实验二.晶体管特性分析与研究

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，V BE(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A v。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(R=20KΩ)

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

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A v，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

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A vs，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

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