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模拟电子技术基础实验讲义—ge


东莞理工学院城市学院

《模拟电子技术基础》课程实验指导书

编 审

写 核

人: 人:

教研室主任: 系 主 任:

城市学院计算机与信息科学系 二○一一年九月


实验二 实验四 实验五 实验八



晶体管共射极单管放大器????????????????????????????4 负反馈放大器?????????????????????????????????13 射极跟随器??????????????????????????????????17 集成运算放大器的基本应用(I) ―――模拟运算电路―――???????????????????????????22

实验九

集成运算放大器的基本使用(III) ―――电压比较器―――????????????????????????????28

1

第一部分

绪论

本指导书是根据《模拟电子技术》课程实验教学大纲编写的,适用于电子信息专业和其他相关专业。

一、本课程实验的作用与任务
《模拟电子技术》是电子信息学科体系中的重要组成部分,是电子信息、通信、电气工程、计算机 等专业的一门专业基础课,因此要求学生必须熟练掌握模拟电子技术的基本原理,并且通过动手操作,达 到深刻理解和掌握其原理和方法。为结合理论课程教学的需要,设置 16 课时左右的实验课时。

二、本课程实验的基础知识
该课程需要电路的基本知识,还要紧密结合理论教学,例如上完一个章节的相关内容,就可以做相关 的实验加强理解。要求学生理解电子与电路分析的区别。所列实验是循序渐进的,先是简单的分立元件放 大电路,接下来是复杂的分立元件放大电路,又有反馈电路,最后是集成运放电路。通过实验,了解电子 电路与其他电路的区别,掌握电子电路信号的测量方法,学会工程应用技术上的一些测量方法和技术。

三、本课程实验教学项目及其教学要求
序 号 1 实验项目名称 常用电工仪器的使 用 实验 时数 3 教学目标与要求 1、学习电子电路实验中常用的电子仪器— —示波器、 函数信号发生器、 直流稳压电源、 交流毫伏表、频率计等的主要技术指标、性 能及正确使用方法。 2、初步掌握用双踪示波器观察正弦信 号波形和读取波形参数的方法。 2 晶体管共射极单管 放大器 3 1、 学会放大器静态工作点的调试方 法,分析静态工作点对放大器性能的影响。 2、 掌握放大器电压放大倍数、输入电 阻、 输出电阻及最大不失真输出电压的测试 方法。 3、 熟悉常用电子仪器及模拟电路实验设备

2

的使用。 3 场效应管放大器 3 1、了解结型场效应管的性能和特点。 2、 进一步熟悉放大器动态参数的测试方法。 4 负反馈放大器 3 1、加深理解放大电路中引入负反馈的方法 和负反馈对放大器各项性能指标的影响。 5 射极跟随器 3 1、 掌握射极跟随器的特性及测试方法。 2、 进一步学习放大器各项参数测试方法。 6 差动放大器 3 1、加深对差动放大器性能及特点的理解。 2、学习差动放大器主要性能指标的测试方 法。 7 集成运算放大器指 标测试 3 1、 掌握运算放大器主要指标的测试方法。 2、 通过对运算放大器μ A741 指标的测试, 了解集成运算放大器组件的主要参数的定 义和表示方法。 8 集成运算放大器的 基 本 应 用 (I) ─ 模拟运算电路 3 1、研究由集成运算放大器组成的比例、加 法、减法和积分等基本运算电路的功能。 2、了解运算放大器在实际应用时应考虑的 一些问题。 9 集成运算放大器的 基本应用(Ⅱ)─ 电压比较器 3 1、 掌握电压比较器的电路构成及特点。 2、 学会测试比较器的方法。

10

低频功率放大器─ OTL 功率放大器

3

1、 进一步理解 OTL 功率放大器的工作原 理。 2、 学会 OTL 电路的调试及主要性能指标 的测试方法。

3

第二部分
实验二
一、实验目的

基本实验指导

晶体管共射极单管放大器

1、 学会放大器静态工作点的调试方法,分析静态工作点对放大器性能的影响。 2、 掌握放大器电压放大倍数、输入电阻、输出电阻及最大不失真输出电压的测试方法。 3、 熟悉常用电子仪器及模拟电路实验设备的使用。

二、实验原理
图 2-1 为电阻分压式工作点稳定单管放大器实验电路图。它的偏置电路采用 RB1 和 RB2 组成的分压电 路,并在发射极中接有电阻 RE,以稳定放大器的静态工作点。当在放大器的输入端加入输入信号 ui 后,在 放大器的输出端便可得到一个与 ui 相位相反,幅值被放大了的输出信号 u0,从而实现了电压放大。

图 2-1 共射极单管放大器实验电路

在图 2-1 电路中,当流过偏置电阻 RB1 和 RB2 的电流远大于晶体管 T 的 基极电流 IB 时(一般 5~10 倍) ,则它的静态工作点可用下式估算
UB ? R B1 R B1 ? R B2 U CC

IE ?

