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《模拟电子技术》精品课程


SIPIVT 《模拟电子》

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精品课 《模拟电子技术》 模拟电子技术》 程

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单元 1 晶体二极管的特性与应用
1.1 理论:半导体物理的基本知识和晶体二极管的特性 理论:半导

体物理的基本知识和晶体 晶体二极管的特性 1.2 实验:晶体二极管的伏安特性测试和简单应用 实验:

单元 2 晶体三极管的特性
2.1 理论:晶体三极管的输入、输出特性 理论:晶体三极管的输入 的输入、 2.2 实验:晶体三极管的输入、输出特性测试 实验:晶体三极管的输入、

单元 3 晶体三极管共发射极基本放大器
3.1 理论:晶体三极管共发射极放大器的性能指标和分析方法 理论:晶体三极管共发射极放大器的 共发射极放大器的性能指标和分析方法 3.2 实验:晶体三极管共发射极基本放大器性能指标测试 实验:晶体三极管共发射极基本放大器 共发射极基本放大器性能指标测试

单元 4 晶体三极管共集电极基本放大器
4.1 理论:射极跟随器的性能指标分析 理论: 4.2 实验:射极跟随器的性能指标测试 实验:

单元 5 晶体三极管多级放大器
5.1 理论:多级放大器的耦合方式和分析方法 理论: 5.2 实验:阻容耦合两级放大器的性能指标测试 实验:

单元 6 负反馈放大器
6.1 理论:反馈组态的判断和负反馈对放大器性能的影响 理论:反馈组态的判断和负反馈对放大器性能的影响 负反馈对放大器 6.2 实验:电压串联负反馈对放大器性能的影响 实验:

单元 7 正弦波振荡器

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7.1 理论:正弦波振荡器的起振条件和平衡条件 理论:正弦波振荡器的起振条件和平衡条件 7.2 实验:RC 分立元件文氏电桥正弦波振荡器 实验: 分立元件文氏电桥正弦波振荡器

单元 8 差分放大器
8.1 理论:差分放大器的工作原理和性能指标 理论: 8.2 实验:差分放大器的性能指标测试 实验:

单元 9 集成运算放大器
9.1 理论:集成运算放大器的理想化条件和应用 理论: 9.2 实验:集成运算放大器的应用 实验:

单元 10 功率放大器
10.1 理论:甲、乙类功率放大器的工作原理和性能指标 理论: 10.2 实验:OTL 功率放大器的性能指标测试 实验: 功率放大器的性能指标测试

单元 11 直流稳压电源
11.1 理论:直流稳压电源的工作原理和性能指标 理论: 11.2 实验:串联直流稳压电源的性能指标测试 实验:串联直流稳压电源的性能指标测试

单元 12 场效应管的特性及放大电路
12.1 理论:结型场效应管的特性曲线和性能指标 理论:结型场效应管的特性曲线 场效应管的特性曲线和 12.2 实验: 实验: 结型场效应管特性曲线和放大电路性能指标的测试 结型场效应管特性曲线和放大电路性能指标的测试 场效应管特性曲线和放大电路性能指标的

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单元 1 晶体二极管的特性与应用
1-1 理论:半导体物理的基本知识和晶体二极管的特性 理论:

1-1.1 半导体物理的基本知识
导电性能介于导体与绝缘体之间的材料,称为半导体。由硅或锗等元素组成的单 晶称为本征半导体。 价电子得到能量,摆脱共价键的束缚,成为自由电子,该过程称为本征激发。本 征激发产生电子-空穴对;本征激发过程中,激发和复合两种作用是并存的。能够运 载电荷的粒子称为载流子。半导体中有两种载流子-电子和空穴。两种载流子浓度相 等。 本征半导体经过掺杂后就成为杂质半导体,分为N型和P型半导体。在本征半导 体中掺入微量五价元素,通过施主电离就形成N型半导体,电子为多子,空穴为少子; 在本征半导体中掺入微量三价元素,通过受主电离就形成P型半导体,空穴为多子, 电子为少子。利用掺入相反性质的杂质来改变杂质半导体类型的过程称为杂质补偿, 它是制造PN结的基本方法。 在电场作用下载流子的定向运动称为漂移运动,由此产生的电流称为漂移电流; 在浓度差作用下载流子由浓度大的地方向浓度小的地方运动称为扩散运动,由此产生 的电流称为扩散电流。当P型半导体和N型半导体结合为一体时,在交界面形成的特 殊薄层称为PN结。扩散运动使交界处的N区、P区分别带正负电荷,形成空间电荷 区,建立内电场,扩散减弱,漂移加强,平衡后形成PN结。 PN结结电容包括阻挡层电容CT和扩散电容CD。

1-1.2 晶体二极管的特性
PN结具有单向导电性。 通过二极管的电流I与其两端电压U的关系曲线为二极管的伏安特性曲线。正向 特性和反向特性有很大区别。二极管的伏安特性方程: I = I S (e
qU kT

1) ,在常温下,

kT ≈ 26mV ,称为温度电压当量。 q

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1-1.3 晶体二极管的微变等效
二极管的交流电阻 rD =

u D 26mV , rD = 。 i D ID

1-2 实验:晶体二极管的伏安特性测试和简单应用 实验:

1-2.1 实验目的
1、认识二极管,并能用万用表测试其极性; 2、学会正确使用常用仪器; 3、测试二极管的单向导电性、伏安特性曲线以及在整流方面的应用。

1-2.2 实验内容和步骤
1、用指针万用表测试二极管 1N4148 和 1N4004 的正反向电阻;用数字万用表测试它 们的正向导通电压。数据记录在下表中。 仪器 档位 R×10 R×100 R×10K 1N4148 正向导通电压 1N4004 正向导通电压 数字万用表 2、测试二极管的伏安特性曲线 2.1 正向特性 如图 1 连接电路,电源电压设为 5V;调节电位器,使电压表读数如表格中所列, 读出对应的毫安表数值并记录在表格中。 U(V) 0.02 0.08 0.2 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 I(mA)
R + +5V Rp 1k 1k V V 1N4004 mA

正向电阻 1N4148

反向电阻 1N4148

正向电阻 1N4004

反向电阻 1N4004

指针万用表

R + +24V 200 Rp 10k V

A

图1 正向特性测试

图2 反向特性测试

V 1N4004

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2.2 反向特性 如图 2 连接电路,电源电压设为 24V;调节电位器,使电压表读数如表格中所列, 读出对应的微安表数值并记录在表格中。 V(V) 3 9 18 24 I(μA) 2.3 根据以上表格的数据作出被测二极管的伏安特性曲线 1N4004 图;写出该二极管的开启电压、管压降、反向饱和电流;在 c 信 图中任选一点,作出该点的交流电阻线。 a 信 3、二极管的简单应用 R 信 3.1 整流电路 10k 如图 3 连接电路,信号发生器产生幅度合适、频率为 信 b d 信 1kHz 的正弦波;用示波器观察 ab 之间和 cd 之间的波形并 图3 整整输型 记录。 3.2 稳压管稳压电路 如图 4 连接电路,调节电源电压 0V—10V,用电压表测量 cd 两点之间的电压并 记录。 1V 2V 3V 4 5V 5.5V 6V 6.5V 7V 8V 9V 10V 电源电压 cd 间电压

直 c 整 a+ 1k 集 2DW7 集 bd 场 图4 集集输型

R

直 整 a+ 200 集 集 b场

R

Rp 1k

mA V LED

图5 信发发场场发三输型

3.3 发光二极管显示电路 如图 5 连接电路,改变电位器的 阻值,观察发光两极管亮度的变化, 记录 mA 表和 V 表的数值(数据自 选) 。

mA V 二极管亮度

1-2.3 实验器材
序号 1 2 3 4 5 6 名称 模拟电子电路实验系统 直流稳压电源 双踪示波器 数字(或指针式)万用表 信号发生器 晶体管毫伏表 数量 1 1 1 1 1 1 备注 SIPIVT-AⅡ HY3003D-3A VP5220D M9803 EE1641B1 TC2172

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1-2.4 预习要求
1、复习二极管的特性、结构及伏安特性曲线。 2、了解稳压二极管、发光二极管的特性及应用范围。 3、自拟本实验有关数据记录表格。

1-2.5 实验报告要求
1、整理实验数据,作出二极管的正向、反向特性曲线。 2、画出半波、全波整流电路图。 3、阐述用万用表测试二极管的简单步骤和方法。

思考题
1、为什么指针万用表不同档位测试二极管的正向电阻值不同?如何判断一个未知极 性的二极管极性? 2、从哪些方面可以分别硅 Si 二极管和锗 Ge 二极管? 3、一个 1.5V 的干电池,以正向接法直接接到一个二极管的两端,会出现什么问题? 4、设图中的二极管 D 均为理想二极管,试通过计算判断它们是否导通?
R1 6k D BT1 10V R2 4k R4 1k R6 1k R3 4k R5 1k BT2 20V BT1 10V R2 4k R4 1k R6 1k R1 6k R3 4k D BT2 20V BT1 10V R2 2k R4 5k R6 10k R5 9k R1 18kD R3 R5 20k 140k BT2 15V

5、如图硅二极管电路中,输入交流信号 ui=5mV,问输出交流电压 uo 为多少?

C 25 ui

V 6V uo

5.1k

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单元 2 晶体三极管的特性
2-1 理论:晶体三极管的输入、输出特性 理论:晶体三极管的输入、

2-1.1 内部载流子的流通
三极管具有正向受控作用,发射结加正向偏置电压,集电极加反向偏置电压。发 射区向基区注入电子,注入电子在基区中扩散与复合,集电极收集扩散到集电极的电 子。图 6 为 NPN 型晶体三极管内部载流子传输示意图。

N I En E

+

P

N I Cn1 C I Cn2 IC

IE

IEp

I BB

I Cp

R1

E1

B

IB E2

R2

图6 三场场 三三整三三输三三图

2-1.2 直流电流传输方程 直流电流传输方程
1、 I B = (1 α )I E I CBO 2、 I C = α I E + I CBO 3、 I C = β I B + (1 + β )I CBO 4、 I E = (1 + β )I B + (1 + β )I CBO

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α 称为共基极直流电流放大系数: α ≈

IC IE IC IB

β 称为共发射极直流电流放大系数: β =

α 与 β 的关系: α =

β 1+ β

2-1.3NPN 型三极管共发射极的特性曲线。 型三极管共发射极的特性曲线 共发射极的特性曲线。
IC(mA) IB(mA) UCE=0V 0.4 0.2 1 0 0.4 0.6 0.8 UBE(V) 0 2 IB=0μA 截止区 4 6 8 UCE(V) 输出特性曲线 1V ΔIC 2 20μA 4 饱 和 3 区 ΔIB 放大区 80μA 60μA 40μA

输入特性曲线

2-1.4 三极管的主要参数
共基极交流电流放大系数 α =

I C I E I C I B

共发射极交流电流放大系数 β =

集电极—基极反向电流 I CBO ,穿透电流 I CEO = I CBO (1 + β)

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2-1.5 三极管的极限参数
集电极最大允许电流ICM即因IC变大导致β明显下降时对应的IC值; 集电极最 大允许耗散功率 PCM = U CE I C ;反向击穿电压一般指IB=0时C、E极之间的反 向击穿电压,用BVCEO表示。

2-2 实验:晶体三极管的输入、输出特性测试 实验:晶体三极管的输入、

2-2.1 实验目的
1、学会用万用表判别三极管的类别和管脚; 2、掌握测试三极管输入输出特性曲线的方法;

2-2.2 实验内容和步骤 实验内容和步骤
1、用指针万用表判别三极管的类型和管脚 用指针万用表 R×1k档测量已知三极管各管脚之间的电阻。 NPN(9011) PNP(9012) 万用表正极-万用表负极 B-C C-B B-E E-B C-E E-C 2、利用逐点描述法测试三极管的输入、输出特性曲线

+12V R1 1k 9013 10k 100k + V A + Rp1 R2 + V + mA Rp2 10k

图7 场场场场输输集集图

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2.1 按图 7 接线,测量有关数据并记录 0 0.5 (V) VCE IC IC VBE VBE IB(A) (mA) (mA) 10 20 30 40 50

