实验二 晶体三极管放大电路特性分析和研究
一、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．熟悉仿真软件Multisim的直流工作点分析、交流分析、温度扫描和参数扫描分析方法； 3．熟悉便携式虚拟仿真实验平台，掌握基本功能的使用方法； 4．通过软件仿真，了解晶体三极管输入特性和输出特性； 5．通过软件仿真和硬件实验验证，观测晶体三极管放大电路输出波形与静态工作点的关系，理解静态工作点在晶体管放大电路中的作用，加深对截止失真和饱和失真的认识； 6、通过软件仿真和硬件实验验证，掌握晶体三极管静态工作点分析和设计方法； 7、信号源内阻对放大器性能的影响。
8、掌握放大器电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、频率特性的测试方法。 9、熟悉常用电子仪器的使用。 二、实验预习：
复习有关单级放大电路的内容，熟悉基本原理、性能参数及各元件作用。根据图2.1所示的电路，双极型晶体管2N3904的β≈120，VBE(on)=0.7V。计算Q1的各极直流电流、直流电压和该单级放大器的电压增益Av。设电位器调整到25%。填入表2.1计算栏。
图2.1 晶体三极管静态工作点分析电路 表2.1 晶体三极管2N3904静态工作点(R2=20K?)
基极电流IB(μA) 集电极电流IC(mA) 集电极电压(V) 发射极电压(V) 工作区域 电压增益Av 计算值 仿真值 实测值 NULL 三、实验设备 便携式虚拟仿真实验平台（PocketLab、元器件）、+5V直流稳压电源、数字万用表、信号发生器DF1642C、交流毫伏表DF2710B、双踪数字示波器CS-4125A。
四、实验内容： （一） 仿真实验
1．根据图2.2（a）所示电路，在Multisim中进行仿真分析，得到晶体管的输出伏安特性。
图2.2 二极管伏安特性实验电路
(a) IV分析仪与三极管的连接；(b) 用IV分析仪测得的三极管输出伏安特性曲线
仿真任务：二极管选取型号2N3904，用IV分析仪对晶体管的伏安特性进行测量。
仿真设置：根据图2.2（b）所示，点击Sim_Param设置电压扫描范围和电流范围，三极管V_ce两端电压范围为0~6V，步进50 mV，I_b电流范围为10μA~10 μA，共10步，如图2.3所示。然后运行Run，可得图2.2（b）。点击鼠标右键，弹出菜单，选择select trace ID，弹出如图2.4所示下拉菜单，选择所要的I_b，然后移动测量线，便可读出V_ce值和I_c值，填入表2.2中。根据测得值计算电流放大倍数，填入表中。
图2.3 模拟参数设置
图2.4 select trace ID界面
表2.2 不同基极电流下的集电极电流和放大倍数
I_b值 1μA 2μA 3μA I_c值 βo值 β值 4μA 5μA 6μA 7μA 8μA 9μA
2. 根据图2.1所示电路形式，在Multisim中搭建晶体三极管2N3904的直流偏置电路。
仿真设置：Simulate → Analyses → DC Operating Point…，在弹出窗口中（如图2.5）选择需要列出的静态工作各节点电压和各支路电流，然后点击Simulation，进行直流工作点分析。在弹出的直流工作点窗口(如图2.6)的菜单中选取Tools，再选取Export to Excel，可将输出结果转入到EXCEL中，并填入表2.1中的仿真栏。或者运行Run，直接读取XMM1、XMM2、XMM3显示的数值，可知基极、集电极和发射极的电压。
图2.5 选取直流工作点
图2.6 保存直流工作点
3．根据图2.1所示电路形式，在Multisim中搭建晶体三极管2N3904单级放大电路。加入峰峰值=5mV，频率=1kHz的正弦波。调整电位器的值约为25%处。 仿真设置：Simulate → Run。
结果查看：采用Agilent示波器XSC1，查看输入、输出两路波形。双击示波器XSC1器件，出现如图2.7所示的示波器界面。调整2个通道的显示方式，将它们的波形显示出来，并采用如图所指的测量工具，测试输入，输出波形的峰峰值，计算得到电压增益Av，填入表格2.1。
图2.7 Multisim 安捷伦示波器
4．在保持电路工作状态不变的情况下，改变输入信号幅度峰峰值，取Vinpp=5mV，
Vinpp=10mV，Vinpp=20mV，Vinpp=30mV，Vinpp=40mV，重新进行瞬态仿真和频谱分析，截取各输入条件下的输入输出波形图和频谱分析图，填入表2.3。此时在输出端接上频率分析仪如图2.8所示。
图2.8 电路接入频谱分析仪 表2.3 不同输入情况下的输入输出波形图
