电工技能培训专题-双口网络的特性研究

实验十三双口网络的特性研究一、实验目的1．双口网络的表达方法及其互易条件。2．掌握晶体管放大器直流工作点的调节方法和交流等效电路的概念。3．掌握H参数的测量。4．掌握11h，12h，21h，22h对放大器性能的影响和放大器输入电阻、输出电阻、电压放大倍数的测量方法。二、实验原理一个网络N，具有一个输入端口和一个输出端口，网络由集总、线性、时不变元件构成，其内部不含有独立电源(可以含有受控源)和初始条件为零，称为双口网络，如图13－1所示。图13－1因为电压、电流容易测量，且根据端口特性的不同，有的端口只能是压控，有的端口只能是流控，有的端口既是压控又是流控。因此，一般而言，用不同的激励来表示响应有如下一些表达式：1．阻抗参数)(SZ)()()()(211121SZSZSUSU)1()()()()(212212SISISZSZ互易条件：)()(2112SZSZ2．导纳参数)(SY211121yyII)2(212212UUyy互易条件：YY12213．混合参数)(SH211121hhIU)3(212212UIhh互易条件：2112hh混合参数的另一种表达方式为：211121ggUI)4(212212IUgg互易条件：2112gg4．传输参数CAIU11)5(22IUDB互易条件：1BCAD传输参数的另一表达方法为：''22CAIU)6(11''IUDB互易条件是：1''''CBDA常用的是式(1)，(2)，(3)和(5)这四种，一个双口网络根据给定的条件的不同，会采用不同的参数表示双口，如)(SZ主要用于电阻网络；)(SY主要用于高频电路；)(SH主要用于低频电路；传输参数主要用于通信系统和电子系统。下面以式(3)混合参数为例，在正弦稳态的条件下，说明参数的测量和等效电路的概念。由混合参数方程（又称h参数方程）)7(22212122121111UhIhIUhIhU式中，11h，12h，21h，22h即双口网络的h参数，它们的定义分别为：021111UIUh012112IUUh021221UIIh012222IUIh其中，11h具有阻抗的性质，22h具有导纳的性质，而12h、21h均无量纲，故h参数又称混合参数。11h表示端口‘2’短路时，在端口‘1’处的输入阻抗。22h表示在端口‘1’开路时，在端口‘2’处的输出导纳。12h表示‘1’端口开路时两个端口电压之比。21h表示‘2’端口短路时两端口电流之比。双口网络可用图13－2所示等效电路来表示，称为h参数等效电路。图13－2当0,02212hh时，则有图13－3所示的等效电路。图13－3在电子技术中，用来构成双口的器件很多，如晶体管、场效应管(MOSFET)等，下面以晶体管放大器为例作如下说明。晶体管是电流控制器件，(MOSFET为电压控制器件)，将直流电能转化为交流电能。图13－4对于图13－4所示的电路，在线性放大区工作时，有直流工作状态为：BCIIBEII)1()8(BCII称为直流放大倍数，且有)9(bBEcBRUEI)10(CCCCERIEU对于交流工作状态，注意如下两条原则：1．电容对交流相当于短路，(即11C，21C与其它元件参数相比，可忽略不计)。2．直流电压源对交流相当于短路。因此，如图13－4所示的一个晶体管放大器，其交流通路如图13－5所示。图13－5用简化的h参数来表示虚线框内的双口，其等效电路如图13－6所示。图13－6下面讨论如何测出h参数。假定输入信号)(tui是正弦信号，频率为KHz1，采用相量法，将(7)式写成：211121hhIU212212UIhh)11(021111UIUh11h是晶体管输出交流短路时输入阻抗，测量11h的方法是：在图13－4中的晶体管集电极与发射极之间并接一个10μF电容（如图13－4中的2C直接接地），使02U，式中1U为晶体管基极对发射极的正弦交流电压。信号源)(tui串接一个已知电阻SR加到放大器。目的是为了测量SI)(1SSSRUUI。