电压放大电路设计

东南大学电工电子实验中心

课程名称：

实 验 报 告

电子电路实践

第 三 次实验

实验三 电压放大电路设计

一、实验目的

1. 掌握单级放大电路的设计、工程估算、安装和调试；

2. 了解三极管各项基本器件参数、工作点、偏置电路、输入阻抗、输出阻抗、增益、幅频

特性等的基本概念以及测量方法； 3. 了解负反馈对放大电路特性的影响。

4. 掌握多级放大电路的设计、工程估算、安装和调试；

5. 掌握基本的模拟电路的故障检查和排除方法，深化示波器、稳压电源 、交流毫伏表、

函数发生器的使用技能训练。

二、预习思考：

1. 器件资料：

上网查询本实验所用的三极管9013的数据手册，画出三极管封装示意图，标出每个管脚的名称，将相关参数值填入下表：

9013三极管封装示意图：

2. 偏置电路：

图3-3中偏置电路的名称是什么？简单解释是如何自动调节晶体管的电流IC以实现稳定直流工作点的作用的，如果R1、R2取得过大能否再起到稳定直流工作点的作用，为什么？

答：分压式偏置电路。三极管的工作会受到温度的影响发生温漂，使工作点改变。分压式偏置电路利用R1和R2构成的分压器给三极管基极b提供电位UBQ，如果满足电流

I1IBQ的条件，基极电位UBQ可近似为UBQ

R2

VCC。当温度上升的时候，

R1R2

ICQ(IEQ)增大，RE上压降增大。又因为UBQ一定，所以UBE下降，IBQ减小，从而使ICQ减小。通过这样的自动调节使ICQ恒定。如果R1、R2取得过大不能起到作用，因为稳压式偏置电路的条件是I1IBQ，R1和R2过大时此条件不能满足。基极电流必须加以考虑。

3. 电压增益：

(I) 对于一个低频电压放大器，一般希望电压增益足够大，根据您所学的理论知识，分

析有哪些方法可以提高电压增益，分析这些方法各自优缺点，总结出最佳实现方案。

答：1）共射组态：Au

RC//RL

rbe

。所以可以通过增大RC来增大电压增益。

优点：放大倍数较大，输出阻抗大。缺点：高频特性不好。 2）共基组态：Au

RC//RL

rbe

。所以同样可以通过增大RC来增大电压增益。

优点：放大倍数较大，输出阻抗大。缺点：输入阻抗较小。

3）多级级联的放大器：利用共射、共基和共集三种组态的组合，将放大倍数增大。 优点：放大倍数较大。用集电极做输出级，输出阻抗较小，接负载能力强。利用共基组态输入阻抗较小的特点，提高共射组态的高频特性。

(II) 实验中测量电压增益的时候用到交流毫伏表，试问能否用万用表或示波器，为什

么？

答：不能。因为是小信号放大器，所测的信号幅度都很小，而万用表和示波器测量时本身的信号干扰等误差是不可避免的，会导致信号有很大毛刺。若是实验中用示波器测量，选择平均值方式可以使示波器图形较为清楚，当然误差较大，需要注意。 4. 输入阻抗：

1) 放大器的输入电阻Ri反映了放大器本身消耗输人信号源功率的大小，设信号源内

阻为RS，试画出图3-3中放大电路的输入等效电路图，通过连线回答下面的问题，并做简单解释： Ri = RS 放大器从信号源获取较大电压

Ri > RS 放大器从信号源获取最大功率

US2US2

答：当Ri=Rs，由P(。 )Ri，得此时Pmax=

4RSRiRs

当Ri

US

，此时电流较大。

RiRs

US

Ri，此时分得电压较大。

RiRs

当Ri>Rs，输入阻抗较大，由U

2) 图3-1是实际工程中测量放大器输入阻抗的原理图，试根据该图简单分析为什么串接电阻RS的取值不能太大也不能太小。

图3-1 放大器输入阻抗测量原理图

1) 答：因为必要保证放大器处于放大区，Ui不能太小，因而Rs不能太大。而放大器

输入电流Ii也不能太大，所以Rs不能太小。总的要求Rs的取值不能太大也不能太小。

2) 对于小信号放大器来说一般希望输入阻抗足够高，根据您所学的理论知识，分析

有哪些方法可以提高图3-3中放大电路的输入阻抗。 答：1、分压式共射放大电路中：Ri=R1||R2||rbe，在保证电阻中电流大于基极电流的前提下，可以通过增大R1,R2来提高电路的输入阻抗。