瞬态波形图 Vinpp=5mV 瞬态波形图 Vinpp=10mV 瞬态波形图 Vinpp=20mV 瞬态波形图 Vinpp=30mV 瞬态波形图 频率分析 频率分析 频率分析 频率分析 频率分析 Vinpp=40mV 思考题：请说明不同输入情况下的输出波形有何差异，并尝试解释其原因。
5.在保持输入信号Vinpp=10mV的情况下，将图2.1中的电位器调到10%，可观察到如图2.9所示的波形。试问此时输出波形的失真为何失真？其原因是什么？
图2.9 放大器输入、输出波形
将图2.1中的电位器调到60%，可观察到如图2.10所示的波形。试问此时输出波形的失真为何失真？其原因是什么？
图2.10 放大器输入、输出波形
6. 将图2.1中的电位器调到25%，从小到大调节输入信号的幅度，直到输出波形出现失真，
此时的输入信号应该是放大器处于目前状态的最大信号，即输入信号的动态范围。
7. 取输入信号仍为Vinpp=5mV，在信号源上串联一个电阻R8，表征信号源内阻，如图2.11所示。取该电阻为50Ω、1kΩ和13kΩ重新进行仿真， 截取不同电阻情况下的输入输出波形图，并估算源电压增益Avs，填入表2.4。
图2.11 信号源内阻
表2.4 不同信号源内阻的输入输出波形图
源电压增益Avs= R=50? 源电压增益Avs= R=1k? 源电压增益Avs= R=13k? 8．将R4用用200?和400?的两个电阻串联，且将旁路电容C3接在节点9和地之间，得到如图2.12所示电路。重新仿真，观察到什么现象？为什么？改变输入信号幅度，重新获得不失真波形，并测得此时的电压增益，与原电压增益比较，得到何种结果？请解释原因，并将两种增益值填入表2.5。
图2.12 改变C3的位置
表2.5 CE1不同接法时的放大器增益
放大器增益AV C3接于9-0 CE1接于10-0 （二）基于便携式虚拟仿真平台的硬件实验
本实验采用便携式虚拟仿真实验平台和实验室里提供的设备对电路进行有关性能测量。具体步骤如下： 1．电路连接
首先根据图2.14在面包板上搭试电路，并将PocketLab的CN2中直流输出端+5V和GND与电路的电源、地节点连接；PocketLab的CN1中信号输出端S0或S1作为电路的输入信号接C2左侧（也可以用1端口）；PocketLab的CN1中输入端C1和C2分别接到电路输入信号端和电阻R5，分别测试输入输出两路信号。所有连接如图2.14所示。注意电位器调节到约25%处，即1-3的电阻为35k?。
图2.14 硬件连接示意图
2．节点电压测量
用USB接口线将PocketLab与计算机相连，将PocketLab的CN1中输入端C1和C2与Q1的基极和发射极相连，闭合PocketLab电源开关，在电脑中打开“虚拟实验室”，点击电源开关置“ON”，如显示连接正常，表明PocketLab正常工作。然后在Function功能中选择直流电压表，在主面板选择直流电压表界面，设定C1、C2的直流偏置为零，点击Set完成设置；点击ON/OFF开关，处于ON状态，上方将实时显示C1、C2信号的直流电压，可检查晶体管基极和发射极电压是否合适。同样将PocketLab的CN1中输入端C1和C2与Q1的基极和集电极相连，用直流电压表测量它们的电压，以检查电压值是否合适，确保电路搭试正确。
3．输入信号产生
将PocketLab的CN1中输入端C1和C2分别接到电路输入信号端和电阻R5相连，在PocketLab的主面板中选择信号发生器，出现信号发生器界面如图2.15所示，选择输出信号波形为正弦波，频率为1kHz，信号幅度Vpp为5mV，DC Offset=0V。点击按钮Set，正弦波信号将输出到电路输入端。
图2.15 信号发生器界面
4．输入、输出交流波形测试
在PocketLab的Function功能栏中选择示波器，在主面板中选择示波器，出现如图2.15所示的示波器操作界面。选择合适的时间和电压刻度，显示三极管单级放大器的输入、输出波形。并在窗口中直接读出其输入输出波形的峰峰值，获得其电压增益，填入表格2.6，比较计算值，仿真值和测试值是否一致。
图2.22 示波器波形显示 表2.6 晶体三极管放大器增益
放大器增益AV 计算值 仿真值 实测值 5、观察放大器输出随输入信号幅度变化
根据仿真情况，从小到大逐渐改变发生器所产生信号的幅度，用PocketLab的示波器界面，选择合适的时间和电压刻度，显示三极管单级放大器的输入、输出波形。 6、观察实际的截止失真和饱和失真
根据仿真结果，调节电位器R6，让放大电路工作在截止状态或饱和状态，用PocketLab的示波器界面，选择合适的时间和电压刻度，显示三极管单级放大器的输入、输出波形。 （三）基于实验室的实测实验 1、电路连接
