单管放大电路仿真实验

单管放大电路仿真实验
一、实验目的
熟悉晶体管和场效应管放大电路以及集成运放的基本设计原则，并理解放大电路性能参数的调试和测试方法、静态工作点对动态参数的影响；熟悉仿真软件的基本分析和测量方法。

二、实验内容及理论分析
本部分主要针对仿真电路进行初步的理论分析，以及依据理论预测实验现象，以便于和最后的仿真结果作对比。

1、仿真题2-1（3分）：利用晶体管2N2222A（模型参数中的BF即β=220，RB即
r bb’=0.13Ω）设计一个单电源供电的单管放大电路，电源电压为V CC = +15V。

具体要求如下：
（1）设计并调整电路参数，使电路具有合适的静态工作点，测量静态工作点。

（2）测量动态参数A u、R i、R o、f L、f H，比较A u、R i、R o的理论计算值与实测值，并说明电路的特点。

注意测量时输出信号不能失真。

（3）调整电路参数，改善某一性能指标（如增大A u、或增大R i、或减小R o、或增大f H）。

要求先进行理论分析，然后再实验验证。

（4）调整电路参数或输入信号大小，使输出波形产生失真，分析是何种失真，可采取哪些措施消除并进行实验验证。

（通常，当失真度较大时，
能够观察到波形顶部或底部变平或者曲率变小，而当失真度较小时，
则需要借助失真度仪（Distortion Analyzer）来测量。

）
设计采用如下图所示的电路实现：
（1）分析电路的直流通路和静态工作点
I BQ R b+(1+β)I BQ R e+U BEQ=V CC
I BQ=
V CC−U BEQ R b+(1+β)R e
U CEQ=V CC−(1+β)I BQ R e
经查阅2N2222A的参数，取U BEQ=0.7V进行估算，并且要求I CQ=βI BQ<10mA，即R b+(1+β)R e>314.6kΩ。

另外，由IV分析仪测得2N2222A的特性，认为4V<U CE<8V时晶体管处在放大区，所以
U CEQ =V CC −(1+β)I BQ R e =V CC −221×14.3R e R b +221R e
解得，66.3R e <R b <230.47R e 。

因需要I BQ 达到mA 级，所以粗略设计R b =250kΩ，R e =2kΩ。

此时，电路的静态工作点为：
I BQ =0.021mA
I CQ =4.546mA
U CEQ =5.866V
（2）分析电路动态参数
r be =r bb ′+(1+β)U T I EQ
=1.258kΩ A u =(1+β)R e r be +(1+β)R e
=0.997 R i =R b //[r be +(1+β)R e ]=159.84kΩ R o =R e //r be 1+β
=5.67Ω （3）由于共集放大电路具有电压跟随的特点，且具有输入电阻大、输出电阻小的优良性能，所以这里尝试提高此电路的高频特性。

（4）放大电路失真一般分为截止失真和饱和失真。

当Q 点过低时，由于在某一时间内Ube 小于其开启电压Uon ，导致晶体管截止，Ib 底部失真，同时由于输出电压相位与Ib 相差180°，故导致Uo 波形产生顶部失真，成为截止失真。

当Q 点过高时，晶体管易饱和，产生的失真叫做饱和失真。

2、 仿真题2-2（3分）：利用MOS 管2N7000设计一个单电源供电的单管放大电
路，电源电压为V DD = +15V 。

具体要求如下：
（1） 上网查阅2N7000手册(datasheet)，了解其性能参数。

（2） 用IV 分析仪测量其转移特性。

（3） 设计并调整电路参数，使电路具有合适的静态工作点，测量静态工作
点。

（4） 测量动态参数A u 、R i 、R o 、f L 、f H ，比较A u 、R i 、R o 的理论计算值与实
测值，并说明电路的特点。

（5） 调整电路参数，改善某一性能指标（如增大A u 、或增大R i 、或减小R o 、
或增大f H ）。

要求先进行理论分析，然后再实验验证。

（6） 调整电路参数或输入信号大小，使输出波形产生失真，分析是何种失
真，可采取哪些措施消除并进行实验验证。

（1）2N7000 datasheet 网查资料见，multisim 12中的参数如下。

（2）使用DC Sweep分析其转移特性，如下图所示。

可以看出，开启电压U GS(tℎ)=2V，I DO=200mA。

（3）测量输出特性曲线，并计算相关参数。

上图中，当U GS=3.5V时，i D=113.039mA；另外读出当U GS=4V时，i D= 200.757mA。

可计算得到2N7000的低频跨导：
g m=
∆i D
∆u GS
=175.436 mS
采用分压式偏置电路进行测试，原理图如下。

设置经验参数R g1=7.5MΩ，R g2=2.5MΩ，R g3=5MΩ；R d=4Ω，R s=55Ω，R L=5kΩ；C1=10uF，C2= 10uF，C s=10uF。

