西安交通大学电实验报告材料1.doc

实验2.1 晶体管单级放大器预习报告 一、实验目的1、测量放大器静态工作点和放大倍数2、观察静态工作点对放大器输出波形的影响3、测量输入电阻、输出电阻4、测量放大电路的幅频特性 二、实验原理1、测量晶体管的由于晶体管生产中存在的分散性，每个同学手中的管子参数可能不一致，因此，利用各种方法测量或者估计晶体管的，是实验前必须进行的。获得晶体管，常见的仪器有：晶体管图示议、万用表。2、根据晶体管的，合理选择电源电压和集电极电阻在这一部分，很多选择并不是唯一的。电源电压可以选择为12V，通过调节直流稳压电源实现。选择Rc2k。3、估算RW和RB根据电源电压，先使静态工作点位于直流负载线中点，则：V，mA又根据，可以得到，而，可以估算出k将RWRB的估算值用RWB表示，如果为100，则此值为377k。此时，可以按照下述方法选择电位器RW和电阻RB。确定RWRB的最小值，也就是RB的值，此值应该比达到饱和状态的基极电阻还小，以确保调节RW为0时，晶体管肯定进入了饱和状态。一般选取。比如当100，可以选择RB=100k。确定RWRB的最大值，此值一般选择为式(2.1.1)计算获得的RWB的25倍。以保证当RW调到最大时，使得晶体管最大限度地接近截止区。因此，可以选择RW为(7.5418.85)×k。比如当100，可以选择RW为1M2M。电位器标称值一般局限在1、2、5三档，比如1k、2k、5k。4、确定其它参数电容器C1、C2的主要作用是隔直和信号耦合，同时，还在客观上造成了本放大电路不能放大低频信号。原则上讲，这两个电容器越大，其低频性能越好。一般选取10F47F。RL可以选择2k左右。三、元器件选择和电路搭接1、元器件选择名称规格数量三极管9013一只电位器105一只电解电容10F2只电阻100k1只电阻2k2只2、电路搭接四、实验容和步骤1静态工作点的调整和测量对于一个晶体管放大电路，根据设计目的不同，静态工作点的选择也有不同的原则。一般来说，在没有特殊要求的情况下，静态工作点的选择，从理论上说，就是使其处于交流负载线的中点，也就是让输出信号能够达到最大限度的不失真。因此，在本实验中，静态工作点的调整，就是用示波器观察输出，让输出信号达到最大限度的不失真。当按照上述要求搭接好电路，在输入端引入正弦信号，用示波器观察输出。静态工作点具体的调整步骤如表2.1.1所示：表2.1.1 静态工作点调整现象动作归纳现象出现截止失真出现饱和失真两种失真都出现无失真动作减小RW增大RW减小输入信号加大输入信号根据示波器上观察到的现象，做出不同的调整动作，反复进行。当加大输入信号，两种失真同时出现，减小输入信号，两种失真同时消失时，可以认为此时的静态工作点正好处于交流负载线的中点，就是最佳的静态工作点。去掉输入信号，测量此时的UCQ，就得到了静态工作点。2电压放大倍数测量放大电路的电压放大倍数测量，必须在输出信号没有明显失真的情况下进行。测量方法可以分为粗略测量和精细测量两种。可以根据测量要求选择测量方法。粗略测量：直接用示波器测量。使用双踪示波器的两个通道，同时测量输入信号幅值和输出信号幅值，两者相除就是电压放大倍数。或者使用单踪示波器，分别测量也可。需要注意的是，这种测量，在输出信号失真的情况下，是毫无意义的。测量时，必须按照上述的失真判断方法，密切观察输出信号的失真情况。精细测量：用晶体管毫伏表测量。在保证输出信号没有失真的情况下，直接用晶体管毫伏表，分别测量输入信号和输出信号的有效值，直接相除也是电压放大倍数。注意，这种测量，要求在测量的同时，一直用示波器监视输出信号，输出失真或者没有监测，测量都无效。3输入电阻测量根据输入电阻的定义，按照图2.1.4所示电路测量。选择R1与估计的输入电阻近似。将一定频率的源信号加入us两端，用晶体管毫伏表分别测量us和ui处的电压有效值Us、Ui。则     (2.1.2)4输出电阻测量根据输出电阻的定义，按照图2.1.5所示电路测量。