验目的1、学习晶体管放大电路的设计方法，2、掌握放大电路静态工作点的调整和测量方法，了解放大器的非线性失真。3、掌握放大电路电压增益、输入电阻、输出电阻、通频带等主要性能指标的测量方法。4、理解射极电阻和旁路电容在负反馈中所起的作用及对放大电路性能的影响。5、学习晶体管放大电路元件参数选取方法，掌握单级放大器设计的一般原则。二、实验任务与要求1.设计一个阻容耦合单级放大电路已知条件：=+10VccV，5.1LRk，10,600iSVmVR性能指标要求：30LfHz,对频率为1kHz的正弦信号15/,7.5viAVVRk2.设计要求（1）写出详细设计过程并进行验算（2）用软件进行仿真3.电路安装、调整与测量自己编写调试步骤，自己设计数据记录表格4.写出设计性实验报告三、实验方案设计与实验参数计算共射放大电路(一).电路电阻求解过程（β=100）(没有设置上课要求的160的原因是因为电路其他参数要求和讲义作业要求基本一样,为了显示区别,将β改为100进行设计)：（1）考虑噪声系数,高频小型号晶体管工作电流一般设定在1mA以下，取Ic=1mA（2）为使Q点稳定,取25BBCCVV，即4V,（3）0.73.3BBEEVRkI,恰为电阻标称值（4）212124:3:2CCBBRVVVRRRR取R2为Ri下限值的3倍可满足输入电阻的要求，即R2=22.5k，R1=33.75k;112110=0.1,60,40ccBBVVIRImARKRKIR由综上:取标称值R1=51k,R2=33k（5）25TTeECVVrII（6）从输入电阻角度考虑:，取(获得4V足够大的正负信号摆幅)得:从电压增益的角度考虑:15V/V,取得:;为(二).电路频率特性（1）电容与低频截止频率取;(三).参数指标验算过程由已确定的参数:=+10VccV，5.1LRk，10,600iSVmVR,计算得:,所有参数符合指标.四、实验步骤与过程(一).实验电路仿真：1.代入参数的实验电路2.直流工作点Q:2.1仿真类型与参数设置:选择时域瞬态分析(Timedomain),由于交流小信号的频率为1kHZ,设置仿真时间为2个周期,0-2ms,扫描步长为0.02ms,精度足够2.2图像处理:将交流小信号源断开,分别观察IC,VCE,VBE,VC,的波形,利用标尺(togglecursor)得到仿真值为:IC=0.892V,VCE=2.38V,VBE=0.622V,VC=5.45V3.交流参数分析:3.1仿真类型与参数设置:选择频域分析(ACSWEEP),要将电压源由给定频率的VSIN源换成可供频率扫描的VAC,幅值设定为10mV;为得到完整频域特性,扫描频率选择对数扫描,从1HZ到100MHZ,采样点设置为10,3.2图像处理(其他图像略去,只摘取需要用到标尺工具的复杂图像)(1).电压增益:观察V2(RL)/V1(RS)的频域波形,用标尺得出1Khz时的电压增益为17.607;在直流分析中,设置y轴变量为max(V2(RL))/max(V1(RS),利用标尺得到电压增益为178.55mv/9.993mv=17.87;(2).上下限截止频率与通频带:同样是上面的频域增益波形,利用orcad自带的信号处理函数可以得到:Fl=26.24877HZ,FH=1.99MHZ,由于FL相对较小,通频带近似为FH(3).输入电阻:观察V(VS+)/I(C1)的频域波形,利用标尺可得,当信号源的频率为1Khz时,输入电阻Ri=7.6816kΩ4.