将图2.14在面包板上搭试电路与PocketLab脱离，用直流稳压电源+5V输出端接到该电路的+5V，电源的地端接到该电路的接地处。将信号发生器输出端接到放大电路输入端；示波器的CH1和CH2分别接放大电路的输入端和输出端，分别测试放大电路的工作状态。注意电位器调节到约25%处，即1-3的电阻为35k?。这样基于便携式虚拟仿真的实验与实验室的实验电路状态是一样的，便于不同实验条件下结果的比较。 2、电压放大倍数测量
在放大器输入端加入频率为1kHz的正弦波信号vi，调节函数发生器的输出信号幅度旋钮使放大器输入电压的峰-峰值约为10mV，同时用示波器观察放大器输出信号波形。在输出波形不失真的情况下，用交流毫伏表分别测量表2.7三种情况的输入端信号幅值V（有效i值）和输出信号幅值Vo（有效值），并用示波器观察输入信号和输出信号的相位关系。测量数据记录表2.7中。
表2.7 电压放大倍数测量数据
R3/k? 3.3 2 3.3 RL/k? ∞ ∞ 10 Vi/mV Vo/mV Av 输入信号vi和输出信号vo波形 3、输入、输出电阻测量
输入电阻和输出电阻是放大器的重要性能指标，输入电阻可以反映放大器从信号源获取信号的能力。为了测量放大器的输入电阻，按图2.23所示电路在被测放大器与信号源之间串接一个已知电阻，输入交流电压，在放大器正常工作的情况下，用交流毫伏表测出Vs和Vi，则根据输入电阻的定义可得
Ri?ViViVi??RIiVRVs?Vi
R只要测得Vs、Vi，且已知电阻R，就可测得输入电阻Ri。注意，电阻R的取值不宜过大或过小，否则会产生较大测量误差。通常取R与Ri为同一数量级为好。
IiRVRVsViRi放大器RoVoK信号源Vo(VL)RL
图2.23 放大器输入电阻与输出电阻测量原理电路
对于输出电阻Ro的测量，根据图2.23所示电路，在放大器正常工作的条件下，用毫伏表测出输出端不接负载RL的输出电压Vo和接入负载后的输出电压VL，则根据
VL?即可求得输出电阻
RLVoRo?RL
Ro?(Vo?1)RL VL在测试过程中，应保持RL接入前后输入信号的大小不变。
根据上述测量原理，在放大器输入端加入频率为1kHz的正弦波信号vs，调节函数发生
器的输出信号幅度旋钮使放大器输入电压的峰-峰值约为10mV，用示波器观察放大器输出信号波形。在输出波形不失真的情况下，用交流毫伏表分别测量信号源输出幅值Vs、输入端信号幅值Vi（有效值）和接入负载时输出信号幅值VL（有效值），断开负载后，测得输出电压Vo。将测得的数据填入表2.8中。
表2.8 输入、输出电阻测量数据
Vs/mV Vi/mV 测量值 Ri/k? 理论值 VL/mV Vo/mV 测量值 Ro/k? 理论值 4、幅频特性曲线测量 放大器的频率特性是放大器电压放大倍数的幅值和相位与输入信号频率f之间的关系曲线。常用通频带BW0.7来表示。通频带则是电压放大倍数随频率下降到中频放大倍数的0.707倍(12)时所对应的上限频率fH和下限频率fL之差。BW0.7=fH-fL。放大器的幅频特性
是通过测量不同频率信号时的放大倍数来实现的。常采用逐点测试方法，每改变一个信号频率，测量其相应的电压放大倍数Av。测量时应注意取点要恰当，在低频段与高频段应多测几个点，在中频段可以少测几点，便于绘出幅频特性曲线。
放大器的相频特性的测试可以通过双踪示波器显示测量相位差。将输入、输出两个正弦波形同时显示在示波器屏幕上，其正弦波周期为T，相位宽度为T1，则相位差φ=T1/T×360°。正确选择频率测试点，通常在测量幅频特性的同时，用示波器监测不同频率点的φ，即可绘出相频特性曲线。
根据幅频特性测量原理，在保持输入信号Vi幅度不变的情况下，改变信号源频率f，逐点测出相应的输出电压值Vo，测量数据填入表2.9中。 表2.9 幅频特性的测量数据 频率f/kHz 输出电压Vo/mV 增益Av=Vo/Vi 为了信号源频率取值合适，可先粗测一下频率f，找出中频范围，然后再仔细测绘找出fL和fH，同时可用示波器监测输入、输出信号的相位差，测量相频特性。
五、实验报告
（1）列出表 整理测量结果，把实测的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的值与理论计算值、仿真值进行比较，分析误差产生原因。并用半对数（频率f取对数）描述幅频和相频特性曲线，分析放大器频谱特性、带宽。
（2）讨论静态工作点变换对放大器输出波形的影响。 （3）分析发射极电阻对放大器波形和增益的影响。
（4）放大器输入信号由小变大过程中，其输出波形出现失真，从频谱结构来看，分析这失真是属于什么性质的失真。
（5）信号源内阻对放大器的增益和波形有什么影响？对于电压源输入和输出的放大器，从中可得出什么结论？
（6）谈谈将便携式虚拟仿真实验与实验室试验结合模式的看法和体会。