2、可以在信号源和输入级直接增加一个运放构成的跟随器来增大输入阻抗。 5. 输出阻抗：

1) 放大器输出电阻RO的大小反映了它带负载的能力，试分析图3-3中放大电路的输

出阻抗受那些参数的影响，设负载为RL，画出输出等效电路图，通过连线回答下面的问题，并做简单解释。 RO = RL 负载从放大器获取较大电压 RO > RL 负载从放大器获取最大功率

Uo2UO2

)RL，得此时Pmax=答：原理同输入阻抗分析。当Ro=RL，由P(。

RoRL4RL

当RoRL，输入阻抗很小，I

UO

，此时电流较大。

RoRL

当Ro>RL，输入阻抗较大，由U

UO

RL，此时分得电压较大。

RoRL

2) 图3-2是实际工程中测量放大器输出阻抗的原理图，试根据该图简单分析为什么电

阻RL的取值不能太大也不能太小。

图3-2 放大器输出阻抗测量原理图

答：要保证IoUo'/RoRL，IoUo'/RoRL都不太小，就必须保证RL适中。若RL过小则UO会很小，若RL过大则导致Io较小。

3) 对于小信号电压放大器来说一般希望输出阻抗足够小，根据您所学的理论知识，

分析有哪些方法可以减小图3-3中放大电路的输出阻抗。

答：在多级放大器中用集电极做输出级，减小输出阻抗，提高负载能力强。 6. 计算图3-3中各元件参数的理论值，其中

已知：VCC=12V，Ui=5mV，RL=3KΩ，RS=1KΩ， T为9013

指标要求：Au>50，Ri>1 KΩ，RO100kHz（建议IC取2mA） 用Multisim软件对电路进行仿真实验，仿真结果填写在预习报告中。 1) 仿真原理图

2)

参数选择计算

实验前取100，只要实际值大于100，参数选择就符合实际要求。

第一步：选取UBQ=3V，得UBE=2.3V，根据ICQ=2mA，取RE=1.15k。结合实验室器材供应，微调上述各参数得UBQ3.3V,UE2.6VRE1.3K。 第二步：取RC2.6K,则UCQVCCICQRC6.8V。 第三步： 根据分压式电路的原理结合公式，得R2

UBQ

(5-10)ICQ

15K，

R1

VCCUBQ

UBQ

43K.图中取R1为100K发动变阻器和10K的组合。

第四步：耦合电容和旁路电容的选取应较大，保证电路的频率范围满足经过计算取C1C247uF，考虑到旁路电容折算到基极fL100Hz，fH100kHz。

时要除以1，所以选择C3100uF。 第四步：根据实际计算=245

RiR1||R2||rbe39.5K||15K||(0.3246

Ro=RC2.6K

3)

仿真结果

263

10)K2.58K 2

CH1为源信号Us； CH2为输入信号Ui； CH3为输出信号Uo.

7. 对于小信号放大器来说一般希望上限频率足够大，下限频率足够小，根据您所学的理论

知识，分析有哪些方法可以增加图3-3中放大电路的上限频率，那些方法可以降低其下限频率。

答：1、增大上限截止频率：fH

11,CM为密勒电容。由2[rb'e||(rbbrs||RB)]CM

此可知要增大上限截止频率，可以增大RB，即可以同比例增大 R1,R2。

2、减小下限截止频率：fL3~10

1

2RSrbeC1

fL3~10

1

，fL1~3

2RCRLC2

1

，因此可以通过

RSrbe

2(RE//)CE

1

适当增大旁路电容及耦合电容C1、C2、CE来减小下限截止频率。 8. 负反馈对放大器性能的影响

答：设反馈系数为F，中频电压增益为A，闭环电压增益为Af。

dAfAdAA

1、提高放大倍数的稳定性：由Af=，得。即负反馈使闭=

Af1AFA1AF

环电压放大倍数的相对变化量减小为开环时的2、减小非线性失真。

3、扩展通频带：fHf=(1AF)fH，引入负反馈后，放大电路的上限截止频率提高了(1AF)倍。BWf=(1AF)BW，通频带也提高了(1AF)倍。

4、对于串联负反馈，增大了输入阻抗：Rif=(1AF)Ri；减小了输出阻抗

1

倍，提高了放大倍数的稳定性。

1AF

Rof=

RoRi

。对于并联负反馈：减小了输入阻抗Rif=；增大了输出阻抗

1AF1AF

Rof=(1AF)Ro。

9. 设计一个由基本放大器级联而成的多级放大器， 已知：VCC=12V，Ui=5mV，RL=1KΩ，T为9013

要求满足以下指标：| Au |>100，Ri>1 KΩ，RO

2) 参数选择计算 在基础要求的基础上，通过级联一个共集组态来减小输出阻抗，同时将共集组态较大的输入阻抗作为前一级的负载，提高放大倍数。 上图中Ri2rbe(1)R6||R8390K， 所以第一级的放大倍数为：Au1