以上，在具体电路中细调参数。

静态时，由于栅极电流为0所以电阻R g3上的电流为0，栅极电压和源极电压分别为：
U GQ=
R g1
R g1+R g2
V DD
U SQ=I DQ R s
U GSQ=U GQ−U SQ=
R g1
R g1+R g2
V DD−I DQ R s
又有：i D=I DO(u GS
U GS(tℎ)
−1)2，联立得：
U GSQ=3.718V，I DQ=147.61mA，U DSQ=6.143V （3）根据IV分析仪的测量结果，I DO=200.757mA，得到：
A u=−g m U gs(R d//R L)
U i
=−g m(R d//R L)=−0.696 R i=R g3+R g2=7MΩ
R o=R d=4Ω
（4）测量动态参数Au、Ri、Ro、fL、fH，比较Au、Ri、Ro的理论计算值与实测值，这一部分放在仿真实验中讨论。

（5）增大电压放大倍数，可以通过增大R d的阻值，根据A u=−g m(R d//R L)，得知电压放大倍数主要决定于R d，故这种措施在理论上是可行的。

（6）调整电路参数或输入信号大小，使输出波形产生失真，分析是何种失真，
可采取哪些措施消除并进行实验验证。

猜想增大输入信号的大小，可以使电路出现饱和失真。

具体内容在仿真实验部分进行讨论。

3、仿真题2-3（4分）：利用晶体管或者MOS管设计一个集成运放。

晶体管可选
用2N2222A（β=220）和2N3702（β=133.8），电源电压可选+/-15V。

MOS管可选用2N7000和BST100，电源电压可选+/-5V。

具体要求如下：
（1）要求为三级放大电路，第一级采用差分放大电路。

（2）采用电流源作为集成运放的偏置电路和有源负载。

（3）设计并调整电路参数，使电路具有合适的静态工作点，测量静态工作点。

（4）测量动态参数A u、R i、R o、f bw、f C、U IO、I IO、I IB、SR，并说明电路的特点。

本题目需要理论计算的并不多，主要要求为测量电路参数，故全部放在仿真实验部分进行讨论。

三、仿真结果和分析
本部分包含电路截图、波形截图、测量数据、分析计算等。

1、仿真题2-1
（1）静态工作点
测量静态工作点电路如图所示，读出
I BQ=0.024mA[理论0.021mA]
I CQ=4.178mA[理论4.546mA]
U CEQ=6.601V[理论5.866V]
（2）动态参数
连接电路图如下，测量放大倍数以及输入输出电阻。

A.测量电压放大倍数
由游标1读出，Channel_A的电压（输出）为1.377V，Channel_B的电压（输
=0.974[理论值0.997]。

入）为1.413V，故得到：A u=1.377
1.413
B.测量输入电阻
测量输出端开路时的输入电压（有效值：1.413/1.414≈1V）和输入电流（有
=124.44kΩ[理论值156.84kΩ]。

效值8.036uA），得到R i=1V
8.036uA
C.测量输出电阻
令输入端短路，给输出端加电压并测量其电流，如下所示。

计算得到R o= 1V
=68.86Ω。

0.01452A
D.测量上限截止频率
取衰减3dB时为上限截至频率，用波特图测量得到如下所示，故f H= 1.544GHz，f L=3.333kHz
（4）调整电路参数或输入信号大小，使输出波形产生失真。

根据之前的理论分析，当晶体管处在截止区的时候，比如将直流电压源由15V 降到5V之后，电路会因此出现截止失真，如下。

这种情况下，只有提高基极的
电压（增大电源或者减小Rb），才能消除截止失真。

同理可得饱和失真时的情况。

2、仿真题2-2
（1）2N7000的参数见理论分析部分。

（2）应用DC Sweep分析2N7000的转移特性曲线。

可以看出，开启电压U GS(tℎ)=2V，I DO=200mA。

应用IV分析仪分析2N7000的输出特性曲线。

上图中，当U GS=3.5V时，i D=113.039mA；另外读出当U GS=4V时，i D （I DO）=200.757mA。

故：
g m=
∆i D
∆u GS
=175.436 mS
I DO=200.757mA
（3）测量电路的静态工作点并与理论计算比较。

如下。

令输入电压V1为0，得到电路的静态工作点如上图所示，列表和理论之相比
（4）测量电路动态参数并与理论值比较。

在本次仿真中，我们在输入端加5mA、
2000Hz的输入电流进行测量。

A.测量Au
A u=−3.364
7.054
=−0.476
B.测量Ri
R i=
7.064
1.414×
2.722×10^−6
=1.83MΩ
发现这里输入大电阻时的误差很大，参看“课程讨论区”相关问题之后，换用型号为Zetex/2N7000得到如下结果，与理论计算一致。