数据处理与误差分析ICVCEVBEVCAVFLRI理论计算值0.9172.210.75.32320.24268.305电子仿真结果0.8922.380.6225.4517.8926.257.6816相对误差0.0272630.0769230.0238590.1161070.0096150.075063计算可得除VCE外直流工作点的相对误差约为2.5%,而频幅特性相对误差约为10%,较大;直流工作状态的误差主要是由于将VCE直接认定为0.7V导致的,而交流特性是由三极管直流工作点决定的,且计算时忽略了电容对电路产生的影响,且忽略厄利效应,所以会有至少3类误差的叠加,导致误差较大.(二).实际电路测试：1.测试原理:(注释:由于事先不知道实际测试电路所用三极管放大倍数只有160的,而我设计是用100的,所以在测试时无法利用我的设计方案,采用了另一个设计方案,附在报告最后.)1.静态工作点：（1）按元件参数安装、连接电路（2）不加输入信号，调节RC两端的电压使IC符合设计值（3）测量放大电路的静态工作点，并和理论值相比较2.电压增益：（1）保持静态工作点不变，利用示波器观察输入信号波形,调节信号源，使输出信号为频率1kHz,幅值30MV的正弦波.（2）输入、输出波形用双踪显示观察，指出它们的相位关系。当输入输出波形无失真时，分别读出vi、vo的峰-峰值，记入表格（3）增大输入信号幅度，用示波器监视输出波形。使输出波形出现失真，记下此时的输出波形草图，说明首先出现的是哪种失真。测出最大不失真输出电压峰值，记入表格。（4）接入负载RL=5.1kΩ。重做上述步骤，分析负载对电压增益的影响。3.输入电阻：（1）在信号源与被测放大器之间串入一个与Ri同一数量级的已知电阻R，在输出波形不失真的情况下，分别测出vs和vi，则放大器的输入电阻为：()/iiisisivvRRvvRvv4.输出电阻：（1）输出波形不失真的情况下，分别测出输出端空载时的输出电压vo和接入负载RL后的输出电压v’o，则放大器的输出电阻为：0(1)/ooooLoLvvvRRvRv5.幅频特性：电压增益下降到中频增益0.707倍时（分贝数下降3dB）所对应的的上、下限频率即,LHff（1）在CI为设计值、LR情况下，输入1kHZ正弦信号，改变输入信号幅度，使输出电压峰-峰值为max0.5OPPV左右。测出此时输出电压峰-峰值OPPV（2）保持放大器输出电压iv幅度不变，改变信号源输出频率（增大或减小），当输出电压值达到0.707OPpV值时，停止信号源频率的改变，此时信号源所对应的输出频率即为,LHff2.实验数据记录(1).静态工作点：IC/mAVCE/VVBE/VVB/V理论值(仿真)0.975.7560.6444.938实际值(测试)1.005.620.644.87(2).电压增益：实测值（峰-峰值）计算值仿真值vi/mVvo/VAVAVRL=∞59.62.94-49.3-46.875-46.2RL=5.1kΩ59.61.496-25.1-23.68-23.1相对误差RL=∞6.71%1.46%基准RL=5.1kΩ8.66%2.51%基准(3).输入电阻：Ri（理论值）仿真值Rvs/mVvi/mVRi（实际值）8265Ω7272Ω7900Ω55.2277564Ω(4).输出电阻：Ro（理论值）仿真值Vo/VVo2/VRLRo（实际值）5100Ω5021Ω1.4962.945100Ω4900Ω(5).幅频特性实测值理论值（仿真）fL39.0Hz31.5HzfH0.2MHz15.7MHz3.结果分析:1.静态工作点：理论值和实际值相差不大,在合适的工作范围内,相对误差已随表给出估计静态工作点的误差一部分是由于计算时默认VBE=0.7V,而实际为0.64V造成的.2.电压增益：（1）加入负载后，电压增益下降，本次实验的负载和RC相同，带负载电压增益减半。可以看出，若要获得更大的电压增益，且不考虑其他因素,在RC相同的情况下，负载电阻越大越好。但最大不失真输出电压的峰峰值(输入信号摆幅)减小，容易出现饱和失真（在静态工作点较高时）、或截止失真（静态工作点较低时）。