(Ri2||R1)

rbe



2452.6

182.78

3.485

第二级放大倍数为：Au2

(1)R6||R8386.6

0.99

rbe(1)R6||R8390

总的放大倍数为AuAu1Au2181.2

3) 仿真结果

CH1为源信号Us； CH2为输入信号Ui； CH3为输出信号Uo.

由仿真结果看输入为5mV时输出为873mV，放大倍数为174.6，与理论数值接近。 幅频特性仿真图：

相频特性仿真图：

三、实验内容 1. 基本要求：

图3-3 射极偏置电路

1) 研究静态工作点变化对放大器性能的影响 (1) 调整RW，使静态集电极电流ICQ=2mA，测量静态时晶体管集电极—发射极之间电压UCEQ。

记入表3-3中。

(2) 在放大器输入端输入频率为f=1kHz的正弦信号，调节信号源输出电压US 使Ui=5mV，

测量并记录US、UO和UO’（负载开路时的输出电压）的值并填于表3-1中。注意：用双踪示波器监视UO及Ui的波形时，必须确保在UO基本不失真时读数。 (3) 根据测量结果计算放大器的Au、Ri、Ro。

实验结果分析：

由实验数据可以看出大多数参数的实验值与理论值的误差较小，误差还是在允许范围内，只有UO’、Ri等误差较大。而输入输出阻抗误差较大是因为在小信号输入下信号的偏差和干扰均较大，同时电阻本身不是精密电阻，与理论值有一定偏差，这造成了静态工作点其他测量值的偏差。

2) 观察不同静态工作点对输出波形的影响

(1) 改变RW的阻值，使输出电压波形出现截止失真，绘出失真波形，并将测量值记录表3-2中。

(2) 改变RW的阻值，使输出电压波形出现饱和失真，绘出失真波形，并将测量值记录表3-2中。

（实验提示：测量截止失真波形时可以加大输入信号幅度）

输入信号

输出信号

图1 截止失真输入输出波形

输入信号

输出信号

图2 完全截止失真输入输出波形

输入信号

输出信号

图3 饱和失真输入输出波形

输入信号

输出信号

图4 完全饱和失真输入输出波形

实验结果分析：

1、由实验数据可以发现静态工作点ICQ升高或Uce减小时，容易出现饱和失真，而静态工作点ICQ降低时或Uce增大时容易出现截止失真。

2、实验中通过在R1上串联1M欧电阻来降低基极电位从而减小ICQ实现完全截止失真。通过将R1短路来实现完全饱和失真。饱和失真和截止失真可以分别看成完全饱和与完全截止到放大区中间的过渡阶段。

3、根据实验结果和理论分析可知在选择静态工作点时，因尽量选在0~VCC/RC

中间的位

置，尽可能避免失真出现。

3）测量放大器的最大不失真输出电压

分别调节RW和US，用示波器观察输出电压UO波形，使输出波形为最大不失真正弦波。测量此时静态集电极电流ICQ和输出电压的峰峰值UOP-P。

带负载时测量 ICQ=，UOP-P =实验波形：

输入信号

输出信号

实验结果分析：

1、上图已经有点失真，但已经是相对比较适当的一个状态了。当ICQ=2.069mA时，得到最大不失真输出UOP-P = 5.28V，再增大输入信号源电压Us即同时出现饱和失真和截止失真。

2、在选取静态工作点时，调节R1的值，应尽量选在这个值附近，以保证能够对比较大的信号进行放大而不出现失真。 4) 测量放大器幅频特性曲线

（1）使用扫频仪测出放大器的幅频特性曲线并记录曲线，读出下限频率fL、上限频率fH。

幅频特性曲线：

分析：由图可知中频电压增益为40.33dB，而实验测得电压放大倍数为-94。计算可知，

20lg|94|39.46dB，两者接近，表明实验结果一致。同时可知下限截止频率为

fL=59Hz，上限截止频率为fH=580kHz，频带宽度为BW580kHz。满足电路要求的

fL100Hz，fH100kHz。

（2）调整ICQ=2mA，保持Ui=5mV不变，完成以下内容，计入表3-3中： (I) 参考（1）中测得曲线，分别在低频区（取fL）、中频区（任取）和高频区（取fH）