U B ? U BE RE

? IC

UCE=UCC-IC(RC+RE) 电压放大倍数

4

A V ? ?β

R C // R L rbe

输入电阻 Ri=RB1 / RB2 / rbe / / 输出电阻 RO≈RC 由于电子器件性能的分散性比较大,因此在设计和制作晶体管放大电路时,离不开测量和调试技术。 在设计前应测量所用元器件的参数,为电路设计提供必要的依据,在完成设计和装配以后,还必须测量和 调试放大器的静态工作点和各项性能指标。一个优质放大器,必定是理论设计与实验调整相结合的产物。 因此,除了学习放大器的理论知识和设计方法外,还必须掌握必要的测量和调试技术。 放大器的测量和调试一般包括:放大器静态工作点的测量与调试,消除干扰与自激振荡及放大器各项 动态参数的测量与调试等。 1、 放大器静态工作点的测量与调试 1) 静态工作点的测量 测量放大器的静态工作点,应在输入信号 ui=0 的情况下进行, 即将放大器输入端与地端短接,然后 选用量程合适的直流毫安表和直流电压表,分别测量晶体管的集电极电流 IC 以及各电极对地的电位 UB、UC 和 UE。一般实验中,为了避免断开集电极,所以采用测量电压 UE 或 UC,然后算出 IC 的方法,例如,只要测 出 UE,即可用
IC ? IE ? UE RE

算出 IC(也可根据 I C ?

U CC ? U C RC

,由 UC 确定 IC) ,

同时也能算出 UBE=UB-UE,UCE=UC-UE。 为了减小误差,提高测量精度,应选用内阻较高的直流电压表。 2) 静态工作点的调试 放大器静态工作点的调试是指对管子集电极电流 IC(或 UCE)的调整与测试。 静态工作点是否合适,对放大器的性能和输出波形都有很大影响。如工作点偏高,放大器在加入交流 信号以后易产生饱和失真,此时 uO 的负半周将被削底,如图 2-2(a)所示;如工作点偏低则易产生截止失 真,即 uO 的正半周被缩顶(一般截止失真不如饱和失真明显) ,如图 2-2(b)所示。这些情况都不符合不失 真放大的要求。 所以在选定工作点以后还必须进行动态调试, 即在放大器的输入端加入一定的输入电压 ui, 检查输出电压 uO 的大小和波形是否满足要求。如不满足,则应调节静态工作点的位置。

5

(a)

(b) 图 2-2 静态工作点对 uO 波形失真的影响

改变电路参数 UCC、RC、RB(RB1、RB2)都会引起静态工作点的变化,如图 2-3 所示。但通常多采用调 节偏置电阻 RB2 的方法来改变静态工作点,如减小 RB2,则可使静态工作点提高等。

图 2-3 电路参数对静态工作点的影响

最后还要说明的是,上面所说的工作点“偏高”或“偏低”不是绝对的,应该是相对信号的幅度而言, 如输入信号幅度很小,即使工作点较高或较低也不一定会出现失真。所以确切地说,产生波形失真是信号 幅度与静态工作点设置配合不当所致。如需满足较大信号幅度的要求,静态工作点最好尽量靠近交流负载 线的中点。 2、放大器动态指标测试 放大器动态指标包括电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真输出电压(动态范围)和通频 带等。 1) 电压放大倍数 AV 的测量 调整放大器到合适的静态工作点,然后加入输入电压 ui,在输出电压 uO 不失真的情况下,用交流毫伏 表测出 ui 和 uo 的有效值 Ui 和 UO,则
AV ? U0 Ui

6

2) 输入电阻 Ri 的测量 为了测量放大器的输入电阻,按图 2-4 电路在被测放大器的输入端与信号源之间串入一已知电阻 R, 在放大器正常工作的情况下, 用交流毫伏表测出 US 和 Ui,则根据输入电阻的定义可得
Ri ? Ui Ii ? Ui UR R ? Ui US ? Ui R

图 2-4 输入、输出电阻测量电路

测量时应注意下列几点: ① 由于电阻 R 两端没有电路公共接地点,所以测量 R 两端电压 UR 时必须分别测出 US 和 Ui,然后按 UR =US-Ui 求出 UR 值。 ② 电阻 R 的值不宜取得过大或过小,以免产生较大的测量误差,通常取 R 与 Ri 为同一数量级为好, 本实验可取 R=1~2KΩ 。 3) 输出电阻 R0 的测量 按图 2-4 电路,在放大器正常工作条件下,测出输出端不接负载 RL 的输出电压 UO 和接入负载后的输 出电压 UL,根据
UL ? RL RO ? RL UO

即可求出
RO ?( UO UL ? 1)R
L

在测试中应注意,必须保持 RL 接入前后输入信号的大小不变。 4) 最大不失真输出电压 UOPP 的测量(最大动态范围) 如上所述,为了得到最大动态范围,应将静态工作点调在交流负载线的中点。为此在放大器正常工作 情况下,逐步增大输入信号的幅度,并同时调节 RW(改变静态工作点) ,用示波器观察 uO,当输出波形同 时出现削底和缩顶现象(如图 2-5)时,说明静态工作点已调在交流负载线的中点。然后反复调整输入信

