实验一 单级放大电路的设计与仿真
一、实验目的
1）掌握单级放大电路在仿真软件中的设计。
1）掌握放大电路与静态工作点的调整和测试方法。
2）掌握放大电路的动态参数的测试方法。
3）观察静态工作点的选择对输出波形及电压放大倍数的影响。
二、实验要求
1.设计一个分压偏置的单管电压放大电路，要求信号源频率10kHz(峰值1mV) ，负载电阻3.9kΩ，电压增益大于70。
2.调节电路静态工作点(调节偏置电阻)，观察电路出现饱和失真和截止失真的输出信号波形，并测试对应的静态工作点值。
3.调节电路静态工作点(调节偏置电阻)，使电路输出信号不失真，并且幅度最大。在此状态下测试：
①电路静态工作点值；
②三极管的输入、输出特性曲线和 、 rbe 、rce 值；
③电路的输入电阻、输出电阻和电压增益；
4.电路的频率响应曲线和L f 、H f 值。
三、实验步骤
1.单级放大电路的原理图及原理
图1.1单级放大电路原理图
放大电路的原理图如上，该电路为一个分压偏置单级共射放大电路，其中信号源为10kHz （峰值为5mV ），该电路的负载为8k Ω。输入输出信号都是通过耦合电容连接信号源和负载的，这样做可以使得静态工作点不受负载和信号源的影响。该电路利用R4和R5从而稳定住三极管基极的电压值。引进了的电容C3对三极管的静态工作点没有影响，而在三极管的动态分析时可以将R2的作用忽略，使得小信号分析更加的简便。分压偏置的电路中引入了一个电位器R6，目的是为了在实验中便于修改三极管的静态工作点。
2.电路的截止失真和饱和失真
（1）电路的饱和失真
调节电位器R6，可以改变三极管的静态工作点，当R6值为1%时（0.7k Ω）在虚拟示波器中可以观察到输出波形明显的出现了饱和失真的现象，输出波形如图1.2所示。利用Multisim 的“直流工作点分析”功能可以测出三极管的静态工作点。由于软件本身的限制，无法直接读取三极管的Vce 值。为了解决这个问题，实验中添加表达式测量项b e V V （本实验电路中的表达式为“V(3)-V(2)”）来表示Vce ，测量结果如图1.3所示。
图1.2输入波形和饱和失真的输出波形
图1.3饱和失真时三极管的静态工作点值
电路输出波形发生饱和失真的原因是由于三极管进入了饱和区。当输入信号正半周的部分波形进入晶体管的饱和区，三极管的放大能力不够使得波形出现了失真。并且共射电路输入和输出信号存在着180°的相位差，所以从图上我们可以看到波形的
失真发生在输出波形的负半周。如果画出负载线图形就会发现饱和失真时，静态工作点Q过高，为了解决饱和失真，可以降低Q点，即减小Vb或者增大Vc（在本实验中调节电位器R6就是采用调节Vb的方法）。
（2）电路的截止失真
调节电位器R6，当R6的值为74%时（51.8 kΩ）输出波形发生了截止失真，如图1.4，截止失真的静态工作点值如图1.5。由于通过观察输出波形无法判断是否发生了截止失真，因此采用以下两种方法来判断输出信号是否发生了截止失真。
①观察Vce的直流电压值，当电压值接近Vcc时（本实验指12V）电路发生了截止失真。
②观察输出信号的交流电压值，当输出电压小于等于输入信号的交流电压值时，输出信号发生了截止失真。
图1.4输出信号发生截止失真时的波形图
图1.5电路发生截止失真时的静态工作点值
因为三极管进入了截止区工作，从而引起了输出波形的截止失真。若用图解法分析，晶体管的静态工作点Q设置较低时，由于输入信号的叠加有可能使叠加后的波形一部分进入截止区，这样就会出现截止失真，NPN型三极管共射极放大电路的截止失真的表现是输出电压的顶部出现削波，PNP型三极管的共射放大电路的截止失真是底部失真（本实验中理论上应出现顶部削波但是现象并不明显）。
三极管的输出和输入正好是反过来的，即反相输出。假设输入的是正弦波，静态工作点正好合适，即静态工作点电压是正弦波电压峰峰值的一半，那么当输入的波形是正半周时，输出电压波形正好和负半周期波形是一样的;当输入的波形是负半周时，输出电压波形正好和正半周期波形是一样的。如果静态工作点电压大于输入波形的峰峰值的一半，那么当输入的波形是正半周时，快到峰值时，三极管就会处于饱和状态，那么此时的输出就不再随输入变化了，出现了饱和失真;即输出得到的负半周正弦波波形就没有谷底了.反之，当输入的波形是负半周时，快到谷值时，三极管就会处于截止状态，那么此时的输出就不再随输入变化了，出现了截止失真;即输出得到的正半周正弦波波形就没有峰值了，我们称之为截止失真。Q点设置过低造成的截止失真属于输入端失真，所以只能从输入端解决。解决方法有增大Vb(本实验中采用减小电位器R6值)。
（3）电路最大不失真
①电路的输出波形与静态工作点
当R6的值为5%时（3.5kΩ）电路出现最大不失真状态，输出信号的波形如图1.6所示，静态工作点值如图1.7所示。
图1.6最大不失真时输出信号的波形
图1.7最大不失真时静态工作点值
②静态工作点下β，rbe，rce值的求解
用实验的三极管重新设计两个电路用以测量β，rce，rbe的值如图1.8和图1.9
所示。
图1.8输入特性曲线分析电路图1.9输出特性曲线分析电路
利用Multisim的“直流扫描”功能，可以分别画出三极管的输入/输出特性曲线图。从而求出β，rce，rbe。现在画出输入特性曲线如图1.10。
图1.10输入特性曲线
为了测量rbe的值，选取静态工作点附近的两个曲线上的点，测量出rbe的值，如下图。
图1.11曲线静态工作点附近测量 图1.12静态工作点附近的测量值 下面计算rbe 的值：
570.3896| 1.4047406.0659BE be Q B v V r k i nA
μ∆==≈Ω∆ 利用输出特性曲线可以计算β和rce 的值。曲线图及计算过程如下：
图1.13不同ib 时的输出特性曲线
图1.14曲线的测量值
下面计算β：
4.8632 1.4235|171.98520C Q B i mV mV i A
βμ∆-===∆ 利用输出特性曲线在静态工作点Q 附近的值，可以算出rce ，如下图。