1.0 IC (mA) VBE

5.0 IC (mA) VBE

8.0 IC (mA) VBE

2.2 画出输入特性曲线图和输出特性曲线图。 2.3 判读三极管的输出特性曲线 在放大区自选一点,算出其直流放大倍数、交流放大倍数、CE 之间的直流和交 流电阻。 总结三极管分别工作在饱和区、 放大区和截止区时各电流与电压之间的规律。 2.4 先测量 ICEO,再利用 2.3 中已算出的直流放大倍数计算 ICBO。

9013

- mA + + V Rp 10k +12V

图8 穿穿输整输阻集 集图
按图 8 接线,调节电位器使电压表的电压值为以下数值,并记录有关数据。 1 3 5 6 7 9 10 12 电压值(V) 测量的 ICEO 算出的 ICBO

2-2.3 实验器材
序号 1 2 3 名称 模拟电子电路实验系统 直流稳压电源 数字(或指针式)万用表 数量 1 1 各2 备注 SIPIVT-AⅡ HY3003D-3A M9803(MF47、UT51)

2-2.4 预习要求
1、复习三极管的电流放大概念、型号及其类型。 2、复习三极管输入输出特性曲线。 3、自拟实验记录表格。

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2-2.4 实验报告要求
1、整理实验数据,计算出三极管的β值。 2、画出 NPN 型三极管的输入输出特性曲线。

思考题
1、用指针万用表判断未知三极管的类型,表述判断根据。 2、能否利用步骤 2.2.2.1 中测量得到的数据计算出 ICBO? 3、测量电路中的晶体管,当IB=6μA时,IC=0.4mA,当IB=18μA时, IC=1.12mA,问这个晶体管的 β 是多少?ICBO、ICEO各是多少? 4、在晶体管放大电路中,测得三个晶体管的各个电极的电位如图所示,试判断各晶 体管的类型(PNP或NPN,硅或锗) ,并区分三个极。

② ③ ① ② ③ ① ② ③ 2.7V 6V 2.2V 5.3V 6V -1.4V -1.2V -4V (a) (b) (c) 5、放大电路中晶体管三个电极的电流如图, 1=-1.2mA,I2=-0.03mA, I I3=1.23mA,试判断E,B,C三个极及类型,并求 β 。 ① I1 I2 ②

① 2V



I3

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单元 3 晶体三极管共发射极基本放大器
3-1 理论:共发射极放大器的性能指标和分析方法 理论:共发射极放大器的性能指标和分析方法

3-1.1 放大器的性能指标
放大器将微弱的电信号加以放大,使负载得到所需要的电信号。 1、放大倍数(增益) ①电压增益:Ku=Uo/Ui或Kus=Uo/Us ②电压增益:Ki=Io/Ii或Kis=Io/Is ③功率增益:Kp=Po/Pi=∣UoIo/UiIi∣=∣KuKi∣ 2、输入、输出电阻 输入电阻为放大器对信号源所呈现的负载效应;或由放大器输入端向放大器看进 去的等效电阻,Ri=Ui/Ii。 输出电阻为将放大器的输出端等效为具有内阻的电压源,则电压源的内阻即为放 大器的输出电阻;或由放大器输出端向放大器看进去的等效电阻,Ro=Uo/Io。 3、其它 通频带,非线性失真系数,最大不失真输出电压,最大输出功率与效率。

3-1.2 基本放大器的工作原理
交流信号电压叠加在直流电压上,使晶体管基极、发射极之间的正向电压发生变 化,通过晶体管的控制作用,使集电极电流有更大的变化,它的变量在集电极电阻上 产生大的电压变量,从而实现电压放大。 放大器有三种组态:共基极、共发射极、共集电极。 晶体管的基极静态电流、 电压或集电极静态电流、 电压在特性曲线上所对应的点, 称为放大器的静态工作点。

3-1.3 放大器的分析方法(以共发射极基本放大器为例) 放大器的分析方法(以共发射极基本放大器为例) 分析方法
共发射极基本放大器原理图如图 9。 放大器的图解分析法(静态工作点的确定) :输入回路中 I BQ =

VCC U BEQ Rb



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输出回路中晶体管输出特性曲线(IB=IBQ)与直流负载线的交点。电路参数对工 +V 作点的影响:RB变化;RC变化;VCC变化。 IC(mA) Rc

C2
VCC/RC

Rb C1 + ui V R L

+ uo -

ICQ

Q

图9 复复放放输型 UCEQ VCC UCE(V) 静态工作点对波形失真有影响,静态工作点的选择原则:若ui正负半周等幅, 且幅度较大,则应选在负载线中点;若ui较小,则可选得略低一点。 放大器的等效电路(近似估算)分析法:
1、输入端等效电路:等效为晶体管的输入电阻 rbe ≈ rbb ' + (1 + β) 基区的体电阻,通常取值为 300 。 2、输出端等效电路:等效为受控恒流源,Δic=βΔib。 3、电压放大倍数:A u =

26mV ,其中 rbb ' 为 I EQ

uo R' = β L 、输入电阻:R i = rbe 、输出电阻:R o = R C 。 ui rbe

3-2 实验:共发射极基本放大器性能指标测试 实验:共发射极基本放大器性能指标测试

3-2.1 实验目的
1、掌握共射基本放大电路的静态工作点及放大倍数的测量方法; 2、观察放大电路中,有关参数的变化对放大电路性能的影响; 3、学会测量放大电路的输入输出电阻。

3-2.2 实验内容和步骤
1、按图 10 连接共发射极基本放大电路。 2、测量三极管 T1 的β值 当 Vi=0 时, 调节 RW1 使基极电流 IB1=40A, 然后调节 RW2 使集电极电压 VCE1=6V, 测得集电极电流 IC1;再调节 RW1 使基极电流 IB2=60A, 然后调节 RW2 使集电极电压

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VCE2 =6V,测得集电极电流 IC2。 由公式: β =

I C I C2 I C1 = ,计算出β。 I B I B2 I B1
+12V Rw2 2.2k Rw1 470k R2 20k R1 + mA + Vi C1 A B + mA T1 R L 5.1k + R3 1k C2

Vo

+ Vs -

1k

图 10 复 复 放 放 输 型 集 集 图 3、测量静态工作点 3.1 函数信号发生器产生 1kHz、 10mV (用低频毫伏表测量) 的正弦信号, 接入输入端, 即 Vs=10 mV(正弦有效值) W2 可在最大或最小,调节 RW1 使 VCE1=6V,用示波器 ;R 观察输出信号波形,若有失真,则调节 RW2 使输出信号无失真,然后用万用表分别测 量:VBEQ,VCEQ,IBQ,ICQ。 3.2 关闭电源,断开 A,B 点,用万用表分别测量基极偏置电阻 RB(即 R2+ RW1 )和集 电极电阻 RC(即 R3+ RW2 ),然后计算出 VBEQ,VCEQ,IBQ,ICQ。 3.3 比较测试与计算的结果。 4、测量电压放大倍数 在 3.1 的条件下,当 RL=∞或 RL=5.1k 时分别用低频毫伏表测量输出信号 VO 的有 效值,然后计算出两种情况下的电压放大倍数 AV。 通过理论分析计算出电压放大倍数 AV,并与测试值比较。 5、观察静态工作点对输出信号的影响 5.1 保持 3.1 条件下的静态工作点不变,增大输入信号 Vs,直到输出信号 VO 刚出现削 波失真为止,记录此时的 VO 波形。 5.2 保持已增大的输入信号 Vs 不变,分别调节 RW1 和 RW2,用示波器观察输出信号 VO 的波形,并用万用表测量 VCEQ,记录于下表。 VCEQ 序号 条件 VO 波形 1 RW1 和 RW2 合适,RL=∞ 不失真 2 RW1 和 RW2 合适,RL=5.1k 3 RW1 最大,RW2 合适,RL=∞ 4 RW1 最小,RW2 合适,RL=∞ 5 RW1 合适,RW2 最大,RL=∞ 6 RW1 合适,RW2 最小,RL=∞

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6、测量输入电阻(原理图见图 11) 6.1 理论计算输入电阻 Ri 先关掉电源,去掉 R2 下端的连线(A 点) ,用万用表测量 R2 +RW1 值(即为 Rb) , 然后由式 rbe = 300 + (1 + β)

26(mV) 计算得动态电阻 rbe, 再由式 Ri=Rb//rbe 计算得输 I EQ (mA)

入电阻 Ri。 6.2 间接测量输入电阻 Ri 接入 R1=1kΩ并输入信号 Vs,用低频毫伏表测量上图中的 Vs 和 Vi,然后由公式

Ri =

Vi Vi × R1 = × 1k 计算出 Ri。 Vs Vi Vs Vi

6.3 比较输入电阻 Ri 的理论计算值和间接测量值。 7、测量输出电阻 7.1 理论计算输出电阻 Ro + R1 + 先关掉电源,去掉 R3 下 Ro 1k 端的连线(B 点) ,用万用表 Ri Vi 测量 R3+RW2 值,即为输出电 Vs 阻 Ro。 ' 7.2 间接测量输出电阻 Ro Vo 输入信号 Vs, R1=1kΩ不 接入,当 RL=∞时用低频毫伏 图11 输阻输阻串串图 表测量放大器的输出信号,记 为 VO ,当 RL=5.1k 时再用低频毫伏表测量放大器的输出信号,记为 Vo。
'

+ RL Vo -

Vo' Vo' 由公式 R o = ( 1) × R L = ( 1) × 5.1k 计算出 Ro。 Vo Vo
7.3 比较输出电阻 Ro 的理论计算值和间接测量值。

3-2.3 实验器材
序号 1 2 3 4 5 6 名称 模拟电子电路实验系统 直流稳压电源 双踪示波器 数字(或指针式)万用表 信号发生器 晶体管毫伏表 数量 1 1 1 1 1 1 备注 SIPIVT-AⅡ HY3003D-3A VP5220D M9803 EE1641B1 TC2172

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3-2.4 预习要求
1、掌握基本放大电路的基本组成形式,了解电路哪些参数的变化对电路的性能会有 影响? 2、阅读实验原理和电路。 3、自拟本实验有关数据记录表格。

3-2.5 实验报告要求
1、计算出放大电路的静态工作点,并同实测值进行比较。 2、画出在放大电路参数改变的情况下,输出波形失真图形,并分析其失真的原因。

思考题
1、如图所示电路中,已知 VBB=1V,Rb=24k ,VCC=12V,RC=5.1 k ;晶体管的

rbb ' = 100 ,β=100,导通时的 UBEQ=0.7V。求解:
(1)静态工作点 Q; (2)Au、Ri、Ro。

Rc Rb + VBB ui T + VCC uo

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单元 4 晶体三极管共集电极基本放大器
4-1 理论:射极跟随器的性能指标分析 理论:射极跟随器的性能指标 性能指标分析

4-1.1 原理图
晶体三极管共集电极基本放大器,即射 极跟随器的电原理图如图 12。

Rb + ui VBB

T VCC + uo -

Re

4-1.2 性能指标
电压放大倍数: A u =

图12 射场射射信
uo ( + β)R e 1 = ; u i R b + rbe + 1 + β)R e (

输入电阻: R i = R b + rbe + 1 + β)R e ; ( 输出电阻: R o = R e ∥

R b + rbe 。 1+ β

4-2 实验:射极跟随器的性能指标测试 实验:

4-2.1 实验目的
1、掌握射极跟随器的电路特点; 2、进一步学习放大器各项参数测量方法; 3、了解射极跟随器的应用。

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4-2.2 实验内容和步骤
1、测量静态工作点 Rw1 +12V 1.1 按图 13 连线,函数信号发生器产 + 470k mA 生 1kHz 的信号并接入输入端, 接通电 R2 源,用示波器观察输出信号,改变输 20k C1 T1 入信号幅度,并调节 RW1,使输出信 R1 + mA 号幅度最大且无失真。 1k + A C2 去掉输入信号,用万用表测量直 + 流电流 IBQ、ICQ,然后关闭电源,断开 + Vi A 点, 用万用表测量 Rb (即 RW1+R2) Vs , R3 RL Vo 计算出直流电流 IBQ、ICQ。 1k 2.7k 1.2 比较测试与计算的结果。 2、测量电压放大倍数 图13 射场射射信集集图 函数信号发生器产生 1kHz、1V (用低频毫伏表测量)的信号,接入输入端,测量输出信号并计算出电压放大倍数。 3、用示波器观察输入信号和输出信号相位关系,画出波形图。 4、测量输入电阻 按图连线,函数信号发生器产生 1kHz 的信号,串接 R1=1k 电阻后接入输入端, 在 输 出 信 号 无 失 真 时 , 用 低 频 毫 伏 表 测 量 Vs 和 Vi , 由 公 式