7

号,使波形输出幅度最大,且无明显失真时,用交流毫伏表测出 UO(有效值) ,则动态范围等于 2 2 U 0 。 或用示波器直接读出 UOPP 来。

图 2-5 静态工作点正常,输入信号太大引起的失真 5) 放大器幅频特性的测量 放大器的幅频特性是指放大器的电压放大倍数 AU 与输入信号频率 f 之间的关系曲线。单管阻容耦合 放大电路的幅频特性曲线如图 2-6 所示,Aum 为中频电压放大倍数,通常规定电压放大倍数随频率变化下 降到中频放大倍数的 1 / fBW=fH-fL 放大器的幅率特性就是测量不同频率信号时的电压放大倍数 AU。为此,可采用前述测 AU 的方法,每 改变一个信号频率,测量其相应的电压放大倍数,测量时应注意取点要恰当,在低频段与高频段应多测几 点,在中频段可以少测几点。此外,在改变频率时,要保持输入信号的幅度不变,且输出波形不得失真。 6) 干扰和自激振荡的消除 参考实验附录
2 倍,即 0.707Aum 所对应的频率分别称为下限频率 fL 和上限频率 fH,则通频带

3DG 3CG

9011(NPN) 9012(PNP) 9013(NPN)

图 2-6 幅频特性曲线

图 2-7 晶体三极管管脚排列

三、实验设备与器件
1、+12V 直流电源 3、双踪示波器 2、函数信号发生器 4、交流毫伏表

8

5、直流电压表 7、频率计

6、直流毫安表 8、万用电表

9、晶体三极管 3DG6×1(β =50~100)或 9011×1 (管脚排列如图 2-7 所示)电阻器、电容器若干

四、实验内容
实验电路如图 2-1 所示。各电子仪器可按实验一中图 1-1 所示方式连接,为防止干扰,各仪器的公 共端必须连在一起, 同时信号源、 交流毫伏表和示波器的引线应采用专用电缆线或屏蔽线, 如使用屏蔽线, 则屏蔽线的外包金属网应接在公共接地端上。 1、调试静态工作点 接通直流电源前,先将 RW 调至最大, 函数信号发生器输出旋钮旋至零。接通+12V 电源、调节 RW, 使 IC=2.0mA(即 UE=2.0V) 用直流电压表测量 UB、UE、UC 及用万用电表测量 RB2 值。记入表 2-1。 ,

表 2-1

IC=2mA 测 UB(V) UE(V) 量 值 UC(V) RB2(KΩ ) UBE(V) 计 算 值 IC(mA)

UCE(V)

2、测量电压放大倍数 在放大器输入端加入频率为 1KHz 的正弦信号 uS,调节函数信号发生器的输出旋钮使放大器输入电压 Ui ? 10mV,同时用示波器观察放大器输出电压 uO 波形,在波形不失真的条件下用交流毫伏表测量下述三种 情况下的 UO 值,并用双踪示波器观察 uO 和 ui 的相位关系,记入表 2-2。 表 2-2 RC(KΩ ) 2.4 1.2 2.4 Ic=2.0mA RL(KΩ ) ∞ ∞ 2.4 Uo(V) Ui= mV AV 观察记录一组 uO 和 u1 波形

3、观察静态工作点对电压放大倍数的影响 置 RC=2.4KΩ ,RL=∞,Ui 适量,调节 RW,用示波器监视输出电压波形,在 uO 不失真的条件下,测量 数组 IC 和 UO 值,记入表 2-3。 表 2-3 RC=2.4KΩ RL=∞ Ui= mV

9

IC(mA) UO(V) AV

2.0

测量 IC 时,要先将信号源输出旋钮旋至零(即使 Ui=0) 。 4、观察静态工作点对输出波形失真的影响 置 RC=2.4KΩ ,RL=2.4KΩ , ui=0,调节 RW 使 IC=2.0mA,测出 UCE 值,再逐步加大输入信号,使输 出电压 u0 足够大但不失真。 然后保持输入信号不变,分别增大和减小 RW,使波形出现失真,绘出 u0 的波 形,并测出失真情况下的 IC 和 UCE 值,记入表 2-4 中。每次测 IC 和 UCE 值时都要将信号源的输出旋钮旋至 零。 表 2-4 RC=2.4KΩ UCE(V) RL=∞ Ui= mV 失真情况 管子工作状态

IC(mA)

u0 波形

2.0

5、测量最大不失真输出电压 置 RC=2.4KΩ ,RL=2.4KΩ ,按照实验原理 2.4)中所述方法,同时调节输入信号的幅度和电位器 RW, 用示波器和交流毫伏表测量 UOPP 及 UO 值,记入表 2-5。用示波器观察输出波形,使输出达到最大,不失真。 表 2-5 IC(mA) RC=2.4K RL=2.4K Uim(mV) Uom(V) UOPP(V)

*6、测量输入电阻和输出电阻 置 RC=2.4KΩ ,RL=2.4KΩ ,IC=2.0mA。输入 f=1KHz 的正弦信号,在输出电压 uo 不失真的情况下, 用交流毫伏表测出 US,Ui 和 UL 记入表 2-6。 保持 US 不变,断开 RL,测量输出电压 Uo,记入表 2-6。

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表 2-6

Ic=2mA US (mv)

Rc=2.4KΩ

RL=2.4KΩ Ri(KΩ ) R0(KΩ ) 测量值 计算值

Ui (mv)

U(V) U(V) L O

测量值

计算值

*7、测量幅频特性曲线 取 IC=2.0mA,RC=2.4KΩ ,RL=2.4KΩ 。 保持输入信号 ui 的幅度不变,改变信号源频率 f,逐点测 出相应的输出电压 UO,记入表 2-7。 表 2-7 Ui= mV fl f(KHz) UO(V) AV=UO/Ui 为了信号源频率 f 取值合适,可先粗测一下,找出中频范围, 然后再仔细读数。 说明:本实验内容较多,其中 6、7 可作为选作内容。 fo fn