R i=
7.064
1.414×639.407×10^−9
=7.82MΩ
C.测量Ro
在输出端加5mV的电压，输入端短路，测量输出电阻。

如下。

R o=
5
0.532519
=9.389Ω
D．测量f H和f L
（5）增大电压放大倍数，可以通过增大Rd的阻值，根据Au=-gm (Rd//RL)，得知电压放大倍数主要决定于Rd，故这种措施在理论上是可行的。

使用parameter sweep功能，对Rd进行从3Ω~11Ω的扫描，发现随着Rd 阻值的增加，输出电压也增加，所以验证了增大Rd可以增大电压放大倍数的想法。

（6）调整输入信号，使输入信号从5mVrms增大到5Vrms,用示波器观察输出波形的变化，发现输出波形很明显的发生了畸变。

如下所示。

分析出现失真的原因，发现当输入电压过高时，不论如何设置静态工作点，都会出现交流副在线上的电流变化到线性电阻区的情况。

3、仿真题2-3
题目中要求集成运放采用三级放大的形式，且要求第一级采用差分放大电路，使用电流源作为集成运放的偏置电路和有源负载，故可以参照F007的放大电路进行设计。

已知2N2222A（β=220）为纵向管，放大倍数高；2N3702（β=133.8）为横向管，放大倍数较低。

题目要求为三级放大电路，基本思路是分为三级分别设计。

首先，第一级使用电流源作为有源负载的差分放大电路，这和部分电路可以参照课本的有关章节。

第二级电路使用单管放大的放大电路即可达到目标。

第三极采用消除交越失真的互补输出级电路提高电路性能。

依照以上主要思路，搭建如下所示的电路。

测量静态工作点的测量以中间放大电路为例，如下所示。

可以得到，I BQ=24.588uA，I CQ=3.305mA，U CEQ=7.289V。

测量动态参数A u,R i,R o,f bw,f c,U IO,I IO,I IB,SR，说明电路特点。

即A u=5.871
1.414
0.01
=415.21
即：R i=587.32kΩ
即：R o=18.78Ω
取衰减3dB为界，测得上限截止频率为f H=4.681MHz。

下线截止频率可能是由于电路设计的原因，所以没有调试出来，之后会再说明。

即：f c=65.041MHz
当输入信号为0时，输出几乎为0，解出U IO≈0,I IO≈0。

即SR=8.565V/10.606us=0.807V/us。

四、仿真中遇到的问题
1、没有注意到共集放大电路其实也是反极性输出的，所以在仿真测量输出电阻的时候万用表的正极应该接输出一侧，负极应该接耦合电容一侧。

我刚开始并没有注意到这个问题，所以导致测量输出电流的时候万用表一直没有示数，浪费了一些时间。

正确接法如下图所示。

2、对于高阻值输入电阻的测量方法的问题。

在做仿真题第二题的时候，我尝试了两种方法来测量输入电阻，但是得到的结果都在2MΩ的级别，和理论计算得到的8MΩ差距很大，想了很久也没有得到具体的结果。

后来参照网络学堂课程讨论区的结果发现助教学长解答了这个问题。

通过这个问题也进一步认识到MUltisim中模型的选择对于仿真的重要性。

3、在最后进行设计三级放大电路的时候，对于电流源电路不熟悉，导致设计过程比较缓慢，出现问题之后也得分析一段时间之后才能找到问题的关键。

即使是这样，在后来测量参数的时候还是出现了无法测得电路的下限截止频率等很多问题，但是由于个人能力的原因，花了很长时间还是没有解决，自己感觉也非常遗憾。

以后还是要认真学习理论知识，以理论指导实践，才能事半功倍。

五、收获体会
通过此次仿真作业，我深刻地体会到了仿真对电路设计的巨大帮助，如果要设计一个满足条件的电路，在实际的生产实验中调整各项参数会耗费大量时间，但通过仿真只需要切换鼠标就可以达到目的，方便省事，对提高效率有巨大作用。

另外，我通过此次作业熟悉晶体管和场效应管组成的基本放大电路性能参数的调试、设计方法，熟悉了放大电路中各种主要参数的测量方法。

也更加深刻地理解放大电路静态工作点对动态参数的影响。

最后，感谢助教学长的指导和批改，祝老师、学长科研工作顺利！。