Ri =

Vi Vi × R1 = × 1k 计算出 Ri。关闭电源,断开 A 点,用万用表测量 Vs Vi Vs Vi

Rb,计算出 R i。 5、测量输出电阻 加入输入信号,在输出信号无失真的情况下,空载时用低频毫伏表测量输出电压

Vo' ,负载 RL=2.7k 时用低频毫伏表测量输出电压 Vo,由公式

Vo' Vo' Ro = ( 1) × R L = ( 1) × 2.7k Vo Vo
计算出输出电阻 Ro。 6、测量跟随范围和输出电压的峰峰值 接入负载 RL=2.7k,在 Vi 处输入 1kHz 的正弦波,逐步增大 Vi 直到输出波形刚好 失真(用示波器观察输出波形) ,用低频毫伏表测量此时的 Vi 和 Vo,计算 k=Vo/Vi, 然后用示波器测量此时的输出波形峰峰值 Vop-p,输入信号只有小于 随器才有跟随作用。

VOP P 时,射极跟 k

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4-2.3 实验器材
序号 1 2 3 4 5 6 名称 模拟电子电路实验系统 直流稳压电源 双踪示波器 数字(或指针式)万用表 信号发生器 晶体管毫伏表 数量 1 1 1 1 1 1 备注 SIPIVT-AⅡ HY3003D-3A VP5220D M9803 EE1641B1 TC2172

4-2.4 预习要求
1、复习射极跟随器的工作原理以及电路的特点。 2、进一步复习测试放大电路的静态工作点、放大倍数及输入、输出电阻的方法。 3、掌握射极跟随器的几个特点,并了解其在电子电路中的一般应用。

4-2.5 实验报告要求
1、画出实验电路图,计算静态工作点,并和实测值进行比较。 2、列出实验所测数据,完成电压放大倍数、输入电阻、输出电阻实测值计算,并与 理论计算值比较。 3、通过实验总结射极跟随器的主要特点,并针对这些特点,简要说明射极跟随器的 应用。

思考题
1、如图所示电路中,已知 VBB=6V, VCC=12V,Rb=15k ,Re=5 k ;晶体管的

rbb ' = 100 ,β=50,UBEQ=0.7V。求解:
(1)静态工作点 Q; (2)Au、Ri、Ro。

Rb + VBB ui

T VCC + Re u o -

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单元 5 晶体三极管多级放大器
5-1 理论:多级放大器的耦合方式和分析方法 理论:

5-1.1 分压式偏置电路
1、分压式偏置电路原理图如图 14 所示,静态工作点计算方法如下:

U BQ =

R b2 × VCC , R b1 + R b2
U BQ U BEQ Re
Rb1


+Vcc Rc C2 V NPN RL Rb2 Re Us Ce

I CQ ≈ I EQ =

C1

U CEQ = VCC I CQ R c + R e) ( 。
2、静态工作点的稳定过程 要使放大器正常工作, 必须设置合适的静态 工作点,且不受外界因素(环境温度)的影响。 环境温度 T 升高时 ICQ 的稳定过程如下:T↑→ ICQ↑→UEQ↑→UBEQ↓→IBQ↓→ICQ↓

Rs

图14 积集串分分输型串串图

5-1.2 耦合
将若干单级放大电路串联起来,把前级的输出端加到后级的输入端,组成多级放 大器,使信号经过多次放大,达到所需的值。多级放大器之间的连接称为耦合,通常 多级放大器的耦合方式有四种,即阻容耦合、直接耦合、变压器耦合和光电耦合。四 种方式各有利弊。

5-1.3 多级放大器的性能指标
1、电压放大倍数Au 在多级放大器中,由于各级之间是串联起来的,后一级的输入电阻就是前级的负 载,所以,多级放大器的总电压放大倍数等于各级放大倍数的乘积,即Au=Au1Au2 Aun。

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两级阻容耦合放大器如图 15 所示。 分析原理图,则有 A u1 = β 1

R ‘L1 R‘ , A u2 = β 2 L2 , rbe1 rbe2

其中 RL1=Rc1∥ri2,RL2=Rc2∥RL,ri2=rbe2∥Rb2,Rb2=Rb21∥Rb22 , 通常rbe《Rb , ri2《Rc1 , 所以 RL1=Rc1∥ri2≈ri2≈rbe2 , 即得到 A u = A u1 A u2

R ‘L2 ≈ β1 β 2 。 rbe1

+Vcc 2、输入、输出电阻 多级放大器的输入电阻 Rb11 Rc1 Rb21 Rc2 就是第一级的输入电阻,两 C2 C3 Vo 级阻容耦合放大器的输入电 阻 C1 ri=rbe1∥Rb1≈rbe1 多级放大器的输出电阻 T1 T2 RL 就是最后一级的输出电阻, Vi Ce1 Ce2 两级阻容耦合放大器的输出 Rb12 Rb22 电阻 Re1 Re2 ro≈Rc2 3、频率响应特性 图 15 输 阻 阻 复 阻 阻 放 放 信 串 串 图 在实际应用中,要求放 大器能够放大一定频率范围内的信号。放大器对不同频率的信号放大倍数不尽相同, 这样, 被放大后的信号幅度变化和原来的输入信号就会不完全相同, 即所谓出现失真。 把这种放大器的放大倍数和工作信号频率有关联的特性称为频率响应,或频率特性。 如用曲线表示,其曲线则称为频率响应曲线,如图所示,当放大倍数下降到中频时的 0.707 倍时,在低频区所对应的低频点称为下限频率,用 fL 表示,在高频区所对应的 高频点称为上限频率,用 fH表示,频带宽度即通频带 fbw=fH -fL。
Av 0.707Av fbw

0

fL

fH

f

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5-2 实验:阻容耦合两级放大器的性能指标测试 实验:

5-2.1 实验目的
1、掌握如何合理设置静态工作点; 2、掌握测试放大电路频率特性的方法; 3、学会多级放大电路放大倍数的测量和计算。

5-2.2 实验内容和步骤
1、调整静态工作点 按 图 16 接 线,接通电源,输 入 正 弦 信 号 (1kHz,10mV) , 调整静态工作点, 用示波器观察输 出波形, 使第一级 Rs 输出波形不失真, 第二级输出波形 + 1k 在不失真的情况 下幅度尽量大。 2、测量静态工作 Vs 点 2.1 在 1 的条件下, 用万用表测量三 极管各极对地电 压, 数据记录在下 表。 VB1 VC1
对地电压

+12V Rw1 470k 2.2k Rc1 Rb11 1k 20k C2 Vo1 C1 A + T1 B T2 Rb21 5.1k Rw2 47k 2.2k Rc2 1k C3 Vo2

Vi

Rb12 10k

Re11 51 Re12 Ce1 1k

Rb22 5.1k

Re21 200 Re22 Ce2 680

RL 2.7k

-

图 16 输 阻 阻 复 阻 阻 放 放 信 输 型 集 集 图

VE1

VB2

VC2

VE2

通过计算得: VBE1

VCE1

VBC1

VBE2

VCE2

VBC2

2.2 用万用表测量各支路的电压,然后断开电源,并断开点 A、B,再用万用表测量各 支路的电阻,数据记录在下表,最后计算各支路电流。

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支路电压 第 一 级 第 二 级 (Rb11+ Rw1 间)Vb1 (Rb12 间)Vb2 (Rc1 间)Vc (Re11+ Re12 间)Ve (Rb21+ Rw2 间)Vb1 (Rb22 间)Vb2 (Rc2 间)Vc (Re22+ Re21 间)Ve

支路电阻

计算支路电流

根据各支路电流计算 IBQ,并比较两者的差别。 3、测量电压放大倍数、输入电阻、输出电阻 输入正弦波信号(1kHz,10mV) ,在空载和加负载时用晶体管毫伏表测量下表的 电压,计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。 输入信号 Vs=10mV Vi Vo1 Vo2 Av1 Av2 Av Ri Ro RL=∞ RL=2.7k 4、测量三极管多级放大电路的频率特性 在空载时输入正弦波信号(1kHz) ,调节(增大)信号源的信号幅度,使第二级 输出波形在不失真的情况下幅度最大。 保持该输入信号幅度不变, 改变输入信号频率, 然后用晶体管毫伏表测量下表中的电压,并计算电压放大倍数,画出电压放大倍数— —频率曲线。 频率
Vi Vo1 RL=∞ Vo2 Av1 Av2 Av 50 100 250 500 1k 2.5k 5k 10k 20k

5-2.3 实验器材
序号 1 2 3 4 5 6 名称 模拟电子电路实验系统 直流稳压电源 双踪示波器 数字(或指针式)万用表 信号发生器 晶体管毫伏表 数量 1 1 1 1 1 1 备注 SIPIVT-AⅡ HY3003D-3A VP5220D M9803 EE1641B1 TC2172

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5-2.4 预习要求
1、复习多级放大器工作原理及有关计算其主要性能指标的方法。 2、进一步复习静态工作点的计算及测试方法,并用图解法确定第二级静态工作点在 交流负载线中点的有关数据。 3、复习实验原理和电路,自拟实验数据记录表格。

5-2.5 实验报告要求
1、总结多级放大器静态工作点对放大倍数及输出波形的影响。 2、比较理论计算值与实测计算值之间的误差,并分析之。 3、列表整理实验数据,画出多级放大器的幅频特性曲线,并指出其上限频率、下限 频率和频带宽度。 4、直接耦合和变压器耦合各有关性能参数与阻容耦合有什么异同?

思考题
1、总结多级放大器静态工作点对放大倍数及输出波形的影响。 2、如图,各电容的容量足够大。 (1)画出交流通路。 (2)写出静态时 ICQ1、UCEQ1、ICQ2、UCEQ2 的表达式。 (3)写出 Ri、Ro 的计算公式。 (4)写出放大倍数 Au1、Au2、Au 、Aus 计算公式。

Rb1 C1 Rs Re1

Rb22 T1 C2 Rb21

Rc2 C3 T2 Re2

+Vcc

RL Uo Ce

Us

3、 已知一个未完成的两级放大电路如图, 其中 RS=200k , 2 管的 β=100, bb1=250 , T r rbe2=3.2k,现再给 600k,3k 电阻各一个,与 T2 相同的晶体管一个,请选择合适的 组态,接成一个尽可能少地从信号源索取电流的两级放大电路(画出线框中的部 分) ,并计算 Aus 。

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+6V 3k 600k C2 C3
30

Rs

Us

30

T2

Uo

单元 6 负反馈放大器
6-1 理论: 理论: 反馈组态的判断和负反馈对放大器性能的影响

6-1.1 反馈及其分类 反馈及其分类
' 反馈就是将放大器输出信号 Xi Xi Xo (电压或电流)的一部分或全部, 放放信 A 通过一定的方式送回到它的输入 端,如图 17。 Xf 反馈的分类有三种: (1)若引回的反馈信号使净输 负负输型 F 入信号减小,导致放大器的放大倍 数降低,这种反馈称为负反馈;若引 图 17 负 负 输 型 方 整 图 回的反馈信号使净输入信号加强, 导致放大器的放大倍数增大,则为正反馈。 (2)反馈信号与输出电压成正比的是电压反馈。反馈信号与输出电流成正比的 是电流反馈。判别方法是把输出端短路,如输出电压为零,反馈信号也为零,则为电 压反馈;如输出电压为零,而反馈信号不为零,则为电流反馈。 (3)放大器的输入电压是由输入电压和反馈电压串联而成的称为串联反馈;放 大器的输入电流是由输入电流和反馈电流并联而成的称为并联反馈。判别方法是把输 入端短路,如反馈信号同样被短路,即净输入信号为零,则为并联反馈;如反馈信号 没有消失,则为串联反馈。