(2)利用示波器双踪显示同时观察输入输出波形,不断增大输入信号的幅度,观察发现输出信号最先产生削顶现象,即电路最先产生截止失真;继续增大输入信号的幅度,然后输出信号发生削底现象,即饱和失真.由示波器的标尺分别测量得到最大不失真输出电压峰峰值和饱和失真的输出电压峰峰值.输入与输出信号相位差恒定为(2k+1),反相.RL=∞RL=5.1kΩ未失真临界峰峰值ViVoViVo截止失真39mV4.2V65.2mV2.98mV（3）最大不失真输出电压峰峰值测量为4.2V,与理论分析值接近:由于直流偏置信号为15V,且设计时的直流工作点工作在VC=10.053V情况,所以不失真的信号摆幅约为5V,最大不失真输出电压峰峰值5V,而4.2V5V,且足够大,符合要求.实验中判断截止失真的临界输出电压方法:在实验中,通过通过观察可知最先发生截止失真,所以不断增大电压在波形明显削顶之前微调输入电压,比对顶端和底端在相同信号衰减的情况下的相位跨度(即示波器上幅值下降两格的横线确定的相位差),当二者刚好从相等到不等时,即为所求临界输出电压.（4）电压增益的实际值和仿真值均小于计算值，实际和仿真都会受到频率和电容的影响，但实际情况下还有电阻阻值偏小等情况，所以实际值最小，而计算值是理想的情况，频率和电容都按照理想情况处理，并未考虑三极管的极间电容,所以增益最大。3.输入电阻：（1）实际值与仿真值和计算值相比略小。可能是因为实际用的电阻R并不标准存在偏差。仿真值部分，分析了1kHz时候的β值，发现只有121,导致输入电阻阻值下降。（如下图所示）图中值：121.447Frequency0Hz0.5KHz1.0KHz1.5KHz2.0KHzI(Q2:c)/I(Q2:b)121.43121.44121.45121.46(1.0000K,121.447)4.输出电阻：（1）计算值不考虑厄利效应，数值最大。仿真和实际值都包含了厄利效应导致的电阻ro，而实际电阻RL的阻值无法保证，偏差会更大。5.幅频特性：（1）实际值和仿真值的下限截止频率相差不大，但是上限截止频率相差巨大。下限截止频率主要由耦合电容、旁路电容和电阻影响，实际值和仿真值不会相差很大。上限截止频率主要是电阻和极间电容影响.经过查阅资料,引起上限截止频率的仿真值和实际测量值存在较大差异的主要原因是,示波器的输入电容限制拉低了输出回路的上限截止频率,起主要作用,是高频响应函数的主极点.经过计算,在某个合适不失真的输入信号下,输出信号峰峰值为1.42V时,3DB衰减后的输出信号峰峰值为1.007V,所以调节输入信号频率,直到输出信号波形在示波器上显示的幅值为1.00V,此刻的输入信号频率即为上下限截止频率.八、讨论、心得本次实验涉及完整的放大器设计、仿真、测试过程，整体过程较为复杂。从实验结果来看，计算值、仿真值、实际值之间均有一定误差。实际情况下，直流源供电电压偏差，电阻阻值和理论值的偏差,极间电容,线路电阻等均会带来一定的误差，但由于设计时充分考虑到这些因素,设置了合适的直流工作点,总体上放大器还是能正常工作在放大状态。设计放大器时应考虑这些可能存在的情况，应设计合适的直流偏置,确保直流工作点合适,提供足够大的输入信号摆幅.附九.电路测试所用设计的设计流程（1）高频小型号晶体管工作电流一般设定在1mA以下，那么取Ic=1mA（2）取13BBCCVV，即5V（3）0.74.3BBEEVRkI（4）2122121251,:2:13CCBBRVVVRRRRRRR一般取R2为Ri下限值的3倍可满足输入电阻的要求，即R2=24kΩ，R1=48kΩ，取标称值47kΩ（5）25TTeECVVrII（6）121[(1)()]8ieERRRrRk，1ER=82Ω符合要求，8265iR（7）214.3EEERRRk（8）105CCCCCCVVVVRkI，取标称值5.1k（9）120CLVeERRAr