五、实验总结
1、 列表整理测量结果,并把实测的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻、输出电阻之值与理论计 算值比较(取一组数据进行比较) ,分析产生误差原因。 2、总结 RC,RL 及静态工作点对放大器电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的影响。 3、讨论静态工作点变化对放大器输出波形的影响。 4、分析讨论在调试过程中出现的问题。

六、预习要求
1、阅读教材中有关单管放大电路的内容并估算实验电路的性能指标。 假设:3DG6 的β =100,RB1=20KΩ ,RB2=60KΩ ,RC=2.4KΩ ,RL=2.4KΩ 。 估算放大器的静态工作点,电压放大倍数 AV,输入电阻 Ri 和输出电阻 RO 2、阅读实验附录中有关放大器干扰和自激振荡消除内容。 3、 能否用直流电压表直接测量晶体管的 UBE? 为什么实验中要采用测 UB、 E, U 再间接算出 UBE 的方法? 4、怎样测量 RB2 阻值? 5、当调节偏置电阻 RB2,使放大器输出波形出现饱和或截止失真时,晶体管的管压降 UCE 怎样变化? 6、改变静态工作点对放大器的输入电阻 Ri 有否影响?改变外接电阻 RL 对输出电阻 RO 有否影响? 7、在测试 AV,Ri 和 RO 时怎样选择输入信号的大小和频率?

11

为什么信号频率一般选 1KHz,而不选 100KHz 或更高? 8、测试中,如果将函数信号发生器、交流毫伏表、示波器中任一仪器的二个测试端子接线换位(即各 仪器的接地端不再连在一起) ,将会出现什么问题?

注:附图 2-1 所示为共射极单管放大器与带有负反馈的两级放大器共用实验模块。如将 K1、K2 断开, 则前级(Ⅰ)为典型电阻分压式单管放大器;如将 K1、K2 接通,则前级(Ⅰ)与后级(Ⅱ)接通,组成带有 电压串联负反馈两级放大器。

附图 2-1

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实验四
一、实验目的

负反馈放大器

加深理解放大电路中引入负反馈的方法和负反馈对放大器各项性能指标的影响。

二、实验原理
负反馈在电子电路中有着非常广泛的应用,虽然它使放大器的放大倍数降低,但能在多方面改善放大 器的动态指标,如稳定放大倍数,改变输入、输出电阻,减小非线性失真和展宽通频带等。因此,几乎所 有的实用放大器都带有负反馈。 负反馈放大器有四种组态,即电压串联,电压并联,电流串联,电流并联。本实验以电压串联负反馈 为例,分析负反馈对放大器各项性能指标的影响。 1、图 4-1 为带有负反馈的两级阻容耦合放大电路,在电路中通过 Rf 把输出电压 uo 引回到输入端, 加在晶体管 T1 的发射极上,在发射极电阻 RF1 上形成反馈电压 uf。根据反馈的判断法可知,它属于电压串 联负反馈。 主要性能指标如下 1) 闭环电压放大倍数
A Vf ? AV 1 ? A V FV

其中 AV=UO/Ui — 基本放大器(无反馈)的电压放大倍数,即开环电压放大倍数。 1+AVFV — 反馈深度,它的大小决定了负反馈对放大器性能改善的程度。

图 4-1 带有电压串联负反馈的两级阻容耦合放大器

2)

反馈系数

13

FV ?

R F1 R f ? R F1

3) 输入电阻 Rif=(1+AVFV )Ri Ri — 基本放大器的输入电阻 4) 输出电阻
R Of ? RO 1 ? A VO F V

RO — 基本放大器的输出电阻 AVO — 基本放大器 RL=∞时的电压放大倍数 2、本实验还需要测量基本放大器的动态参数,怎样实现无反馈而得到基本放大器呢?不能简单地断 开反馈支路,而是要去掉反馈作用,但又要把反馈网络的影响(负载效应)考虑到基本放大器中去。为此: 1) 在画基本放大器的输入回路时,因为是电压负反馈,所以可将负反馈放大器的输出端交流短路, 即令 uO=0,此时 Rf 相当于并联在 RF1 上。 2) 在画基本放大器的输出回路时,由于输入端是串联负反馈,因此需将反馈放大器的输入端(T1 管 的射极)开路,此时(Rf+RF1)相当于并接在输出端。可近似认为 Rf 并接在输出端。 根据上述规律,就可得到所要求的如图 4-2 所示的基本放大器。

图 4-2 基本放大器

三、实验设备与器件
1、 +12V 直流电源 3、 双踪示波器 5、 交流毫伏表 2、 函数信号发生器 4、 频率计 6、 直流电压表

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7、 晶体三极管 3DG6×2(β =50~100)或 9011×2 电阻器、电容器若干。

四、实验内容
1、 测量静态工作点 按图 4-1 连接实验电路,取 UCC=+12V,Ui=0,用直流电压表分别测量第一级、第二级的静态工作 点,记入表 4-1。

表 4-1 UB(V) 第一级 第二级 UE(V) UC(V) IC(mA)