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6-1.2 负反馈对放大电路性能指标的影响 负反馈对放大电路性能指标 性能指标的影响
1、提高放大倍数的稳定性:放大倍数要下降 1+AF 倍,但放大倍数的稳定性却提高了 1+AF 倍。 2、减小非线性失真和抑制干扰。 3、频带展宽。 4、改变输入电阻和输出电阻: 对输入电阻的影响:无论输出是电压负反馈,还是电流负反馈,只要输入端是串 联负反馈的方式,其输入电阻都要加大,增加的倍数就是反馈深度(1+AF) ;如输入 端是并联负反馈的方式,其输入电阻都要减小,减小的倍数也就是反馈深度(1+AF) 。 对输出电阻的影响:无论输入是串联负反馈,还是并联负反馈,只要输出端是电 压负反馈的方式,其输入电阻都要减小,减小的倍数就是反馈深度(1+AF) ;如输出 端是电流负反馈的方式,其输出电阻都要增大,增大的倍数也就是反馈深度(1+AF) 。

6-1.3 引入负反馈的一般原则
1、要稳定直流量(如静态工作点) ,应引入直流负反馈。 2、要改善交流性能,应引入交流负反馈。 3、要稳定输出电压或减小输出电阻,应引入电压负反馈。要稳定输出电流或提高输 出电阻,应引入电流负反馈。 4、要提高输入电阻,应引入串联负反馈。要减小输入电阻,应引入并联负反馈。 5、为提高反馈效果,当信号源为电压源时,应引入串联负反馈,当信号源为电流源 时,应引入并联负反馈。

6-2 实验:电压串联负反馈对放大器性能的影响 实验:

6-2.1 实验目的
1、加深理解负反馈放大电路的工作原理及负反馈对放大电路性能的影响; 2、掌握负反馈放大电路性能的测量与调试方法; 3、进一步掌握多级放大电路静态工作点的调试方法。

6-2.2 实验内容和步骤
1、调整静态工作点

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按图 18 接线 +12V (不接负反馈) , 2.2k 2.2k Rw1 Rw2 接通电源, 输入正 470k 47k 弦 信 号 ( 1kHz , Rc1 Rc2 10mV) 调整静态 , Rb11 1k Rb21 1k 20k 5.1k 工作点, 用示波器 C2 C3 Vo2 Vo1 观察输出波形, 使 C1 A 第一级输出波形 Rs 不失真, 第二级输 + + B T1 T2 出波形在不失真 1k 的情况下幅度尽 Re11 Re21 量大。 Rb12 51 Rb22 200 Vs Vi 2、测量静态工作 RL 10k 5.1k 2.7k 点 Re12 Re22 在 1 的条件 1k 680 Ce2 Ce1 下, 用万用表测量 Cf Rf 三极管各极对地 10F 10k 电压, 数据记录在 18 负负负放放信输型集集图 图 下表。 VC1 VE1 VB2 VC2 VE2 VB1
对地电压

通过计算得: VBE1

VCE1

VBC1

VBE2

VCE2

VBC2

3、测量电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、频率特性 3.1 电压放大倍数 函数信号发生器产生 1kHz、10mV 的信号,接入输入端 Vi,在输出波形不失真的 (R 情况下,用低频毫伏表测量输出信号 VO,然后计算电压放大倍数 AV。 L=∞) 3.2 输入电阻 输入信号 Vs kHz, (1 10mV)用低频毫伏表测量 Vs 和 Vi, , 由公式 R i = 计算输入电阻 Ri。 3.3 输出电阻 输入信号 Vs(1 kHz,10mV) ,当 RL=∞时,用低频毫伏表测量输出信号 VO ;当 RL=2.7k 时,用低频毫伏表测量输出信号 Vo,由公式 R o = ( 电阻 Ro。
'

Vi × 1k Vs Vi

V0' 1) × 2.7k 计算输出 Vo

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3.4 频率特性 当 RL=∞时,函数信号发生器产生 1kHz、10mV 的信号,接入输入端,使输出波 形不失真,然后用低频毫伏表测量输出信号 Vo。 保持输入信号的幅度不变,提高输入信号的频率,使输出信号 Vo 下降到原来的 70%,记录此时的信号频率,即为上限频率 fH。 保持输入信号的幅度不变,降低输入信号的频率,使输出信号 Vo 下降到原来的 70%,记录此时的信号频率,即为下限频率 fL。频带宽度 fbW=fH -fL。 4、加入负反馈后,测试放大电路的性能(按粗线连接,组成负反馈放大电路) 按粗线连接 按粗线连接,组成负反馈放大电路) 4.1 电压放大倍数 函数信号发生器产生 1kHz、10mV 的信号,接入输入端 Vi,在输出波形不失真的 情况下,用低频毫伏表测量输出信号 VO,然后计算电压放大倍数 AV。 L=∞) (R 4.2 输入电阻 , 输 入 信 号 Vs ( 1 kHz , 10mV ) 用 低 频 毫 伏 表 测 量 Vs 和 Vi , 由 公 式

Ri =

Vi × 1k 计算输入电阻 Ri。 Vs Vi

4.3 输出电阻 输入信号 Vs(1 kHz,10mV) ,当 RL=∞时,用低频毫伏表测量输出信号 VO ;当 RL=2.7k 时,用低频毫伏表测输出信号 Vo,由式 R o = (
'

V0' 1) × 2.7k 计算输出电阻。 Vo

4.4 频率特性 当 RL=∞时,函数信号发生器产生 1kHz、10mV 的信号,接入输入端,使输出波 形不失真,然后用低频毫伏表测量输出信号 Vo。 保持输入信号的幅度不变,提高输入信号的频率,使输出信号 Vo 下降到原来的 70%,记录此时的信号频率,即为上限频率 fH。 保持输入信号的幅度不变,降低输入信号的频率,使输出信号 Vo 下降到原来的 70%,记录此时的信号频率,即为下限频率 fL。 频带宽度 fbW=fH -fL。

6-2.3 实验器材
序号 1 2 3 4 5 6 名称 模拟电子电路实验系统 直流稳压电源 双踪示波器 数字(或指针式)万用表 信号发生器 晶体管毫伏表 数量 1 1 1 1 1 1 备注 SIPIVT-AⅡ HY3003D-3A VP5220D M9803 EE1641B1 TC2172

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6-2.4 预习要求
1、复习负反馈的基本概念、类型和性能,并学会放大电路中是否存在反馈以及判断 负反馈的方法。 2、熟悉本实验中电压串联负反馈放大电路的工作原理及其对放大电路性能的影响。 3、估计实验电路在无反馈和有反馈时的输入电阻、输出电阻及其电压放大倍数。

6-2.5 实验报告要求
1、计算出基本放大电路的静态工作点。 2、根据实验所得数据,求出无反馈和有反馈时的电压放大倍数、输入电阻、输出电 阻和频带宽度。 3、根据实验结果说明电压串联负反馈对放大器性能有何影响。

思考题
1、本实验电路为何种负反馈组态?还能否接成其它组态的级间负反馈? 2、解释实验结果(Au、Ri、Ro、fbw 在在电路中加入负反馈前后发生了变化)? 3、在图中,引入最大级间负反馈后要达到下列效果,反馈电阻 Rf 应接在电路中哪两点 之间?相应的反馈组态是何类型? ⑴提高从 b1 端视入的输入电阻,应将 Rf 自 接到 ,相应为 反馈电路。 ⑵减小放大器输出电阻,应将 Rf 自 接到 ,相应为 反馈电路。 应将 Rf 自 接到 , 相应为 反馈电路。 ⑶希望 Ic3 的数值不受 Rc3 变化的影响, ⑷希望各工作点基本不变,应将 Rf 自 接到 ,相应为 反馈电路。 ,相应为 反 ⑸希望负载 RL 变化时输出电压 UO 基本不变,应将 Rf 自 接到 馈电路。

+Vcc Re2 Rc1 Rb
c1 e2

Rc3 V2
c3

C2 V3
e3

C1
b1

V1
e1

+
Uo

c2

Rs Us

RL Re3

Rc2 Re1

-

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单元 7 正弦波振荡器
7-1 理论:正弦波振荡器的起振条件和平衡条件 理论:

7-1.1RC 串并联式正弦波振荡电路 串并联式正弦 正弦波
电路由一个放大器和一个用来 作为反馈网络的 RC 串并联电路连 接在一起而构成。如图 19。

R1 C1 R2 Vo

7-1.2 振荡条件

放放信 A

C2 1、幅值平衡条件:AF=1 式中:A 为放大器的增益, 为选频网络的反 F 馈系数。 图19 RC典串典串文文输型整图 2、相位平衡条件:A +F=±2nπ (n=0,1,2… ) 式中:A 为放大 器的相移角,F 为选频网络的相移角。 3、若 R1=R2=R,C1=C2=C,由选频网络可得:当ω=ω0=1/RC 时,F=1/3、F=0,因 采用两级阻容耦合共发射极放大电路,所以A=0,于是A +F=0,相位条件得到满足,
整个电路可能产生振荡,振荡频率为 f o =

1 。 2πRC

Vo A

4、振荡电路自行起振的条件是 AF>1,因 F=1/3, 则 A>3。

7-1.3 起振和平衡的过程图
用图形(如图 20)表示 RC 文氏电桥正弦波振 荡器的自行起振和平衡的过程,图中实曲线表示振 Vi(Vf) 幅特性 Vo/Vi,实直线表示反馈特性 Vf/Vo,A 点为 稳定平衡点。 图20 起文型起起场起起图

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7-2 实验:RC 分立元件文氏电桥正弦波振荡器 实验:

7-2.1 实验目的
1、熟悉文氏电桥振荡器的电路组成,验证振荡条件; 2、研究 RC 文氏电桥振荡器串并联网络的选频特性; 3、掌握测量振荡频率的方法。

7-2.2 实验内容和步骤
+12V
Rw 47k Rw1 470k 2.2k Rc1 R1 10k C1 A B+ C1 10F Rb11 1k 20k C2 Vo1 10F T1 Re11 51 Rb21 5.1k Rw2 47k 2.2k Rc2 1k C3 10F T2 Re21 200 + C

R2 10k

Vi C2

Rb12 10k Re12 1k

Rb22 5.1k Re22 680 Cf 10F

Vo

-

Ce1

Ce2 Rf 10k

D

图21 文文输文文文信集集图
1、测量选频网络的选频特性 按图 21 接线,不加直流电源,断开 A、B,C1=C2=0.01μF,在 C、D 端输入 3V 的音频信号,用晶体管毫伏表测量 A、D 端交流电压,调节(改变)信号频率,记录 交流电压频率关系 20 250 500 1k 2k 5k 10k 15k 18k 20k fCD (Hz) VAD (V)

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2、调节放大器的放大倍数 按图接线,断开 A、B,接通直流电源,在放大器的输入端输入 1kHz、10mV 的 交流信号, 用示波器观察输入和输出信号, 并调整晶体管的静态工作点和负反馈深度, 使输出信号为输入信号的 3 倍左右(可以用晶体管毫伏表测量) ,且波形不失真。 3、测量振荡频率 3.1 去掉外加的输入信号,使 C1=C2=0.01μF,并连接 A、B,用示波器观察输出波形。 输出端如果没有振荡波形输出,可调节 Rf,波形的对称性可调节 RW1,然后用示波器 测量振荡频率 f。 3.2 更换 C1=C2=0.1μF,电阻不变,使电路振荡输出,并用示波器测量振荡频率 f。 3.3 接上负载 RL(采用 10k 的电位器) ,观察振荡波形的变化。

7-2.3 实验器材
序号 1 2 3 4 5 6 名称 模拟电子电路实验系统 直流稳压电源 双踪示波器 数字(或指针式)万用表 信号发生器 晶体管毫伏表 数量 1 1 1 1 1 1 备注 SIPIVT-AⅡ HY3003D-3A VP5220D M9803 EE1641B1 TC2172

7-2.4 预习要求
1、预习正弦波振荡器的原理和电路。 2、计算本实验中 R1=R2=10k,C1=C2=0.01 及 C1=C2=0.1 时的振荡电路的振荡频率。 3、若 R1≠R2,C1≠C2,RC 串并联选频网络的 F 是否仍为 1/3。 4、若 Rf 调节过小,振荡器的输出波形将会消失还是失真?为什么? 5、考虑本电路若作为信号发生器,频率粗调、细调应如何办?该增加怎样的电路来 提高输出带负载的能力?