断开开关S，在输入端加入一定频率的正弦信号，观察输出信号，在不失真的情况下，用晶体管毫伏表测量输出电压，记为Uo。闭合开关S，输入信号不变，用晶体管毫伏表测量输出电压，记为UoL,则输出电阻为：             (2.1.3)5频率特性的测量本实验提供的电路，存在耦合电容C1、C2。这两个电容对低频信号都有阻断作用。在实验前，我们就应该知道，在一个相当宽的频率围，本放大器的电压放大倍数基本不变，我们称之为中频放大倍数。并且，随着输入信号频率的降低，本放大器的电压放大倍数也在降低。当不断降低输入信号频率，使得电压放大倍数为中频放大倍数的0.707倍时，记录此时的输入信号频率，即为该电路的下限截止频率fL。依照对应的方法增加输入信号频率，还可以找到上限截止频率fH。但是由于本电路的fH较大，对设备要求较高，本次实验只进行下限截止频率的测量。中频电压放大倍数的测量：对本电路进行估算，可以知道其下限截止频率大约在百赫兹左右，因此，可以选取10倍于fL的值作为输入信号频率的起点，然后依次以1，2，5倍数增加频率，分别测量其放大倍数，当从测量值上看不出频率变化引起的电压放大倍数变化时，说明输入信号频率已经进入中频段，此时的电压放大倍数即为中频电压放大倍数。下限截止频率的测量：为了提高测量效率，一般将测量过程分为两步，首先粗测，保持输入信号幅度不变，调节其频率，在示波器上观察输出信号幅度，当其为中频输出幅度的0.70.8倍时，进入细测，细调输入信号频率，用晶体管毫伏表分别测量输入、输出信号的有效值，计算的电压放大倍数为中频放大倍数的0.707倍时，记录此时的输入信号频率（可以用频率计、信号源频率显示或者示波器目测获得），即为下限截止频率。实际上，对于一个已知是一阶高通的放大电路，你只要利用自己认为合适的方法，调节输入信号频率，使得该频率下，电压放大倍数是中频电压放大倍数的0.707倍，这个频率就是下限截止频率。而对于一个不能完全肯定其频率特性的电路，通常要结合粗测和细测，描绘出电路的幅频特性和相频特性。本实验仅要求测量电路的下限截止频率。注意，对频率特性的测量，应该在有负载的情况下进行。五、数据估算实验2.1 晶体管单级放大器总结报告一、 电路设计、搭接过程1、原理图：2、电路搭接：3、设计、搭接过程测量晶体管值利用万用表的hfe档，插入晶体管，读取晶体管的值，并加上修正常数20即可。电路设计、搭接参照原题图2.1.1进行电路搭接。二、 记录、分析静态工作点的调节过程1、 调节过程利用万用表直流档20V测量晶体管集电极（C）与地之间的电压，调节电位器，令读数为6.00伏。此时认为=6.0V，=3mA。静态工作点位于交流负载线中点。2、 分析下面介绍书上给出的调节方法。对于一个晶体管放大电路，根据设计目的不同，静态工作点的选择也有不同的原则。一般来说，在没有特殊要求的情况下，静态工作点的选择，从理论上说，就是使其处于交流负载线的中点，也就是让输出信号能够达到最大限度的不失真。因此，在本实验中，静态工作点的调整，就是用示波器观察输出，让输出信号达到最大限度的不失真。当按照上述要求搭接好电路，在输入端引入正弦信号，用示波器观察输出。静态工作点具体的调整步骤如表2.1.1所示：表2.1.1 静态工作点调整现象动作归纳现象出现截止失真出现饱和失真两种失真都出现无失真动作减小RW增大RW减小输入信号加大输入信号根据示波器上观察到的现象，做出不同的调整动作，反复进行。当加大输入信号，两种失真同时出现，减小输入信号，两种失真同时消失时，可以认为此时的静态工作点正好处于交流负载线的中点，就是最佳的静态工作点。去掉输入信号，测量此时的UCQ，就得到了静态工作点。但这种方法是难以实现的。因此利用之前的调节，在精度不高的要求下可以满足实验要求。三、 放大倍数的测量过程1、 测量过程用晶体管毫伏表测量。在保证输出信号没有失真的情况下，直接用晶体管毫伏表，分别测量输入信号（Ui）和输出信号（Uo）的有效值，直接相除也是电压放大倍数。