2、测试基本放大器的各项性能指标 将实验电路按图 4-2 改接,即把 Rf 断开后分别并在 RF1 和 RL 上,其它连线不动。 1) 测量中频电压放大倍数 AV,输入电阻 Ri 和输出电阻 RO。 ① 以 f=1KHZ,US 约 5mV 正弦信号输入放大器, 用示波器监视输出波形 uO,在 uO 不失真的情况下, 用交流毫伏表测量 US、Ui、UL,记入表 4-2。 表 4-2 US (mv) 基本放大器 US (mv) 负反馈放大器 Ui (mv) UL (V) UO (V) Rif (KΩ ) ROf (KΩ ) Ui (mv) UL (V) UO (V) AV Ri (KΩ ) RO (KΩ )

AVf

②保持 US 不变,断开负载电阻 RL(注意,Rf 不要断开) ,测量空载时的输出电压 UO,记入表 4-2。 2) 测量通频带 接上 RL,保持 1)中的 US 不变,然后增加和减小输入信号的频率,找出上、下限频率 fh 和 fl,记入表 4-3。 3、测试负反馈放大器的各项性能指标 将实验电路恢复为图 4-1 的负反馈放大电路。 适当加大 US(约 10mV) ,在输出波形不失真的条件下, 测量负反馈放大器的 AVf、Rif 和 ROf, 记入表 4-2;测量 fhf 和 fLf,记入表 4-3。

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表 4-3 fL(KHz) 基本放大器 fH(KHz) △f(KHz)

fLf(KHz) 负反馈放大器

fHf(KHz)

△ff(KHz)

*4、观察负反馈对非线性失真的改善 1)实验电路改接成基本放大器形式,在输入端加入 f=1KHz 的正弦信号,输出端接示波器,逐渐增大 输入信号的幅度,使输出波形开始出现失真,记下此时的波形和输出电压的幅度。 2)再将实验电路改接成负反馈放大器形式,增大输入信号幅度,使输出电压幅度的大小与 1)相同,比 较有负反馈时,输出波形的变化。

五、实验总结
1、将基本放大器和负反馈放大器动态参数的实测值和理论估算值列表进行比较。 2、根据实验结果,总结电压串联负反馈对放大器性能的影响。

六、预习要求
1、复习教材中有关负反馈放大器的内容。 2、按实验电路 4-1 估算放大器的静态工作点(取β 1=β 2=100) 。 3、怎样把负反馈放大器改接成基本放大器?为什么要把 Rf 并接在输入和输出端? 4、估算基本放大器的 AV,Ri 和 RO;估算负反馈放大器的 AVf、Rif 和 ROf,并验算它们之间的关系。 5、如按深负反馈估算,则闭环电压放大倍数 AVf=? 和测量值是否一致?为什么? 6、如输入信号存在失真,能否用负反馈来改善? 7、怎样判断放大器是否存在自激振荡?如何进行消振?

注:如果实验装置上有放大器的固定实验模块,则可参考实验二附图 2-1 进行实验。

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实验五

射极跟随器

一、实验目的
1、 掌握射极跟随器的特性及测试方法 2、 进一步学习放大器各项参数测试方法

二、实验原理
射极跟随器的原理图如图 5-1 所示。 它是一个电压串联负反馈放大电路,它具有输入电阻高,输出 电阻低,电压放大倍数接近于 1,输出电压能够在较大范围内跟随输入电压作线性变化以及输入、输出信 号同相等特点。

图 5-1

射极跟随器

射极跟随器的输出取自发射极,故称其为射极输出器。 1、输入电阻 Ri 图 5-1 电路 Ri=rbe+(1+β )RE 如考虑偏置电阻 RB 和负载 RL 的影响,则 Ri=RB∥[rbe+(1+β )(RE∥RL)] 由上式可知射极跟随器的输入电阻 Ri 比共射极单管放大器的输入电阻 Ri=RB∥rbe 要高得多,但由于偏 置电阻 RB 的分流作用,输入电阻难以进一步提高。 输入电阻的测试方法同单管放大器,实验线路如图 5-2 所示。

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图 5-2 射极跟随器实验电路
Ui Ii Ui Us ? Ui

Ri ?

?

R

即只要测得 A、B 两点的对地电位即可计算出 Ri。 2、输出电阻 RO 图 5-1 电路
RO ? r be β ∥ RE ? r be β

如考虑信号源内阻 RS,则
RO ? r be ? (R S ∥ R B ) β ∥ RE ? r be ? (R S ∥ R B ) β

由上式可知射极跟随器的输出电阻 R0 比共射极单管放大器的输出电阻 RO≈RC 低得多。 三极管的β 愈高, 输出电阻愈小。 输出电阻 RO 的测试方法亦同单管放大器,即先测出空载输出电压 UO,再测接入负载 RL 后的输出电压 UL,根据
UL ? RL RO ? RL UO

即可求出 RO
R O ?( UO UL ? 1)R
L

3、电压放大倍数 图 5-1 电路
AV ? (1 ? β )(R
E

∥ RL)
E

r be ? (1 ? β )(R

∥ RL)

≤ 1

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上式说明射极跟随器的电压放大倍数小于近于 1,且为正值。 这是深度电压负反馈的结果。但它的 射极电流仍比基流大(1+β )倍, 所以它具有一定的电流和功率放大作用。 4、电压跟随范围 电压跟随范围是指射极跟随器输出电压 uO 跟随输入电压 ui 作线性变化的区域。 ui 超过一定范围时, 当 uO 便不能跟随 ui 作线性变化,即 uO 波形产生了失真。为了使输出电压 uO 正、负半周对称,并充分利用电压 跟随范围, 静态工作点应选在交流负载线中点, 测量时可直接用示波器读取 uO 的峰峰值, 即电压跟随范围; 或用交流毫伏表读取 uO 的有效值,则电压跟随范围 U0P-P=2 2 UO