7-2.5 实验报告要求
1、用半对数坐标纸绘出实验步骤 1 所得的选频特性(纵轴为反馈系数 F,横轴为对数 坐标 f/f0) 。 2、画出振荡器的实验电路图,并指出电桥的元件分别是哪些?。 3、比较振荡器的测量与计算值。 4、总结一下,何时振荡器波形消失?何时振荡器波形失真?调节哪些参数可稳定振 荡器的输出?电路带上负载后有什么变化?

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思考题
1、计算本实验中 R1=R2=10k,C1=C2=0.01μF 及 C1=C2=0.1μF 时的电路振荡频率 fo、 f’o。 2、通过实验,总结一下,何时振荡器波形消失?何时振荡器波形失真?调节哪些参 数可以稳定振荡器的输出?电路带上负载后有什么变化?

单元 8 差分放大器
8-1 理论:差分放大器的工作原理和性能指标 理论:

8-1.1 典型差分放大器电路 典型差分放大器电路
差分放大器是一种能够有效抑制零漂的直流放大器,电路如图 22。RP 为调零电 位器,防止电路不对称;两个 +VCC R 为均压电阻,使 V1、V2 获 Rc Rc 得差模信号;REE 为公共发射 极电阻,对共模信号而言,相 V1 V2 当于每个差放管射极分别接 Rs Rs 入 2REE, 因此对共模信号产生 了很强的负反馈作用,从而使 Rp R 差放电路对共模信号的抑制 能力大为提高,而对差模信号 Ui REE 无影响(REE 相当于短路) ; R -VEE 为辅助电源,为进一步提 -VEE 高 REE 提供可能性。

图22 差积放放信输型

8-1.2 差分放大器的工作特点
静态时,输出电压为零;差分放大器电路对差模信号有较强的放大能力,对共模

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信号有很强的抑制作用(对零点漂移具有很强的抑制作用) 。

8-1.3 典型差分放大器电路的动态分析 典型差分放大器电路 电路的
1、差模输入时的电路参数: 输入电阻: Rid(单)=Rs+rbe+(1+β)Re Rid =2Rid(单)=2[Rs+rbe+(1+β)Re] 输出电阻: Rod(单)≈Rc Rod =2 Rod(单)≈2Rc 电压放大倍数: Aud(单)=Uod1/Uid=Uod1/2Uid1=-βR L/ 2Rid(单) ,其中 R L= Rc∥RL/2 Aud= 2Aud(单)=-βR L/ Rid(单) 2、共模输入时的电路参数: (R 输入电阻: Ric(单)=Rs+rbe+(1+β) e+2REE)≈2βREE Ric= Ric(单)∥Ric(单)≈βREE 输出电阻: Roc(单)≈Rc Roc =2 Roc(单)≈2Rc 电压放大倍数: Auc(单)=Uoc1/Uic1=-βRc/ Ric(单)≈-Rc /2REE 3、共模抑制比: KCMRR=∣Aud/ Auc∣ 对于理想差放电路,Auc→0,所以 KCMRR →∞。

8-1.4 任意输入信号分析
将任意输入信号分成一对共模信号和一对差模信号,具体方法如下: Ui1=(Ui1+Ui2)/2+(Ui1-Ui2)/2=Uic+Uid Ui2=(Ui1+Ui2)/2-(Ui1-Ui2)/2=Uic-Uid

8-1.5 带有恒流源的差放电路 带有恒流源的差放电路
为了提高 KCMRR,就必须加大 REE,但 REE 太大, 会使公共射极电位 UE 提得太高,易造成差放管饱和。 若再加大 VEE,则直流损耗太大。为此,选用直流电 阻小而交流电阻大的电路即直流恒流源电路取代 REE, 电路如图 23。

R1 V R2 -VEE

R3

图23 直整直整场输型

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36

8-2 实验:差分放大器的性能指标测试 实验:

8-2.1 实验目的
1、学会调节差分放大器的静态工作点; 2、掌握放大器差分输入、双端输出及单端输出的差模放大倍数的测试方法; 3、掌握放大器双端输出和单端输出的共模放大倍数及共模抑制比的测试方法。

8-2.2 实验内容和步骤
+12V Rc1 10k Vo1 C D T1 T2 Rw 100 E Rb3 20k Rb4 24k T3 Re3 5.1k -12V
图 24 差 积 放 放 信 集 集 输 型

Rc2 10k Vo2 Rb2 10k R2 1k G Re 10k B Vi2

A Vi1 R1 1k

Rb1 10k

F

1、公共发射极电阻为电阻负载 、公共发射极电阻为电阻负载 1.1 静态工作点测试 按图接线,F 接 G,输入端 A、B 相连并接地,用万用表直流电压档测试 T1、T2 管的集电极输出电位差,并调节电位器 Rw,使所测电位差为 0,然后测试两管各极对 地电压,并记录。 Vo1 Vo2 Vf Vb1 Vb2 对地电压(V) 测量值 计算值(电位器 Rw 在中点)

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37

1.2 测量差模输入电压放大倍数 拆去 A、B 短路线,然后在输入端 A、B 分别接入直流差模信号 Vid=±0.1V,用 万用表测试 T1、T2 管的输出电位 Vod1、Vod2 以及双端输出的电压 Vod,记录数据,并 计算单端差模放大倍数 Avd1、Avd2 和双端差模放大倍数 Avd。 输入端 A、B 间接入交流差模信号 Vid=50mV、f=1kHz,用晶体管毫伏表测量 T1, T2 管的输出交流电压 Vod1、Vod2 以及双端输出的交流电压 Vod,记录数据,并计算单 端差模放大倍数 Avd1、Avd2 和双端差模放大倍数 Avd。 测量值(V) 计算值 输入信号 Vi1 Vi2 Vod1 Vod2 Vod Avd1 Avd2 Avd 直流 交流 Vid =±0.1V Vid =50mV +0.1V -0.1V

1.3 比较相位 输入端 A、B 间接入交流差模信号 Vid=50mV、f=1kHz,用示波器观察 Vod1、Vod2、 Vid 的波形和相位。 1.4 测量共模输入电压放大倍数 输入端 A、B 相连并接入直流共模信号 Vid=+0.1V 或 Vid=-0.1V,用万用表测试 T1、T2 管的输出电位 Voc1、Voc2 以及双端输出的电压 Voc,记录数据,并计算单端共模 放大倍数 Avc1、Avc2 和双端共模放大倍数 Avc。 输入端 A、B 相连接入交流共模信号 Vi=50mV,f=1kHz,用晶体管毫伏表测试 T1,T2 管的输出交流电压 Vod1、Vod2 以及双端输出的电压 Vod,记录数据,并计算单 端差模放大倍数 Avd1、Avd2 和双端差模放大倍数 Avd。 测量值(V) 计算值 输入信号 Vi1 Vi2 Voc1 Voc2 Voc Avc1 Avc2 Avc 直流 Vic=+0.1V 直流 Vic=-0.1V Vic=50mV 交流 1.5 计算共模抑制比 KCMR。 2、公共发射极电阻为有源负载 、公共发射极电阻为 2.1 静态工作点测试 按图接线,F 接 E,输入端 A、B 相连并接地,用万用表直流电压档测试 T1、T2 管的集电极输出电位差,并调节电位器 Rw,使所测电位差为 0,然后测试两管各极对 地电压,并记录。 Vo1 Vo2 Vf Vb1 Vb2 对地电压(V) 测量值 计算值(电位器 Rw 在中点) 2.2 测量差模放大倍数 拆去 A、B 短路线,然后在输入端 A、B 分别接入直流差模信号 Vid=±0.1V,用 万用表测试 T1、T2 管的输出电位 Vod1、Vod2 以及双端输出的电压 Vod,记录数据,并

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38

计算单端差模放大倍数 Avd1、Avd2 和双端差模放大倍数 Avd。 输入端 A、B 间接入交流差模信号 Vid=50mV、f=1kHz,用晶体管毫伏表测量 T1, T2 管的输出交流电压 Vod1、Vod2 以及双端输出的交流电压 Vod,记录数据,并计算单 端差模放大倍数 Avd1、Avd2 和双端差模放大倍数 Avd。 测量值(V) 计算值 输入信号 Vi1 Vi2 Vod1 Vod2 Vod Avd1 Avd2 Avd 直流 交流 Vid =±0.1V Vid =50mV +0.1V -0.1V

2.3 比较相位 输入端 A、B 间接入交流差模信号 Vid=50mV、f=1kHz,用示波器观察 Vod1、Vod2、 Vid 的波形和相位。 2.4 测量共模输入电压放大倍数 输入端 A、B 相连并接入直流共模信号 Vid=+0.1V 或 Vid=-0.1V,用万用表测试 T1、T2 管的输出电位 Voc1、Voc2 以及双端输出的电压 Voc,记录数据,并计算单端共模 放大倍数 Avc1、Avc2 和双端共模放大倍数 Avc。 输入端 A、B 相连接入交流共模信号 Vi=50mV,f=1kHz,用晶体管毫伏表测试 T1,T2 管的输出交流电压 Vod1、Vod2 以及双端输出的电压 Vod,记录数据,并计算单 端差模放大倍数 Avd1、Avd2 和双端差模放大倍数 Avd。 测量值(V) 计算值 输入信号 Vi1 Vi2 Voc1 Voc2 Voc Avc1 Avc2 Avc 直流 Vic=+0.1V 直流 Vic=-0.1V Vic=50mV 交流 2.5 计算共模抑制比 KCMR。

8-2.3 实验器材
序号 1 2 3 4 5 6 名称 模拟电子电路实验系统 直流稳压电源 双踪示波器 数字(或指针式)万用表 信号发生器 晶体管毫伏表 数量 1 1 1 1 1 1 备注 SIPIVT-AⅡ HY3003D-3A VP5220D M9803 EE1641B1 TC2172

8-2.4 预习要求
1、复习差分放大器的工作原理和调试步骤。 2、按本实验电路参数计算静态工作点及差模电压放大倍数、单端输出时共模电压放

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大倍数,共模抑制比(可设 RW 在中间位置,T1 和 T2 的β在 75—100 之间) 。 3、自拟本实验有关数据记录表格。

8-2.5 实验报告要求 实验报告要求
1、整理实验电路和实测数据,并和理论计算值比较。 2、简要说明 Re 及恒流源的作用。 3、总结差分放大器的性能和特点。

思考题
1、电路如图,晶体管 V1、V2 具有相同的特性且 工作在线性区域, β=30, bb′=200Ω, BEQ=0.6V, r U Rc Rc 当输入直流电压 Ui1=-Ui2 时,测得 V1、V2 集电 5k 5k 极对地电压分别为 UC1=5V,UC2=9V,求: ① 公共发射极电阻 REE 的数值; ② 输入电压 Ui1 和 Ui2 的大小。 2、电路如图(a) ,已知 Rb=1k,Rc=10k,RL=5.1k, R Ui1 V1 V2 VCC=12V,VEE=6V;晶体管的=100,rbe=2k。 Ui REE (1)为使 T1 管和 T2 管的发射极静态电流均 Ui2 为 0.5mA, e 的取值应为多少?T1 管和 R R -12V T2 管的管压降 UCEQ 等于多少? (2)计算 Au、Ri、Ro; (3)若将电路改成单端输出,如图(b) ,用平均值电压表测得输出电压 uo=3V, 试问输入电压 ui 约为多少?设 IEQ=0.5mA,且共模输出电压可忽略不计。
+Vcc +Vcc

+12V

Rc1 RL Rb1 T1 Ui1 Re Ui2
-VEE

Rc2

Rc1 RL Rb2 Rb1 T1 Ui1 Uid Ui2
-VEE

Rc2

Rb2 T2

T2

Re

(a)