这种测量，要求在测量的同时，一直用示波器监视输出信号，输出失真或者没有监测，测量都无效。用晶体管毫伏表测量。在保证输出信号没有失真的情况下，直接用晶体管毫伏表，分别测量输入信号和输出信号的有效值，直接相除也是电压放大倍数。注意，这种测量，要求在测量的同时，一直用示波器监视输出信号，输出失真或者没有监测，测量都无效。测得数据见“原始数据记录”。2、 误差计算之前估算=-102.6实测=-100.7误差w=1.9%3、 误差分析误差主要来源于晶体管的值。值随静态工作点改变而改变，而本实验中，使用万用表测量的，不能选择其静态工作点，其测量值是由万用表部提供的。因此存在较大误差是正常的。详见心得体会。四、 输入电阻测量过程1、 测量过程选择R1与估计的输入电阻近似。将一定频率的源信号加入us两端，用晶体管毫伏表分别测量us和ui处的电压有效值Us、Ui。则     (2.1.2)实验中，选取R1=2k测得数据见“原始数据记录”。2、 误差计算之前估算=2.3k实测=2.52k误差w=8.7%3、 误差分析由数据可见，实测的输入电阻大于估计的输入电阻。测量输入电阻时，f=1000Hz,测量的输入电阻中应包含电容C1的容抗、导线阻值等阻抗在，导致实测输入电阻较高。五、 输出电阻测量过程1、 测量过程根据输出电阻的定义，按照图2.1.5所示电路测量。断开开关S，在输入端加入一定频率的正弦信号，观察输出信号，在不失真的情况下，用晶体管毫伏表测量输出电压，记为Uo。闭合开关S，输入信号不变，用晶体管毫伏表测量输出电压，记为UoL,则输出电阻为：             (2.1.3)测得数据见“原始数据记录”。2、 误差计算之前估算=2.0k实测=1.97k误差w=3.0%3、 误差分析输出电阻的误差较小，在电阻的允许误差围。六、 上、下限截止频率测量过程1、 测量过程下限截止频率的测量：为了提高测量效率，一般将测量过程分为两步，首先粗测，保持输入信号幅度不变，调节其频率（频率减小），在示波器上观察输出信号幅度，当其为中频输出幅度的0.70.8倍时，进入细测，细调输入信号频率，用晶体管毫伏表分别测量输入、输出信号的有效值，计算的电压放大倍数为中频放大倍数的0.707倍时，记录此时的输入信号频率（可以用频率计、信号源频率显示或者示波器目测获得），即为下限截止频率。上限截止频率的测量：为了提高测量效率，一般将测量过程分为两步，首先粗测，保持输入信号幅度不变，调节其频率（频率增大），在示波器上观察输出信号幅度，当其为中频输出幅度的0.70.8倍时，进入细测，细调输入信号频率，用晶体管毫伏表分别测量输入、输出信号的有效值，计算的电压放大倍数为中频放大倍数的0.707倍时，记录此时的输入信号频率（可以用频率计、信号源频率显示或者示波器目测获得），即为上限截止频率。测得数据见“原始数据记录”。2、 误差计算之前估算=8.78Hz 实测=9.98Hz误差w=12.0%实测=4.6*Hz3、 误差分析 在调节频率使得电压放大倍数为之前的0.707倍时，难以做到数值精确，一般取0.7-0,71之间的某值。 在测量此时的信号频率时，发现频率波动较大。这一方面由于信号源本身频率不稳定；另一方面由于测量电路并不稳定。因此，测得的上、下限截止频率都是近似值。七、 动态围测量过程1、 测量过程利用万用表电压档测量=6.034V，利用万用表电流档测得=2.874mA，进而计算得=2.874V。所以，测得数据见“原始数据记录”。2、误差计算之前估算=6.0V实测=5.748V误差w=4.3%2、 误差分析测量动态围时，应该不存在系统误差之外的误差引入。八、 对单管放大电路新的认识首先，单管放大电路是“简便”的。以晶体管为核心，易于搭建电路、分析电路。而且电路结构清晰，实现的功能也很强大（本次实验中电压放大100倍左右）。其次，我们应看到单管放大电路的另一面，即它的不稳定性。