图13－5中晶体管基极的KCL方程为：itititSRB1，因为ititRB1，所以测得SI，即可以得到SII1，然后利用式（11）求出11h。)12(012112IUUhh12是晶体管输入端开路时电压反馈系数。测量h12的方法是：在图13—4电路中，将信号源输入断开，使I10，将信号源)(tui和RS通过C2加到放大器的集电极与发射极之间，2U的电压有效值不要超过1V，测出1U和2U，然后利用式（12）求出h12。)13(021221UIIhh21是晶体管输出交流短路时电流放大系数。测量h21的方法是：严格讲，必须将放大器输出端并接电容，使输出交流短路，即02U，然后在晶体管的基极与集电极之间各串接一块电流表（交流），然后分别测出I1和I2，按式（13）求出h21。为了不使用交流电流表，又要测出I1和I2，我们作如下近似处理：输出端交流不短路（因为实际上h12的影响极小，故对放大器参数测试影响不大），信号源)(tui串接RS加到放大器输入端，则有)14(11SSSRUUIII2是通过如下方法测得：在I1的作用下，用交流电压表测得集电极电阻RC两端的电压CRU，则有)15(2CRRUIC然后根据式（14）与式（15）测得的结果，按式（13）求出h21。)16(012222IUIhh22是晶体管输入端开路时输出导纳，单位是西门子（S）。测量h22的方法是：晶体管输入端开路，按图13—4虚线框内所示，将信号源)(tui与RS通过C2加到放大器的集电极与发射极之间，2U的电压有效值不要超过1V，测出2U和2I，2I是通过测量取样电阻RS上的电压，然后按式(17)计算得出。)17(22SSRUUI最后，按式（16）求出h22。图13－7三、实验内容及步骤1．直流放大系数（FEh）和交流放大系数h21（,feh）的测量。按图13－7接线，在Y与Z之间接可变电阻箱R，调节R，使得ceU分别为6V，3V，4.5V时，分别记录下Rb、UBE值，数据记录于表1中。表1EC=9VUCEV6V3V5.4RbUBEIBICh21（hfe，β）根据直流通路容易得到直流放大系数，即：bBEcbRUEI测得CE，BEU和bR，就可求出bI。cCEccRUEI测得CE，CEU和cR，就可求出cI。直流放大系数BCII对于h21（),feh）的测量，为了简便，可以从以上述数据中得到：BCfeIIhh),(212．电压放大倍数测量①按图13—7接线，接上负载LR，固定VUCE5.4，（通过调节bR获得），输入KHz1正弦信号，用示波器观察输出信号波形有无失真，可调节输入电压的大小，使输出信号在最大不失真条件下，测出LU，oU，1U和SU，求出放大倍数，并画出波形图。②去掉负载LR，测出oU，1U和SU，求出放大倍数，并画出波形图。3．11h的测量根据SSRUUUUIUh11211110，测量1U，SU，即可求出11h。4．放大器输出阻抗oR的测量可用上面的数据得：LLocoRUUR)1(其中ocU为负载开路时的电压，LU接上负载时的电压。★5．21h的测量除了由实验内容（1）可以求出21h（,feh）外，还可以采用下面测量方法：021221UIIhSSSRUUII11CRCRUI221h是输出短路时，电流放大系数。在实际测量时，RCU是不接负载电阻时的开路电压。四、思考题1．从BI，CI，EI及1U和oU的变化关系中，你如何理解晶体管是一个电流控制器件？2．11h在电子线路中有一个工程上的计算公式，并用ber来表示，)()()(26)1(200mAImVrEbe，式中：EI为直流工作点的电流。根据你的测量数据，判断该公式是否可信？3．21h的测量有BCfeIIhh),(21和SSCRcRUURUh121这两式，理论上是否成立？4．负载LR接上或不接，为什么对放大倍数有影响？5．归纳测量放大器的输入阻抗和输出阻抗的方法？6．在调节直流工作状态时，bR不充许短路，否则损坏晶体管，为什么？五、实验设备1．晶体管放大器实验板2．双踪示波器3．函数信号发生器4．数字万用表5．直流稳压电源6．可变电阻箱