三、实验设备与器件
1、+12V 直流电源 3、双踪示波器 5、直流电压表 2、函数信号发生器 4、交流毫伏表 6、频率计

7、3DG12×1 (β =50~100)或 9013 电阻器、电容器若干。

四、实验内容
按图 5-2 组接电路 1、静态工作点的调整 接通+12V 直流电源,在 B 点加入 f=1KHz 正弦信号 ui,输出端用示波器监视输出波形,反复调整 RW 及信号源的输出幅度,使在示波器的屏幕上得到一个最大不失真输出波形,然后置 ui=0,用直流电压表 测量晶体管各电极对地电位,将测得数据记入表 5-1。 表 5-1 UE(V) UB(V) UC(V) IE(mA)

在下面整个测试过程中应保持 RW 值不变(即保持静工作点 IE 不变) 。 2、测量电压放大倍数 Av 接入负载 RL=1KΩ ,在 B 点加 f=1KHz 正弦信号 ui,调节输入信号幅度,用示波器观察输出波形 uo, 在输出最大不失真情况下,用交流毫伏表测 Ui、UL 值。记入表 5-2。 表 5-2

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Ui(V)

UL(V)

AV

3、测量输出电阻 R0 接上负载 RL=1K,在 B 点加 f=1KHz 正弦信号 ui,用示波器监视输出波形,测空载输出电压 UO,有负 载时输出电压 UL,记入表 5-3。 表 5-3 U0(V) UL(V) RO(KΩ )

4、测量输入电阻 Ri 在 A 点加 f=1KHz 的正弦信号 uS,用示波器监视输出波形,用交流毫伏表分别测出 A、B 点对地的电 位 US、Ui,记入表 5-4。 表 5-4 US(V) Ui(V) Ri(KΩ )

5、测试跟随特性 接入负载 RL=1KΩ ,在 B 点加入 f=1KHz 正弦信号 ui,逐渐增大信号 ui 幅度,用示波器监视输出波形 直至输出波形达最大不失真,测量对应的 UL 值,记入表 5-5。 表 5-5 Ui(V) UL(V)

6、测试频率响应特性 保持输入信号 ui 幅度不变,改变信号源频率,用示波器监视输出波形,用交流毫伏表测量不同频率 下的输出电压 UL 值,记入表 5-6。 表 5-6 f(KHz) UL(V)

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五、预习要求
1、复习射极跟随器的工作原理。 2、根据图 5-2 的元件参数值估算静态工作点,并画出交、直流负载线。

六、实验报告
1、 整理实验数据,并画出曲线 UL=f(Ui)及 UL=f(f)曲线。 2、 分析射极跟随器的性能和特点。 附:采用自举电路的射极跟随器 在一些电子测量仪器中,为了减轻仪器对信号源所取用的电流,以提高测量精度,通常采用附图 5- 1 所示带有自举电路的射极跟随器,以提高偏置电路的等效电阻,从而保证射极跟随器有足够高的输入电 阻。

附图 5-1 有自举电路的射极跟随器

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实验八

集成运算放大器的基本应用(I) ─ 模拟运算电路 ─

一、实验目的
1、研究由集成运算放大器组成的比例、加法、减法和积分等基本运算电路的功能。 2、了解运算放大器在实际应用时应考虑的一些问题。

二、实验原理
集成运算放大器是一种具有高电压放大倍数的直接耦合多级放大电路。当外部接入不同的线性或非线 性元器件组成输入和负反馈电路时, 可以灵活地实现各种特定的函数关系。 在线性应用方面, 可组成比例、 加法、减法、积分、微分、对数等模拟运算电路。 理想运算放大器特性 在大多数情况下,将运放视为理想运放,就是将运放的各项技术指标理想化,满足下列条件的运算放 大器称为理想运放。 开环电压增益 Aud=∞ 输入阻抗 输出阻抗 带宽 ri=∞ ro=0 fBW=∞

失调与漂移均为零等。 理想运放在线性应用时的两个重要特性: (1)输出电压 UO 与输入电压之间满足关系式 UO=Aud(U+-U-) 由于 Aud=∞,而 UO 为有限值,因此,U+-U-≈0。即 U+≈U-,称为“虚短” 。 (2)由于 ri=∞,故流进运放两个输入端的电流可视为零,即 IIB=0,称为“虚断” 。这说明运放对其 前级吸取电流极小。 上述两个特性是分析理想运放应用电路的基本原则,可简化运放电路的计算。 基本运算电路 1) 反相比例运算电路 电路如图 8-1 所示。对于理想运放, 该电路的输出电压与输入电压之间的关系为
UO ? ? RF R1 Ui

为了减小输入级偏置电流引起的运算误差,在同相输入端应接入平衡电阻 R2=R1 // RF。

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图 8-1 反相比例运算电路 2) 反相加法电路

图 8-2 反相加法运算电路

电路如图 8-2 所示,输出电压与输入电压之间的关系为
U O ? ?( RF R1 U i1 ? RF R2 U i2 )