这一点在测量上下限截止频率时可以更明显体会出，只能得到一个近似的值。另外，晶体管对变化较敏感，容易发生截止、饱和失真。最后，单管放大电路容易级联，可以利用多级单管放大电路得到很大的电压放大倍数。九、心得体会和建议 调节静态动作点时，实际采用的方法只是粗调，书上给出的方法较为麻烦，但精度更高。 测量电压放大倍数时，误差来自万用表测量值存在较大误差。通过学习指导书，了解到利用晶体管图示仪，可以选择合理的静态工作点，测得合理的值。详细分析如下。晶体管的在不同的静态工作点处，具有不同的值。从晶体管图示仪上，可以清晰地看到图2.1.3所示的图形，也就是教科书上描述的晶体管输出特性曲线。从图中可以看出，随着I的等增量增加（每次增加10A），ui曲线的上移速度是不等量的，开始小，中间大，最后又小。这样就造成Q点处的要大于Q'点的。在图示仪上读取的方法是：根据电路参数可以估算出静态工作点，进而在晶体管图示仪上，可以找到这个点Q，如图2.1.3所示。并且找到相邻的两条曲线（I=30A和I=30A），依靠图示仪屏幕刻度，读取I和I，根据下式可以计算出 显然，利用晶体管图示仪测量，可以根据静态工作点选择合理的测量位置，其误差一般仅为视觉读数误差。而数字万用表则不同了，由于数字万用表在测量晶体管时，不能选择静态工作点，其测量值取自万用表部提供的，固定静态工作点处的，比如就是图2.1.3中的Q'点，而不是用户要求的静态工作点处的。从图中也可以看出，这两点处的，存在较大的差异，是正常的。因此，根据晶体管随静态工作点明显变化这个特点，数字万用表的测量值，一般情况下仅能作为参考，可信度很低。在条件许可的情况下，应该尽量使用晶体管图示仪测量晶体管的。我们必须知道，晶体管的在不同的静态工作点处，具有不同的值。 测量截止频率时，频率波动较大。造成上下限截止频率误差较大。且上限截止频率较难进行粗调。建议事先给出上限截止频率的参考值。 知识来源于实践，最终要应用于实践。进行实验使我对放大电路的理解更深入了。实验的过程是“知行合一”这个词的最鲜明的注脚。十、 述实验成果（以20世纪科学家的身份）我于1945年4月12日进行了一次关于晶体管的实验，事前我并没有料想到我会得到如此激动人心的实验结果，可以说，这次的实验结果将直接改变历史的进程和社会发展的现状。如上图所示搭接电路，调试完成后（调试使得晶体管工作在放大状态、且静态工作点位于交流负载线中点。这是为了使得输出不发生失真。这是在实际应用中需要注意的问题。此处不展开叙述。读者如有兴趣，可致电在下交流），在输入端加一个交流小信号，其频率f1000Hz，Uopp0.01V。下面我利用晶体管毫伏表测量输入幅度和输出幅度。发现输出电压竟然是是输入电压的100倍，这是一个多么激动人心的结果！我用来描述这个放大关系。另外，我还发现，这种放大倍数并不一定是恒定的。它随着频率的改变而改变。不过，在一个相当长的频率围，相对恒定，我称之为“中频区”。当频率减小，至10Hz左右时，发现放大倍数降为原来的0.7倍左右，继续减小频率，放大倍数快速下降。我称这个频率为“下限截止频率”。同样的，当增大频率至4.6*Hz左右时，同样使得放大倍数变为原来的0.7倍，继续增大频率，放大倍数快速下降。我称这个频率为“上限截止频率”。这是在实际应用中需要注意的问题之一。这仅仅是单级放大电路的实验数据。可以设想，如果我们将多级放大电路级联，则各级电路的放大倍数将得到近似相乘的关系，这将得到一个很大的放大倍数。我将在两周后尝试这个实验。请诸君关注我的实验结果报告。下面，我想谈谈这个电路的实际应用。“以小博大”是这个电路最突出的特点。仅仅输入一个很小的信号，得到的输出却是很大的。在自动控制方面，我们可以用很小的电压去控制高压，这使得工作人员可以处于更安全的环境。在影音处理方面，可以将声音信号作为输入，放大后，可以作为扩音器使用。小小的晶体管，将拥有改变世界的力量。可以预见，伴随着这份成果的成熟和实际应用，无数崭新的产业即将诞生！