(b)

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单元 9 集成运算放大器
9-1 理论:集成运算放大器的理想化条件和应用 理论:

9-1.1 集成运算放大器的主要参数 集成运算放大器的主要参数
集成运算放大器是一种高放大倍数、高输入电阻、低输出电阻的直接耦合放大电 路。主要参数有: 1、开环电压增益是指运算放大器没有反馈时的差模电压放大倍数。 2、输入失调电压是指运算放大器为了使输出电压为零而在输入端加的补偿电压。 3、输入失调电流是指运算放大器在输出电压为零时,流入放大器两输入端的静 态电流之差。 4、共模抑制比是指运算放大器差模电压放大倍数与共模电压放大倍数之比。理 想运算放大器共模输入时,其输出为零。但实际的运算放大器,其输出不可能没有共 模信号的成分。输出端共模信号越小,说明电路的对称性越好。也就是说运算放大器 对共模干扰信号的抑制能力越强。

9-1.2 集成运算放大器的理想化条件
当运算放大器工作在线性区域时,共模抑制比趋于无穷大,所以同相输入端电压 与反相输入端电压趋于相等(V+→V-) ,即虚短;输入电阻趋于无穷大,所以流进放 大器两个输入端的电流趋于零(I→0) ,即虚断。 集成运算放大器是高增益的直流放大器。若在它的输出端和输入端之间加入反馈 网络,则可以实现不同的电路功能。

9-1.3 集成运算放大器的应用 集成运算放大器的应用
1、集成运算放大器在信号运算方面的应用: (1) 、加法器, 、减法器, 、积分器, 、微分器等。 (2) (3) (4) 2、集成运算放大器在信号处理方面的应用:

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(1) 、电压比较电路, 、有源滤波电路等。 (2) 3、集成运算放大器在波形产生方面的应用: (1) 、正弦波发生电路, 、方波发生电路, 、三角波发生电路。 (2) (3) 以上各电路的原理图请参阅本单元实验。

9-2 实验:集成运算放大器的应用 实验:

9-2.1 实验目的
1、进一步了解运算放大器在信号运算方面、信号处理方面、波形产生方面的应用; 2、掌握以上各种应用电路的组成及其测试方法。

9-2.2 实验内容和步骤
1、加法器 如图 25 接线,Vs 为信号源,频 率 1kHz,调节其幅度,然后分别给 Vi1、Vi2 某个电压值,并测量 Vi1、 Vi2、VO,分析其关系。 2、积分器 2.1 如图 26 接线,在 Vi 端输入方波 信号,频率 1kHz,幅度 1V,记录其 输出波形和幅度。合上开关,再观 察输出波形。 2.2 输入信号幅度同上,改变其频率 为 50Hz、500Hz 和 2kHz,观察并记 录输出波形和幅度,比较它们之间 的关系。 2.3 输入信号频率为 1kHz, 改变输入 信号幅度,观察输出信号幅度如何 变化。 3、微分器 3.1 如图 27 接线,输入方波信号, 频率 1kHz。 用示波器观察输出信号, 适当调节输入信号幅度,使输出信 号出现较好的尖脉冲,记录之。 3.2 改变输入方波的频率为 500Hz、

+ 3k 3k Vs Vi1 4.7k Vi2 4.7k

R1 10k R2 20k

Rf 100k 741 Vo R3 5.1k

图25 加复信集集图
R + 3k Vs Vi 4.7k R2 20k K R1 20k 741 Vo 200k C 4700p

图26 积积信集集图
+ 3k Vs Vi 4.7k 10k R C 1000p 10k 741 Vo

图27 微积信集集图

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100Hz(幅度不变) ,观察并记录输出波形。 4、电压比较器 如图 28 接线,输入信号 Vs 为正弦波,用示波器观察并记录输入输出波形。改变 Vs 的频率,再用示波器观察输出波形,记录并分析两者的关系。

741 R1 Vs 1k R2 10k

R3 10k 2DW7 Vo
Vs R1 10k R2 10k C1 0.02 741 Vo C2 0.01

图28 输集电电信集集图

图29 有场有有信集集图

5、有源滤波器 频率变化范围为 10Hz~ 20kHz, 幅度为 2~3V。 如图 29 接线, 输入信号 Vs 为正弦波, 保持 Vs 的幅度,改变 Vs 的频率,用逐点描述法该滤波器的幅频特性。 6、正弦波发生器 如图 30 接线,用示波器观察 Vo 的波形。改变 47k 电位器的阻值,继续观察波形 RF 变化,然后用示波器测出振荡频率。

0.01 0.01 10k 10k

10k 741 10k 47k
1N4004×2

10k VC
Vo

100k R3

741 C 0.047 R1 100k R2 100k

2k

Vo

2DW7

图30 正正有信信信集集图

图31 方有信信信集集图

7、方波发生器 7.1 如图 31 接线,用示波器观察 Vc、Vo 的波形,并记录。 7.2 改变 100k 电位器的阻值,观察波形变化,并测试其频率变化范围。 8、三角波发生器 8.1 如图 32 接线,用示波器观察 Vo 的波形,并记录。 8.2 调节 47k 电位器,继续用示波器观察 Vo 波形的变化,并记录。

RF R1 10k 20k 741 R2 5.1k 100k R3 2k 2DW7
图 32 三 三 有 信 信 信 集 集 图

C R4 5.1k 47k R5 5.1k 0.1 741 Vo

Vo1

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9-2.3 实验器材
序号 1 2 3 4 5 6 名称 模拟电子电路实验系统 直流稳压电源 双踪示波器 数字(或指针式)万用表 信号发生器 晶体管毫伏表 数量 1 1 1 1 1 1 备注 SIPIVT-AⅡ HY3003D-3A VP5220D M9803 EE1641B1 TC2172

9-2.4 预习要求
1、复习有关集成运放在信号运算方面、信号处理方面、波形产生方面的应用内容, 弄清与本实验有关的各种应用电路的工作原理。 2、拟定实验具体实施步骤、记录表格。

9-2.5 实验报告要求
1、画出实验线路图。 2、整理实验数据,列表比较实测值与理论值,分析产生误差的原因。 3、画出微分、积分电路的输出波形。

思考题
1、如图是一电压比较器,已知集成运放 的开环电压增益无穷大,双向稳压管的稳定电 压是±6V,当输入一个峰值为 4V 的正弦信号 时 , 请 画 出 输 出 信 号 的 波 形 。 ωt Us(V) 4 0

Us

R1 R2 12k

A R3

Rs Uo

-4 Uo(V)

24k

±6V

ωt

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44

2、电路如图,请写出输出信号与输入信号的函数关系式。 U1

R1 3k U2 R2 4k

R F 12k A C

R

Uo R

R3 1.5k

单元 10 功率放大器
10-1 理论:甲、乙类功率放大器的工作原理和性能指标 理论:

10-1.1 甲类功率放大器
功率放大器是以向负载提供一定 大小的功率为主要目标的放大器。甲 类功率放大器的晶体管工作于甲类状 态,甲类状态是指在信号通过的整个 周期内, 晶体管都处于放大工作状态。 单管甲类功率放大器的典型电路 如图 33, 电路中, 1、 2 是偏置电阻, R R 决定晶体管的静态工作电流;R3 是反 Vi 馈电阻,能改善放大器的性能。因为 功率放大器静态工作电流通常都是很 大,所以 R3 取值很小;变压器作为集 电极负载,输出信号通过变压器耦合 到外负载 RL。 工作分析: (可以用图解法分析) 静态工作点的确定

Vcc RL

R1

V

R2

R3

图33 甲甲功功放放信

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I CQ = (

R 2 VCC U BEQ )/R 3 R1 + R 2

UCEQ≈VCC 动态分析 在理想变压器的情况下,交流 等效负载为 R 'L = n 2 R L , 电源提供的功率为 PV = I CQ VCC , 最大输出功率为 Q ICQ IC

交流负载线

直流负载线

Pom =

ICQ VCC 1 = ICQ VCC ,所以, 2 2 2
Pom = 50% PV
0

UCE VCC 2VCC

电路的最大效率为 η =

10-1.2 乙类功率放大器: 乙类功率放大器: (OTL 功率放大器) 功率放大器) (
乙类功率放大器的晶体管工作于乙类状态。乙类状态是指晶体管工作于零偏置状 态,在信号通过的整个同期内,只有半个周期晶体管处于放大状态,另半个周期晶体 管处于截止状态。 乙类放大器会出现严重的交越失真。交越失真是因为功放管的零偏置引起的,为 了克服失真,总是预先给功放管设置一定的静态工作电流,这就使功放管脱离了乙类 工作状态而开始进入甲类状态,称之为“甲乙类”工作状态。 OTL 功率放大器的典型电路如图 34, Vcc 图中晶体管 V1 构成推动电路, 它是一个电 R2 压放大器, 将信号电压放大到所需要的值; V2 晶体管 V2、V3 是功率放大管,利用它们 的不同极性 2 为 NPN 型, 3 为 PNP 型) (V V , C2 R1 分别工作于信号的正、负半个周期。电容 A C2 既是外负载 RL 的耦合电容,同时又作 Rp 为晶体管 V3 工作时的直流电源,为 V3 工 作提供能量。 为了保证在晶体管 V3 工作期 C1 V3 R L 间 C2 对它的供电是比较稳定的,电容 C2 的容量应该取得很大。电阻 R1 为晶体管 V1 V1 提供静态工作电流,电阻 R2、Rp 都是 Vi V1 的集电极负载电阻,其中 Rp 又为功放

图34 OTL功功放放信

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46

管 V2、V3 提供合适的偏置电压,即提供了一定的静态电流,以克服交越失真。RL 是 外负载。晶体管 V2、V3 的各项参数必须是对称的,这样才能保证信号正、负半周的 平衡放大。 工作分析: 静态工作电流分析 推动级晶体管 V1 的静态工作电流由偏置电阻 R1 决定,即

I BQ1 =

VCC U BEQ R1



VCC R1

I CQ1 = βI BQ1
功放管 V2、V3 的静态工作电流由电阻 Rp 和前级工作电流 ICQ1 决定的,满足

R p I CQ1 = U BE2 + U BE3
因为 V2、V3 的参数是对称的,UBE2≈UBE3,所以 Rp 的值大,V2、V3 的静态工 作电流就大些。Rp 的值在工作中要进行调整。由于晶体管 V2、V3 是推挽工作的,为 了保证信号上下半周的平衡,要求静态时 A 点的电压必须等于电源电压值的一半,即 UA=1/2VCC,该点电压称为中点电压。这是靠调整推动管 V1 的集电极电压 UC 来实现 的,也就是要调整 ICQ1。ICQ1 变化了,电阻 Rp 上的压降也跟着变化,这又影响了 V2、 V3 的静态工作电流,影响功放管工作状态。所以 OTL 功放电路的静态工作点的调整 比较复杂,要注意前后级的相互影响。 动态分析 当给功率放大器输入一正弦信号后,V1 对信号实现电压放大,放大后的信号同时 加到 V2、V3 的基极上,由于 V2、V3 的极性不同,所以,V2 对正半周信号放大,V3 对负半周信号放大。因为,外负载 RL 是接在 V2、V3 的发射极公共回路中,所以 RL 得到的是完整的信号。

最大不失真输出电压有效值: U om

1 VCC U CES = 2 ; 2

最大输出功率: Pom

1 ( VCC U CES ) 2 2 U om ; = = 2 RL 2R L

在忽略基极回路电流的情况下,电源 VCC 提供的电流:

1 V CC U CES iC = 2 sin ω t ; RL
电源在负载获得最大交流功率时所消耗的平均功率:

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PV =

1 π ∫0

π

1 1 1 VCC U CES VCC ( VCC U CES ) 1 2 2 2 sin ω t VCC dω t = 2 ; RL 2 π RL
Pom PV 1 V U CES 4 2 CC = ; 1 π V CC 2
1

所以,电路的效率: η =

在理想情况下,即饱和管压降可忽略不计的情况下:

Pom

VCC U2 V2 π = om = CC , PV = 2 4 , η = ≈ 78 .5% 。 R L 8R L 4 π RL

2

关于功放管集电极功耗 设功放管集电极功耗为 PT,输出电压峰值为 UOM,则有

PT =

1 2π



π

0

1 U VCC U OMsinωt OM 2 RL

1 VCC U OM U 2 1 2 sinωtdωt = OM , RL π 4



dP T 2 1 = 0 ,可以求得: UOM = VCC ≈ 0.3VCC 。 dU OM π 2
以上表明:当 U OM ≈ 0.3V CC 时,PT=PTmax。

将 UOM 代入 PT 的表达式,得: PTmax 当 UCES=0 时,得: PTmax =

1 ( VCC ) 2 = 22 , π RL

2 Pom ≈ 0.2P om 。 π2

功放管的极限参数 V CC ,P >0.2P 。 BVCEO>VCC, I CM > CM om 2R L

10-1.3 复合管的组成
组成原则: 1、在正确的外加电压下每只管子的各极电流均有合适的通路,且均工作在放大 区;

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48

2、为了实现电流放大,应将第一只管子的集电极或发射极电流作为第二只管子 的基极流。 基本接法: (如图 35)

PNP NPN PNP NPN NPN PNP

PNP PNP NPN NPN PNP NPN

图35 复复场场复复复复

10-2 实验:OTL 功率放大器的性能指标测试 实验:

10-2.1 实验目的
1、了解 OTL 功率放大器静态工作点的调试方法; 2、学会测量功放电路的有关参数; 3、观察自举电容的作用。

10-2.2 实验内容和步骤
1、调整静态工作点 按图 36 接线,RP2 调至最小值,调整 RP1、RP,使 O 点的直流电压等于 VCC 的一 半(6V) 。 2、观察并消除交越失真 2.1O 点电压调整后,关掉电源,将毫安(mA)表串入电路中,接通电源,记录此时

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49

的电流表的读数 IC2; 2.2 在电路的输入端输入 1kHz 的正弦信号,用示波器观察负载 RL 两端的波形; 2.3 逐步加大(为什么?)输入信号幅度至示波器荧屏上出现交越失真,记录此时的 电流表的读数 IC2; 2.4 调节 RP2 使交越失 Rp 真消失,此时,O 点 +12V B 1k 的直流电压可能有些 变化,重新调整 RP1 mA C2 R V2 使 O 点的直流电压等 100F 510 C3 于 VCC 的一半(6V) , 记录此时的电流表的 O C 220F 读数 IC2; Rp2 2.5 消除交越失真后, C4 Rp1 100 100F 断开输入端信号源, RL 100k 用万用表测量下表的 Vo 8 C1 V3 数据: Rs

Vi 5.1k

10F

A

V1

图36 OTL功功放放信集集图
O 点的直流电压 V2 管的集电极电流 IC2(mA) V1 管 VBE VCE RP2 两端的电压

3、测量最大输出功率和效率 3.1 接入并加大输入信号,测出输出波形产生限幅失真前的最大不失真电压 VOM 和相 应的电源电流 IECM,求出最大输出功率 POmax= VOM×IECM; 3.2 电源供给的功率 PE=VCC×IECM; 3.3 计算其效率 η =

POmax PE

3.4 最大功率输出时,晶体管的管耗 PT=PE-POM。 4、将电路中的自举电容 C2 去掉,重复进行以上步骤 1、2、3,并观察输出波形的变 化。

10-2.3 实验器材
序号 1 2 名称 模拟电子电路实验系统 直流稳压电源 数量 1 1 备注 SIPIVT-AⅡ HY3003D-3A

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50

3 4 5 6

双踪示波器 数字(或指针式)万用表 信号发生器 晶体管毫伏表

1 1 1 1

VP5220D M9803 EE1641B1 TC2172

10-2.4 预习要求
1、复习 OTL 功率放大器的工作原理以及功放电路各参数的含义。 2、了解 OTL 功率放大器与 OCL 功率放大器及变压器推挽功率放大器有什么区别? 3、了解 OTL 功率放大器自举电路的作用。

10-2.5 实验报告要求
1、画出实验电路图,标明个元件参数值。 2、将实验测试数据与理论计算值比较,并分析产生的原因。 3、总结功率放大电路的特点及测量方法。

思考题
1、总结实验电路中自举电容 C2 的作用? 2、某收音机的末级采用单管甲类功率放大器,已知收音机用四节 1.5V 干电池供 电,扬声器的阻抗为 8,若输出变压器及电路其他损耗忽略不计,为了能够输出 90mW 的信号功率, 试确定功放管的静态工作 +15V 电流 ICQ 和变压器初、次级匝数比? R2 3、如图所示的 OTL 功率放大器电路中, 3.9k V2 晶体管(V1,V2,V3)B—E 之间的饱和压降 均为 0.7V,电流放大系数都等于 50。问: C2 R1 R3 A (1)为了放大器能正常工作,电阻 R1 300 的阻值应取多大? C (2) 该电路中, 电阻 R3 的取值也许不太 C1 V3 RL 合适,这是为什么?如何调整? 8 (3)功放可能输出的最大信号功率为多 V1 Vi 少? (可以忽略晶体管 B—E 之间的饱和压降)

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51

单元 11 直流稳压电源
11-1 理论:直流稳压电源的工作原理和性能指标 理论:

11-1.1 三种整流电路 三种整流电路
电路框图如图 37。

T ~220V E2

整整输型

Uo

RL

图37 整整输型整图
1、半波整流电路: U O =

1 2π



π

0

2 E 2 sin ωtdωt =

2

π

E 2 = 0.45 E 2

2、全波整流电路:UO=0.9E2 3、桥式整流电路:UO=0.9E2

11-1.2 滤波电路
滤波电路的作用就是将直流输出中的波动成分滤去。电容滤波电路的形式就是在 整流输出端并联一个容量很大的电容。这主要是利用了电容器的充放电特性。加入电 容滤波后,输出直流电压的平均值会有明显提高。在工程估算中常常使用下面的经验 公式(除空载)计算输出电压: 1、半波整流加电容滤波:UO=(0.9~1)E2 2、全波整流加电容滤波:UO=(1.1~1.3)E2 根据实际经验,滤波电容的容量选择可应用下面的公式:C≥(3~5)T/RL 式中 C 为滤波电容的容量,T 为交流电压的周期,RL 为负载。

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11-1.3 并联稳压电路
稳压管与输出端并联,只要能保证稳压管处于击穿状态,输出电压必然就等于稳 压管的稳定电压。

11-1.4 串联稳压电路
为了扩大输出电流,可以在并联稳压电路的基础上加入一个三极管,用并联稳压 电路稳定三极管的基极电压,从而发射极输出电流提供给负载使用。由于三极管有电 流放大作用,所以输出电流就被扩大了(1+β)倍。

11-1.5 引起输出电压不稳定的原因
1、电网电压的波动:220V±10% 2、带动负载状态不同:波动程度与电源的内阻大小有关。

11-1.6 典型串联稳压电路的稳压过程
典型串联稳压电路的原理图如图 38。经 分析,稳压过程如下:UO↑→UB↑→UBE1↑ →IB1↑→IC1↑→UR3↑→UC↓→UO↓。 图中有 关 电 量 的 关 系 : UE=UZ , UB=UE+0.7=UZ+0.7,UB=UOR2/(R1+R2),UC=UO+0.7。

P Up V2 C R3 V3 R B L R4 V1 E R2 R1 Uo

11-1.7 提高稳压电源性能的几 种方法

图38 典典集集输型串串图 1、使输出电压在一定范围内可调:在上 图中的 R1、R2 之间接入电位器,并将 B 点接在电位器的可调端上。 2、扩大带动负载的能力:采用大功率调整管,并接成复合管的形式。 3、 进一步提高稳压特性: 利用恒流源作为比较放大器的负载, (由晶体管与电阻、 稳压管构成) 。 4、进一步消除纹波电压:可以采用进一步滤波的办法,在调整管的基极加入一 个容量较大的电容器;在输出端用一个电解电容将输出电压中的纹波电压耦合到比较 放大器的基极,直接加以放大,放大后的信号将通过调整管对输出电压进行调整。

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5、限流保护:如果取样电阻上的压降使保护管饱和导通,则调整管基极的电压 下降,牵动输出电压下降,从而使输出电流得到限制。

11-1.8 衡量直流稳压电源质量指标的三个主要参数 衡量直流稳压电源质量指标的三个主要 主要参数
1、电压调整率(稳压系数)SD:当负载电流不变,交流电网电压变化±10%时, 输出电压相对变化量的百分数,即 S D =

VO VO

× 100% 。

~ VO 2、纹波系数γ:输出电压中交流分量的有效值与直流分量值之比,即 γ = 。 VO
3、电源内阻 ro:输入电压不变而负载电流变化时,输出电压的变化程度。用输出 电压的变化量与输出电流的变化量之比来表示,即 ro =

VO 。 I L

11-2 实验:串联直流稳压电源的性能指标测试 实验:串联直流稳压电源的性能指标测试

11-2.1 实验目的
1、了解整流电路的工作原理及电容滤波电路的作用; 2、学习直流稳压电源主要技术指标的测试方法; 3、学习集成稳压器的使用方法。

11-2.2 实验内容和步骤
典型串联稳压电路实验图如图 39。
V1 3DD15 R5 510 1N4001×4 1A R4 3.9k V2 3DG12B 220V 17V C1 1000F/50V V3 3DG12B 2CW7C 6V R1 300 C2 R2 470 100 R3 1k R6 270 + Vo mA

1k

RL

图39 典型典典集集输型集集图

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1、整流电路测试(用 1kΩ电阻作负载) : 1.1 用示波器观察桥式整流器的输入与输出波形并记录。 1.2 用交流毫伏表测量桥式整流器的输入电压有效值 V2 以及输出电压的交流分量 VO , 用万用表测量输出电压的直流分量 VO 。 2、整流滤波电路测试(用 1kΩ电阻作负载) :用示波器观察整流滤波输出电压 VO, 用交流毫伏表测量其交流分量 VO ,用万用表测量其输出的直流电压 VO 。 3、分立元件稳压电路测试 3.1 测量输出电阻 ro: ● 测试条件:V1=220V;VO=9V;IL=0,100mA。 3.2 测量输出电压调节范围: ● 测试条件:V1=220V; IL=0 。 3.3 测量纹波系数: ● 测试条件:V1=220V;VO=9V;IL=100mA。 4、集成稳压电路测试: (按图 40 接线)

~

~

GND

1

U1 Vin Vout 7812

3 1k

~220V C1 470 0.1

2

C2 0.1 470

RL 100

图40 集集集集输型集集图
4.1 测量输出电压 VO,测试条件:V1=220V; IL=0。 4.2 测量输出电阻 ro,测试条件:V1=220V;VO=15V;IL=0.2mA。 4.3 改变 RL 的阻值,使其为∞、2kΩ、1kΩ、500Ω、100Ω,测出相应的 VO 和 IL 值, 根据 VO 与 IL 的变化关系,作出电源的外特性曲线。

11-2.3 实验器材
序号 1 2 3 4 5 6 名称 模拟电子电路实验系统 直流稳压电源 双踪示波器 数字(或指针式)万用表 信号发生器 晶体管毫伏表 数量 1 1 1 1 1 1 备注 SIPIVT-AⅡ HY3003D-3A VP5220D M9803 EE1641B1 TC2172

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11-2.4 预习要求
1、复习有关二极管整流、滤波及稳压电路部分的内容。 2、学习有关集成三端稳压器的使用方法。 3、自拟本实验有关数据记录表格。

11-2.5 实验报告要求
1、将实验中测得的波形和数据填入记录表格。 2、画出电网电压不变,仅负载变化时的外特性曲线。 3、通过测试数据分析三端集成稳压器的作用和性能。

思考题
1、理论计算本实验分立元件稳压电路的输出电压调节范围。 2、本实验分立元件稳压电路中电阻 R5 的作用是什么? 3、请给本实验分立元件稳压电路加上限流保护电路。

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单元 12 场效应管的特性及放大电路
12-1 理论:结型场效应管的特性曲线和性能指标 理论:结型场效应管的特性 场效应管的特性曲线和性能指标