R3=R1 / R2 / RF / /

3) 同相比例运算电路 图 8-3(a)是同相比例运算电路,它的输出电压与输入电压之间的关系为
U O ? (1 ? RF R1 )U
i

R2=R1 / RF /

当 R1→∞时,UO=Ui,即得到如图 8-3(b)所示的电压跟随器。图中 R2=RF,用以减小漂移和起保护作 用。一般 RF 取 10KΩ , RF 太小起不到保护作用,太大则影响跟随性。

(a) 同相比例运算电路 图 8-3 同相比例运算电路 4) 差动放大电路(减法器)

(b) 电压跟随器

对于图 8-4 所示的减法运算电路,当 R1=R2,R3=RF 时, 有如下关系式
UO ? RF R1 (U
i2

? U i1 )

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图 8-4 减法运算电路图 5) 积分运算电路

8-5 积分运算电路

反相积分电路如图 8-5 所示。在理想化条件下,输出电压 uO 等于
u O (t) ? ? 1 R 1C

?

t o

u i dt ? u C (o)

式中 uC(o)是 t=0 时刻电容 C 两端的电压值,即初始值。 如果 ui(t)是幅值为 E 的阶跃电压,并设 uc(o)=0,则
u O (t) ? ? 1 R1C

?

t o

Edt ? -

E R 1C

t

即输出电压 uO(t)随时间增长而线性下降。显然 RC 的数值越大,达到给定的 UO 值所需的时间就越长。 积分输出电压所能达到的最大值受集成运放最大输出范围的限值。 在进行积分运算之前,首先应对运放调零。为了便于调节,将图中 K1 闭合,即通过电阻 R2 的负反馈作 用帮助实现调零。但在完成调零后,应将 K1 打开,以免因 R2 的接入造成积分误差。K2 的设置一方面为积分 电容放电提供通路,同时可实现积分电容初始电压 uC(o)=0,另一方面,可控制积分起始点,即在加入信 号 ui 后, 只要 K2 一打开, 电容就将被恒流充电,电路也就开始进行积分运算。

三、实验设备与器件
1、±12V 直流电源 3、交流毫伏表 2、函数信号发生器 4、直流电压表

5、集成运算放大器μ A741×1 电阻器、电容器若干。

四、实验内容
实验前要看清运放组件各管脚的位置; 切忌正、 负电源极性接反和输出端短路, 否则将会损坏集成块。 1、反相比例运算电路

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1) 按图 8-1 连接实验电路,接通±12V 电源,输入端对地短路,进行调零和消振。 2) 输入 f=100Hz,Ui=0.5V 的正弦交流信号,测量相应的 UO,并用示波器观察 uO 和 ui 的相位关系, 记入表 8-1。 表 8-1 Ui=0.5V,f=100Hz Ui(V) U0(V) ui 波形 uO 波形 实测值 AV 计算值

2、同相比例运算电路 1) 按图 8-3(a)连接实验电路。实验步骤同内容 1,将结果记入表 8-2。 2) 将图 8-3(a)中的 R1 断开,得图 8-3(b)电路重复内容 1)。 表 8-2 Ui=0.5V Ui(V) UO(V) f=100Hz ui 波形 uO 波形 实测值 AV 计算值

3、 反相加法运算电路 1) 按图 8-2 连接实验电路。调零和消振。 2) 输入信号采用直流信号,图 8-6 所示电路为简易直流信号源,由实验者自行完成。实验时要注意 选择合适的直流信号幅度以确保集成运放工作在线性区。用直流电压表测量输入电压 Ui1、Ui2 及输出电压 UO,记入表 8-3。

图 8-6 简易可调直流信号源

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表 8-3 Ui1(V) Ui2(V) UO(V)

4、减法运算电路 1) 按图 8-4 连接实验电路。调零和消振。 2) 采用直流输入信号,实验步骤同内容 3,记入表 8-4。 表 8-4 Ui1(V) Ui2(V) UO(V) 5、积分运算电路 实验电路如图 8-5 所示。 1) 打开 K2,闭合 K1,对运放输出进行调零。 2) 调零完成后,再打开 K1,闭合 K2,使 uC(o)=0。 3) 预先调好直流输入电压 Ui=0.5V,接入实验电路,再打开 K2,然后用直流电压表测量输出电压 UO,每隔 5 秒读一次 UO,记入表 8-5,直到 UO 不继续明显增大为止。 表 8-5 t(s) U0(V) 0 5 10 15 20 25 30 ??

五、实验总结
1、 整理实验数据,画出波形图(注意波形间的相位关系) 。 2、 将理论计算结果和实测数据相比较,分析产生误差的原因。 3、 分析讨论实验中出现的现象和问题。

六、预习要求
1、 复习集成运放线性应用部分内容,并根据实验电路参数计算各电路输出电压的理论值。 2、 在反相加法器中,如 Ui1 和 Ui2 均采用直流信号,并选定 Ui2=-1V,当考虑到运算放大器的最大 输出幅度(±12V)时,|Ui1|的大小不应超过多少伏?

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3、 在积分电路中,如 R1=100KΩ , C=4.7μ F,求时间常数。 假设 Ui=0.5V,问要使输出电压 UO 达到 5V,需多长时间(设 uC(o)=0)? 4、 为了不损坏集成块,实验中应注意什么问题?

