电工技能培训专题-双口网络的特性研究

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1、实验十三实验十三 双口网络的特性研究双口网络的特性研究 一、实验目的一、实验目的 1 双口网络的表达方法及其互易条件。 2 掌握晶体管放大器直流工作点的调节方法和交流等效电路的概念。 3 掌握H参数的测量。 4 掌握 11 h， 12 h， 21 h， 22 h对放大器性能的影响和放大器输入电阻、输出电阻、电压放大 倍数的测量方法。 二、实验原理二、实验原理 一个网络 N， 具有一个输入端口和一个输出端口， 网络由集总、 线性、 时不变元件构成， 其内部不含有独立电源(可以含有受控源)和初始条件为零， 称为双口网络， 如图 131 所示。 图 131 因为电压、电流容易测量，且根据端口特性的不

2、同，有的端口只能是压控，有的端口只 能是流控，有的端口既是压控又是流控。因此，一般而言，用不同的激励来表示响应有如下 一些表达式： 1阻抗参数)(SZ )( )( )( )( 21 11 2 1 SZ SZ SU SU ) 1 ( )( )( )( )( 2 1 22 12 SI SI SZ SZ 互易条件：)()( 2112 SZSZ 2导纳参数)(SY 21 11 2 1 y y I I )2( 2 1 22 12 U U y y 互易条件：YY 1221 3混合参数)(SH 21 11 2 1 h h I U ) 3( 2 1 22 12 U I h h 互易条件： 2112 hh 混合

3、参数的另一种表达方式为： 21 11 2 1 g g U I )4( 2 1 22 12 I U g g 互易条件： 2112 gg 4传输参数 C A I U 1 1 )5( 2 2 I U D B 互易条件：1BCAD 传输参数的另一表达方法为： 2 2 C A I U )6( 1 1 I U D B 互易条件是：1 CBDA 常用的是式(1)，(2)，(3)和(5)这四种，一个双口网络根据给定的条件的不同，会采用不 同的参数表示双口，如)(SZ主要用于电阻网络；)(SY主要用于高频电路；)(SH主要用 于低频电路；传输参数主要用于通信系统和电子系统。 下面以式(3)混合参数为例，在正弦稳

4、态的条件下，说明参数的测量和等效电路的概念。 由混合参数方程（又称 h 参数方程） )7( 2 22 1 21 2 2 12 1 11 1 UhIhI UhIhU 式中， 11 h， 12 h， 21 h， 22 h即双口网络的 h 参数，它们的定义分别为： 0 2 1 1 11 U I U h 01 2 1 12 I U U h 0 2 1 2 21 U I I h 01 2 2 22 I U I h 其中， 11 h具有阻抗的性质， 22 h具有导纳的性质，而 12 h、 21 h均无量纲，故h参数又 称混合参数。 11 h表示端口2短路时，在端口1处的输入阻抗。 22 h表示在端口1 开

5、路时，在端口2处的输出导纳。 12 h表示1端口开路时两个端口电压之比。 21 h表示 2端口短路时两端口电流之比。 双口网络可用图 132 所示等效电路来表示，称为 h 参数等效电路。 图 132 当0, 0 2212 hh时，则有图 133 所示的等效电路。 图 133 在电子技术中，用来构成双口的器件很多，如晶体管、场效应管(MOSFET)等，下面以 晶体管放大器为例作如下说明。 晶体管是电流控制器件，(MOSFET 为电压控制器件)，将直流电能转化为交流电能。 图 134 对于图 134 所示的电路，在线性放大区工作时，有直流工作状态为： BC II BE II)1 ( )8( B C

6、 I I 称为直流放大倍数，且有 )9( b BEc B R UE I )10( CCCCE RIEU 对于交流工作状态，注意如下两条原则： 1 电容对交流相当于短路，(即 1 1 C ， 2 1 C 与其它元件参数相比，可忽略不计)。 2 直流电压源对交流相当于短路。 因此，如图 134 所示的一个晶体管放大器，其交流通路如图 135 所示。 图 135 用简化的h参数来表示虚线框内的双口，其等效电路如图 136 所示。 图 136 下面讨论如何测出h参数。假定输入信号)(tui是正弦信号，频率为KHz1，采用相量 法，将(7)式写成： 21 11 2 1 h h I U 2 1 22 12