各取一点测量UO值，记录下限频率fL、上限频率fH，计算带宽BW。

表1 放大电路的幅频特性

分析：扫频仪测得的下限截止频率为59Hz，而上面有示波器测的下限截止频率约为140Hz，两者有较大误差。原因在于示波器在低频段小信号放大时受到的干扰较大，输出信号不稳定。

(II) 输入Ui=5mV，f=fL，用示波器双踪显示输入输出波形，记录波形，并测量两者间的

相位差Φ；

(III) 输入Ui=5mV，f=fH，用示波器双踪显示输入输出波形，记录波形，并测量两者间的

相位差Φ。

带宽BW = 580KHz 实验结果分析：

实际测得的相位差偏差较大，可能是由于中频和下限频率的测量有偏差。 f=fL时的输入输出波形图：

f=fH时的输入输出波形图：

5） 负反馈对放大器性能的影响

在实验电路图3-3中增加反馈电阻RF=10Ω，构成电流串联负反馈放大器, 如图3-4所示。调整ICQ=2mA，测量该电路的增益Au、输入阻抗Ri、输出阻抗RO、下限频率fL、上限频率fH、带宽BW，填入表3-4中，并和前面实验的测量结果进行比较。

图3- 4 电流串联负反馈放大电路

实验结果分析：通过比较实验1）、4）的结果可以看出：引入串联负反馈后，电路的放大倍数减小；输入阻抗变大；放大倍数的实验误差减小，放大倍数的稳定性提高。只是电路的 输出阻抗应该减小，而实验测得的数据有一定偏差。

引入负反馈后的幅频特性如下：

分析：通过比较两次的 幅频特性曲线可知，电压放大倍数由40.33dB减小为39.25dB。即放大倍数减小了1.13倍。而上限频率由580KHz增大为680KHz，增大了1.17倍，下限截止频率由59Hz减小为56Hz，减小了1.05倍。这三者的变化基本满足负反馈的理论结果，与预习思考中第8点所述一致。

2．提高要求

设计一个由基本放大器级联而成的多级放大器，RL=1KΩ，要求满足以下指标： | Au |>100，Ri>1 KΩ，RO

写出具体设计过程，计算电路参数以及Au、Ri和RO 的理论值。设置合适的静态工作点，在放大器输入端输入频率为f=1kHz的正弦信号，调节信号源输出电压US 使Ui=5mV，用示波器双踪显示Ui、Uo的波形，在输出波形不失真的情况下，记录波形，测量US、UO和UO’（负载开路时输出电压）并计入表3-5中。根据测量结果计算放大器的Au、Ri、Ro，与理论值比较。

1）设计过程

思路：在基础要求的基础上，通过级联一个共集组态来减小输出阻抗，同时将共集组态较大的输入阻抗作为前一级的负载，提高放大倍数。

参数计算见预习部分。 2）双踪显示输入输出波形图：

接负载时的输入输出波形为：

输入信号

输出信号

不接负载时的输入输出波形为：

输入信号

输出信号

3）实验结果分析：

由实验结果可知多级放大器级联可以达到增大放大倍数，提高输入阻抗，减小输出阻抗的效果。而且电路的稳定性和频带宽度等一系列参数都得到了改善。但是同时发现实验测得的各数据误差较大，可能是级联时两极间的互相影响以及一定的干扰引起的。所以在设计放大器级联时应注意各级之间的相互干扰。 4）总结多级放大器的设计方法

1、放大器级联时各级之间的耦合方式主要有阻容耦合、变压器耦合及直接耦合三种。阻容耦合、变压器耦合时各级的静态工作点相互独立，但是这两种方式不利于集成。而直接耦合时各级的静态工作点相互影响，直接耦合便于大规模集成。

2、级联放大器的性能指标计算

一个N级放大器的总的电压放大倍数可以表示为：AuAu1Au2Aun

多级放大器的输入阻抗即第一级放大器的输入阻抗，前提是将第二级的输入阻抗作为第一级的负载。

多级放大器的输出阻抗即最后一级放大器的输出阻抗，前提是将前一级的输出阻抗作为最后一级的信号源内阻。

3、放大器级联时，第一级的温漂对整个系统的影响最大。所以一般第一级采用差分放大电路。

4、共射放大组态的高频特性不好，可以利用共基组态输入阻抗较小的特点作为共射组态的负载来提高其高频特性。

5、共集组态的输出阻抗最小，可以作为输出级来提高整个放大器的带负载能力。