12-1.1N 型沟道结型场效应管的结构 型沟道结型场效应管的结构
在一块轻掺杂的 N 型半导体两端各引出一个电极,分别作为源极(S 极)和漏极 (D 极) ,在半导体的两侧用重掺杂的方法制成两个 P 型区,将这两个 P 型区引出的 电极连在一起作为栅极(G 极) ,这样就制成了 N 型沟道结型场效应管。结构图和电 路符号如图 41。

D

漏场

D

G 栅场 P

+

N

P

+ G

S

场场

S

图41 N型对对型型场场场场型型图型输型型信

12-1.2N 型沟道结型场效应管的工作原理 型沟道结型场效应管的工作原理
场效应管正常工作时,P+N 结必须外加反向偏置电压,即对于 N 型沟道结型场效 应管而言栅源之间加负电压,漏源之间加正电压。 工作原理分析: 1、当 UDS=0,UGS=0 时,沟道较宽,沟道电阻很小。 2、当 UDS=0,UGS<0 时,耗尽区向 N 区扩展,使导电沟道变窄,从而沟道电阻 变大。当|UGS|数值大到一定程度时,沟道全部被耗尽区所占,沟道消失,称为沟道 全夹断,此时的称为全夹断电压。显然,此时即使 UDS 大于零,在 D、S 之间也无法 形成电流。

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3、当 UGS=0,UDS>0 时,N 区中的电 子载流子在外电场 UDS 的作用下,由 S 极到 达 D 极 , 从 而 形 成 漏 极 电 流 ID , 且 UDS↑→ID↑。同时,由于 UDS 的作用,使沟 道从 S 极到 D 极的电位逐渐升高, 所以加在 两个 PN 结上的反向电压从 S 极到 D 极逐渐 加大,因此耗尽区由 S 极到 D 极逐步变厚, 而导电沟道则逐渐变窄, 如图 42(A) 所示。 当 UDS 增大到某一值时, D 极的两个 近 耗尽区将相遇,沟道被夹断,如图 42(B) 所示,这时加到 D 极 PN 结上的反向电压称 为夹断电压,用 VP 表示。若继续增大 UDS, 则近 D 极的两个耗尽区的重叠部分将增加, 迫使刚出现的夹断点向 S 极方向移动,如图 42(C)所示。 当 UDS>|VP|时,一方面 UDS 的增大将 另一方面 UDS 的增大又会使 引起 ID 的增大, 导电沟道变窄,从而使沟道电阻加大,导致 减小,所以可以认为 ID 不随 UDS 变化,场效 应管处于恒流状态, 此时的 ID 称为漏极饱和 电流,用 IDSS 表示。 近 D 极的沟道被夹断,D 不随 UDS 变化 I 是场效应管特性的一个基本特点,它与晶体 三极管放大区中 IC 不随 UCE 变化是类似的。 当场效应管处于恒流状态时,UGS 将对 ID 起控制作用。如果|UGS|增大,则导电沟 道变窄,沟道电阻变大,ID 将变小;反之则 相反。

D

+

G

+ P

N

+ P

U DS

VDD

S D
(A)

+

G

+ P

N

+ P

U DS

VDD

S D
(B)

+

G

+ P

N

+ P

U DS

VDD

12-1.3N 型沟道结型场效应 管的伏安特性曲线 管的伏安特性曲线
1、输出特性曲线 输出特性曲线是指当 UGS 为定值时,iD 和 uDS 之间的关系曲线,即
(C) 图42 UDS对对对场对对

S

i D = f(u DS ) U GS =常数
如图 43(A) 。

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i D(mA)
8 6 4 2 0 5
Ⅰ Ⅱ Ⅲ

i D(mA) I DSS
5 4 3 2 1 -3 -2 -1
(B)

u GS=0 u GS=-1V u GS=-2V u GS=-3V
10 15 20 25 u DS(V)
(A)

VP
0

25 u GS(V)

图43 场场场场场毫场场场场场

(1) 、可变电阻区(Ⅰ区) 此区 UDS 较小, 所以沟道电阻重要由 UGS 决定, 即沟道电阻随 UGS 的变化而变化, 故称此区为可变电阻区。 (2) 、线性放大区(Ⅱ区) ID 不受 UDS 控制,处于恒流状态,但受到 UGS 的控制。如果反映在特性曲线上, 则有|UGS|增大时, 曲线向下平移, 而且|UGS|越大, 曲线进入恒流区所需的 UDS 越小, 那是由于|UGS|越大,导电沟道则越窄所致。 (3) 、击穿区(Ⅲ区) 当 UDS 由恒流区进一步加大时, 加在两个 PN 结上的反向电压进一步加大, UDS 当 大到一定程度,PN 结将被反向击穿。 (4) 、夹断区(Ⅳ区) 夹断区是指 UGS=VP 时的输出特性曲线以下部分,此区,ID≈0。 2、转移特性曲线 转移特性曲线是指当 UDS 为定值时,uGS 和 iD 之间的关系曲线,即

i D = f(u GS ) U DS =常数
如图 43(B) 。 (1) 、当 UGS<0,且|UGS|≥|VP|时,导电沟道被全夹断,所以 ID=0,此时场效 应管处于截止状态。 (2) 、当 UGS<0,且|UDS|>|VP|>|UGS|时,有

I D = I DSS 1 (

U GS 2 ) VP

场效应管进入恒流工作区,ID 不受 UDS 控制。 (3) 、当 UGS>0 时,由于两个 PN 结都处于正偏,G 极电流急剧增大,场效应管 极易损坏。

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12-1.4N 型沟道结型场效应管的基本放大电路
N 型沟道结型场效应管共源极放大器电路图如图 44。 该电路采用自给偏压的方式为放大器 建立静态工作点,栅极通过电阻 R1 接地, RD 因为 R1 中无电流流过,所以栅极与地等电 位,即 VG=0,所以

E=+12V 4.7k 1k

VGS = VG VS = I S R S = I D R S
放大倍数为 A v

C1

3DJ6 Vi 1F 1F 1k R1 2M RS 10k Cs 10F RL 2k Vo

=

Vo = g m R 'D , Vi


RD RL ' 式中 R D = RD + RL

i D gm = VGS


VDS =常数

图44 场场场场场场场放放信

gm 为场效应管的跨导,数值比较小,所以要 Av 提高,只有增大 RD 和 RL,但 RD 和 RL 的增大,相应地必须提高漏极电源电压。

12-2 实验:结型场效应管特性曲线和放大电路性能指标 实验:结型场效应管特性曲线和放大电路性能指标 场效应管特性曲线和放大电路 的测试

12-2.1 实验目的
1、学会结型场效应管的特性曲线和参数的测试方法; 2、掌握场效应管放大器的电压放大倍数及输入、输出电阻的测试方法。

12-2.2 实验内容和步骤
1、场效应管转移特性曲线测试 1.1 按图 45 接线, 调节 E 使 VDS=10V, 然后调节 Rp, VGS 为下表中某一值, 使 并测出相对应的各个漏极电流 ID,最

mA Rp 10k 6V V + 2k G 3DJ6 D S V

ID E

+ -

图 45 场 场 场 场 场 场 场 场 输 输 图

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后画出一条与 VDS=10V 对应的转移特性曲线。 1.2 调节 E 使 VDS=5V,重复步骤 1.1,即可得出一条与 VDS=5V 对应的转移特性曲线。 -1.5 -2 -2.5 -3 VGS(V) 0 -0.5 -1 ID(mA) 2、场效应管漏极特性曲线测试 2.1 按图 45 接线,调节 Rp 使 VGS=0V,调节 E,使 VDS 为下表中某一值,并测出相对 应的各个漏极电流 ID,最后画出一条与 VGS=0V 对应的漏极特性曲线。 VDS(V) ID(mA) 2.2 调节 Rp 使 VGS=-1V、-2V,重复步骤 2.1,即可得出分别与 VGS=-1V、-2V 对应的 另两条漏极特性曲线。 3、场效应管跨导 gm 的测试(注意:本步骤的数据可从步骤 1.2 获取) 3.1 按图 45 接线,调节 E 使 VDS=10V,然后调节 Rp,使 VGS1=-0.5V,测得漏极电流 ID1;再调节 Rp,使 VGS1=-1V(VDS=10V 保持不变) ,测得漏极电流 ID2。 3.2 根据两次测得的数据,求出跨导: g m = 0 0.5 1 2 4 6 8 10 12

I D I I = D1 D2 。 VGS VGS1 VGS2

3.3 调节 E 使 VDS=5V,重复步骤 3.1 和 3.2,也可求出 gm,比较两次测得的结果是否 一致。 4、场效应管放大电路的电压放大倍数 Av 的测试 4.1 按图 44 接线。输入端输入正弦信号(f=1kHz,Vi=25mV) ,用示波器观察输出电 压波形,如果输出波形出现双向削波失真,可以减小输入电压幅值;如果输出波形出 现单峰削波失真,可以调整 RS,使输出波形不失真。用毫伏表测出放大器的输出电压 Vo 和输入电压 Vi,计算出电压放大倍数: A v =

Vo 。 Vi

4.2 去掉输入信号,串入电流表(可用万用表)测出静态工作点 IDQ 和 VDSQ 值。 4.3 将源极自偏压电阻 RS 改换成另一阻值(如 680Ω或 200Ω) ,重测 IDQ,VDSQ,Vi, Vo,并将两次结果进行比较。 5、场效应管放大电路的输出电阻 ro 和输入电阻 ri 的测试 5.1 按图 46 接线,放大器如图 44 所示。 5.2 去掉负载电阻 RL,将频率为 1kHz,电压 为 25mV 的正弦波加到场效应管放大器的输 Rw2 入端,用示波器观察输出电压是否失真,如不 10k 失真用毫伏表测出输出电压 Vo1。

信信信信信

放放信

毫毫毫

5.3 保持输入信号不变,在场效应管放大器的 输出端并接阻值为 10kΩ的电位器 RW2,调节

图 46 输 输 输 输 输 输 图

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RW2 ,使场效应管放大器输出电压 Vo2 下降到未并接 RW2 时输出电压的一半,即

Vo2 =

1 Vo1 ,拆下 RW2,用万用表量出阻值,即为场效应管放大器的输出电阻 ro。 2

5.4 按图 47 接线,放大器如图 44 所示。将频 率为 1kHz, 电压为 100mV 的正弦波加到场效 应管放大器的输入端, 用示波器观察输出电压 是否失真(此时应接上负载电阻 RL) ,如波形 失真,可减小输入信号幅值或提高电源电压 ED,然后用毫伏表测出输出电压 VoL1。 5.5 保持输入不变,在放大器输入端串接一只 3.3MΩ的电位器 RW1,调节 RW1,使放大器的 输出电压 Vo2 下降到未接 RW1 时的一半,即 Vo2 = 值,即为场效应管放大器的输入电阻 ri。

信信信信信

Rw1 3.3M

图 47 输 输 输 输 输 输 图

1 Vo1 ,拆下 RW1,用万用表量出阻 2

放放信

毫毫毫

12-2.3 实验器材
序号 1 2 3 4 5 6 名称 模拟电子电路实验系统 直流稳压电源 双踪示波器 数字(或指针式)万用表 信号发生器 晶体管毫伏表 数量 1 1 1 1 1 1 备注 SIPIVT-AⅡ HY3003D-3A VP5220D M9803 EE1641B1 TC2172

12-2.4 预习要求
1、复习场效应管的内部结构、组成及特点。 2、复习场效应管的特性曲线及其测试方法。 3、熟练掌握场效应管放大电路的工作原理、放大倍数以及输入、输出电阻的测量方 法。 4、比较场效应管放大器与晶体管放大器的特点。 5、自拟数据记录表格。

12-2.5 实验报告要求
1、利用测得的实验数据,画出漏极特性曲线和转移特性曲线,并从转移特性曲线上 求出饱和漏极电流 IDSS 和夹断电压 VP。 2、画出实验电路图。

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3、通过实验测得的放大倍数 Av、输入电阻 ri、输出电阻 ro 与理论值进行比较。 4、分析 RS 和 RD 对放大器的性能有何影响。

思考题
1、 2、 3、


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