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实验九

集成运算放大器的基本应用(Ⅱ) ─ 电压比较器 ─

一、实验目的
1、 掌握电压比较器的电路构成及特点 2、 学会测试比较器的方法

二、实验原理
电压比较器是集成运放非线性应用电路, 它将一个模拟量电压信号和一个参考电压相比较, 在二者幅 度相等的附近,输出电压将产生跃变,相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及 应用于模拟与数字信号转换等领域。 图 9-1 所示为一最简单的电压比较器,UR 为参考电压,加在运放的同相输入端,输入电压 ui 加在反 相输入端。

(a)电路图 图 9-1 电压比较器

(b)传输特性

当 ui<UR 时,运放输出高电平,稳压管 Dz 反向稳压工作。输出端电位被其箝位在稳压管的稳定电压 UZ,即 uO=UZ uo=-UD

当 ui>UR 时,运放输出低电平,DZ 正向导通,输出电压等于稳压管的正向压降 UD,即 因此,以 UR 为界,当输入电压 ui 变化时,输出端反映出两种状态。高电位和低电位。

表示输出电压与输入电压之间关系的特性曲线,称为传输特性。 图 10-1(b)为(a)图比较器的传输特 性。 常用的电压比较器有过零比较器、具有滞回特性的过零比较器、双限比较器(又称窗口比较器)等。 1、过零比较器 电路如图 9-2 所示为加限幅电路的过零比较器,DZ 为限幅稳压管。信号从运放的反相输入端输入,参 考电压为零,从同相端输入。当 Ui>0 时,输出 UO=-(UZ+UD),当 Ui<0 时,UO=+(UZ+UD)。其电压传输特性 如图 9-2(b)所示。 过零比较器结构简单,灵敏度高,但抗干扰能力差。

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(a) 过零比较器

(b) 电压传输特性 图 9-2 过零比较器

2、滞回比较器 图 9-3 为具有滞回特性的过零比较器 过零比较器在实际工作时,如果 ui 恰好在过零值附近,则由于零点漂移的 存在, O 将不断由一个极限值转换到另一个极限值, u 这在控制系统中, 对执行机构将是很不利的。 为此, 就 需要输出特性具有滞回现象。 如图 9-3 所示,从输出端引一个电阻分压正反馈支路到同相输入端,若 uo 改变状态,∑点也随

(a) 电路图

(b) 传输特性 图 9-3 滞回比较器

着改变电位,使过零点离开原来位置。当 uo 为正(记作 U+) U ? ?

R2 Rf ? R2

U ? ,则当 ui>U∑后,uO 即由

正变负(记作 U-) ,此时 U∑变为-U∑。故只有当 ui 下降到-U∑以下,才能使 uO 再度回升到 U+,于是出现图 10-3(b)中所示的滞回特性。 -U∑与 U∑的差别称为回差。改变 R2 的数值可以改变回差的大小。 3、窗口(双限)比较器 简单的比较器仅能鉴别输入电压 ui 比参考电压 UR 高或低的情况,窗口比较电路是由两个简单比较器 组成,如图 9-4 所示,它能指示出 ui 值是否处于 U R 和 U R 之间。如 U R <Ui< U R ,窗口比较器的输出电 压 UO 等于运放的正饱和输出电压(+Uomax),如果 Ui< U R 或 Ui> U R ,则输出电压 U0 等于运放的负饱和输出 电压

? ?





?

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(-UOmax)。

(a)电路图

(b)传输特性 图 9-4 由两个简单比较器组成的窗口比较器

三、实验设备与器件
1、 ±12V 直流电源 2、 函数信号发生器 3、 双踪示波器 7、稳压管 2CW231×1 电阻器等 4、 直流电压表 5、 交流毫伏表 6、 运算放大器 μ A741×2 8、 二极管 4148×2

四、实验内容
1、过零比较器 实验电路如图 9-2 所示 (1) 接通±12V 电源。 (2) 测量 ui 悬空时的 UO 值。 (3) ui 输入 500Hz、幅值为 2V 的正弦信号,观察 ui→uO 波形并记录。 (4) 改变 ui 幅值,测量传输特性曲线。

图 9-5 反相滞回比较器

2、 反相滞回比较器

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实验电路如图 9-5 所示 (1) 按图接线,ui 接+5V 可调直流电源,测出 uO 由+Uomcx→-Uomcx 时 ui 的临界值。 (2) 同上,测出 uO 由-Uomcx→+Uomcx 时 ui 的临界值。 (3) ui 接 500Hz,峰值为 2V 的正弦信号,观察并记录 ui→uO 波形。 (4) 将分压支路 100K 电阻改为 200K,重复上述实验,测定传输特性。 3、 同相滞回比较器 实验线路如图 9-6 所示 (1) 参照 2,自拟实验步骤及方法 (2) 将结果与 2 进行比较

图 9-6 同相滞回比较器

4、 窗口比较器 参照图 10-4 自拟实验步骤和方法测定其传输特性。

五、实验总结
1、 整理实验数据,绘制各类比较器的传输特性曲线 2、 总结几种比较器的特点,阐明它们的应用。

六、预习要求
1、 复习教材有关比较器的内容 2、 画出各类比较器的传输特性曲线。 3、若要将图 10-4 窗口比较器的电压传输曲线高、低电平对调,应如何改动比较器电路。

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