东南大学信息学院 模电实验五

实验五 晶体管放大器的频率响应

实验目的：

1、熟悉仿真软件Multisim的使用，掌握基于软件的电路设计和仿真分析方法； 2、熟悉POCKET LAB硬件实验平台，掌握波特图功能的使用方法；

3、通过软件仿真和硬件实验验证，掌握晶体三极管放大器的上下限频率及同频带概念。

实验预习：

设置如图5-1电路，改变CC1，CC2和CE1三个电容和负载电阻R8，并在负载电阻上并接负载电容C1，获得如图5-1所示电路。

1、根据实验二中的直流工作点，计算该单级放大器的中频电压增益Av= -38.59 。 2、复习放大器上下限频率和计算方法。图5-1电路中，电容CC2和CE1足够大，可视为短路电容。具有高通特性的电容CC1和输入电阻Ri决定了电阻的fL；低通特性的电容C1和输出电阻决定了电路的fH。请分别计算电路的fL、fH和通频带BW，填入表格5-1。

图5-1. 晶体三极管放大器频响电路

计算过程：

已知实验二中参数：β=120，VBE（on）=0.7V。 1：

忽略沟道长度调制效应，rce不计。

VB?直流通路中，有：

IEQIBQICQ10100?1.43V，RB??14.29k?77V?V?BBE（on）?0.140mARE1?RE2 IEQ??1.16?A1????IBQ?0.139mA在交流通路中，将发射极上的电阻RE1等效到三极管基极。 因此有：

rb,e??ib?VT120?26??22.44k?ICQ0.139?1000

Vi,ic??ibrb,e?(1??)RE1vo??38.59vi因此，AV?所以，20lgAV?31.73dB 2：

Ri?RB//[rbe?(1??)RE1]?10.94k??L?1?914.08rad/sRi?CC1

?145.48Hz2π,R0?RC1?15k?fH?1?5305.16Hz,2π?R0?C1fL??L实验内容：

一、NPN管放大器仿真实验

1、放大器幅频和相频仿真：

根据图5-1所示电路，在Multisim中搭建晶体三极管2N3904单级放大电路，进行电路的幅频和相频特性仿真。

信号源设置：加入信号源，双击它，在弹出窗口中设置AC仿真信号源。设置AC analysis magnitude=1V；AC analysis phase=0 deg。注意，此处的1V并不表示输入为1V的大信号，仅仅表示输入为1个单位信号。因此，此时的输出电压Vout/1=Vout。因此输出即为增益值。 仿真设置：Simulate--Analysis--AC Analysis… 弹出窗口后，在Frequency parameters中设置AC扫频的开始频率FSTART，终止频率FSTOP，扫频种类：Decade（十进制），Number of Points per decase：10，表示每十倍频中扫多少个频率点；Vertical scale：纵坐标的刻度：Decibel（dB值）。在Output Tab中从左侧栏选择需要观测幅值和相频特性的点，点击Add，加入到右侧栏后，点击Simulate，开始进行AC仿真。

结果查看：在弹出的波形窗口中，使用Cursor,可以清楚地看到中频增益和上下限频率。将仿真结果填入表格5-1中。

注1：相位图中当出现相移超过-180度时，会自动翻转至+180度继续下降。 注2：所有展示波形仅为参考，以实际仿真波形为准。 表5-1：晶体三极管放大器频率特性 放大器增益Av（dB） 下限频率fL（Hz） 上限频率fH（Hz） 通频带BW（Hz） 计算值 -38.59 145.48 5305.16 5159.68 2、放大器瞬态仿真：

采用实验三中的瞬态仿真方法，分别输出三个不同频率的相同幅度正弦波信号，观察瞬态波形输出，并从示波器上显示的波形峰峰值换算出不同频率时的增益值，填入表格5-2。并注意输入输出波形中相位之间的关系。将增益和相位关系与AC仿真结果相对比，理解放大器的频率响应。三种频率的具体要求是：低频区fH。 表5-2：不同频率输入信号时放大器增益值 电压增益Av 仿真值 测试值 低频区f=50Hz 9.918 10.2 中频区f=4kHz 31.729 32.8 高频区f=10kHz 18.601 20 仿真值 30.07 163.8725 5427.1 5263.2275 实测值 31.22 164 5430 5266

分析：在误差允许范围内，可以认为仿真值和测试值一致。

二、NPN管放大器频响硬件实验

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、波特图仪和示波器。 1、电路连接

首先根据图5-1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的输出端SIG1端口作为电路的输入信号接CC1左侧；PocketLab示波器1通道CH1接电路输入信号端；示波器2通道CH2接电路输出，即CC2右侧，分别测试输入输出两路信号。

注：因为后续需要采用波特图测试仪，波特图测试仪默认将CH1作为激励；CH2作为观测输出，因此这里CH1，CH2通道请勿接反。 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方法，使用PocketLab直流电压表测试各点直流电压，以确保电路搭试正确。 3、波特图测试

在电脑中打开PocketLab的波特图界面，扫频信号来自于SIG1通道，已接到电路输入端；波特图默认激励通道为CH1，因此SIG1接CH1；CH2默认为相应通道，接电路输出端。在

该界面上，需要设置扫频的起始频率，终止频率，步进和扫频信号的峰值电压。除了扫频信号的峰值电压外，其余设置定义和Multisim中相同，除了PocketLab最高能支持的扫频值为10KHz。而扫频信号的峰峰值要特别注意，因为这是真实加入的信号，与仿真时的虚拟信号不同，因此为了防止仿真电路进入大信号状态，该峰峰值应设置为一个足够小的信号，如0.01V，即10mV，以保证电路工作于小信号状态。设置好后，点击Scan，扫频获得幅频和相频曲线。请读出上下限频率和增益值，填入表格5-1。 4、瞬态波形测试

PocketLab与电路的连接方式保持不变。在PocketLab中打开信号发生器和示波器界面（Scope），选择输入信号波形为正弦波，信号幅度Vpp为0.01V，DC Offset=1V。在电脑中打开PocketLab的示波器界面，显示三极管单端放大器的输入，输出波形。点击按钮Run，连续改变输入正弦波的频率，在示波器窗口中选择合适的时间和电压刻度，观察输出波形峰峰值和输入输出波形相对相位值的变化，体会电路对于不同频率的响应。

选取表5-2中的三个频率，根据示波器窗口中独处的输入输出波形峰峰值，获得其电压增益，填入表格5-2，比较仿真值和测试值是否一致。

注：NPN管放大器频响硬件实验的实验地点：电子中心101室。老师已当堂验收实验结果。

三、PNP管放大器仿真实验

1、放大器幅频和相频仿真

给PNP管2N3906加上合适的偏置电路和输入输出网络，进行电路的幅频和相频特性仿真。采用AC仿真，将其幅频和相频特性截图如图5-2。

图5-2. PNP管放大器幅频和相频响应仿真图 2、放大器瞬态仿真

采用瞬态仿真，分别输入三个不同频率的相同幅度正弦波信号，观察瞬态波形输出，同样设置三种不同频率的输入信号，从示波器上截图。三种频率的具体要求是：低频区fH。

表5-3：不同频率输入信号时放大器输入输出波形