7、 U I h h )11( 0 2 1 1 11 U I U h 11 h是晶体管输出交流短路时输入阻抗， 测量 11 h的方法是： 在图 134 中的晶体管集电 极与发射极之间并接一个 10F 电容 （如图 134 中的 2 C直接接地） ， 使0 2 U， 式中 1 U 为晶体管基极对发射极的正弦交流电压。 信号源)(tui串接一个已知电阻 S R加到放大器。 目 的是为了测量 S I)( 1 S S S R UU I 。图 135 中晶体管基极的 KCL 方程为： ititi t SRB 1 ， 因为 i tit RB1 ， 所以测得 S I， 即可以得到 S II1， 然后利用式 （1

8、1） 求出 11 h。 )12( 01 2 1 12 I U U h h12是晶体管输入端开路时电压反馈系数。测量h12的方法是：在图 134 电路中，将信 号源输入断开，使I 10，将信号源)(tui和RS通过C2加到放大器的集电极与发射极之间， 2 U的电压有效值不要超过 1V，测出 1 U和 2 U，然后利用式（12）求出h12。 )13( 0 2 1 2 21 U I I h h21是晶体管输出交流短路时电流放大系数。测量h21的方法是：严格讲，必须将放大器 输出端并接电容，使输出交流短路，即0 2 U，然后在晶体管的基极与集电极之间各串接 一块电流表（交流） ，然后分别测出I1 和I

9、2 ，按式（13）求出h21。为了不使用交流电流表， 又要测出I1 和I2 ，我们作如下近似处理：输出端交流不短路（因为实际上h12的影响极小， 故对放大器参数测试影响不大） ，信号源)(tui串接RS加到放大器输入端，则有 )14( 1 1 S S S R UU II I2 是通过如下方法测得：在I1 的作用下，用交流电压表测得集电极电阻RC两端的电压 C RU ，则有 )15( 2 C R R U I C 然后根据式（14）与式（15）测得的结果，按式（13）求出h21。 )16( 01 2 2 22 I U I h h22是晶体管输入端开路时输出导纳，单位是西门子（S） 。测量h22的方

10、法是：晶体管输入 端开路，按图 134 虚线框内所示，将信号源)(tui与RS通过C2加到放大器的集电极与发 射极之间， 2 U的电压有效值不要超过 1V，测出 2 U和2 I，2 I是通过测量取样电阻RS上的 电压，然后按式(17)计算得出。 )17( 2 2 S S R UU I 最后，按式（16）求出h22。 图 137 三、实验内容及步骤三、实验内容及步骤 1直流放大系数（ FE h）和交流放大系数h21（, fe h）的测量。 按图 137 接线，在Y与Z之间接可变电阻箱R，调节R，使得 ce U分别为 6V，3V， 4.5V 时，分别记录下 Rb、UBE值，数据记录于表 1 中。

11、表 1 EC =9V UCE V6 V3 V5 . 4 Rb UBE IB IC h21（hfe，） 根据直流通路容易得到直流放大系数，即： b BEc b R UE I 测得 C E， BE U和 b R，就可求出 b I。 c CEc c R UE I 测得 C E， CE U和 c R，就可求出 c I。 直流放大系数 B C I I 对于h21（), fe h）的测量，为了简便，可以从以上述数据中得到： B C fe I I hh ),( 21 2电压放大倍数测量 按图 137 接线，接上负载 L R，固定VUCE5 . 4， （通过调节 b R获得） ，输入KHz1正 弦信号，用示波

12、器观察输出信号波形有无失真，可调节输入电压的大小，使输出信号在 最大不失真条件下，测出 L U， o U， 1 U和 S U，求出放大倍数，并画出波形图。 去掉负载 L R，测出 o U， 1 U和 S U，求出放大倍数，并画出波形图。 3 11 h的测量 根据 S S R UU U U I U h 1 1 2 1 1 11 0 ，测量 1 U， S U，即可求出 11 h。 4放大器输出阻抗 o R的测量 可用上面的数据得： L L oc o R U U R) 1( 其中 oc U为负载开路时的电压， L U接上负载时的电压。 5 21 h的测量 除了由实验内容（1）可以求出 21 h（,

13、fe h）外，还可以采用下面测量方法： 0 2 1 2 21 U I I h S S S R UU II 1 1 C RC R U I 2 21 h是输出短路时， 电流放大系数。 在实际测量时， RC U是不接负载电阻时的开路电压。 四、思考题四、思考题 1 从 B I， C I， E I及 1 U和 o U的变化关系中，你如何理解晶体管是一个电流控制器件？ 2 11 h在电子线路中有一个工程上的计算公式，并用 be r来表示， )( )( )(26 )1 (200 mAI mV r E be ， 式中： E I为直流工作点的电流。 根据你的测量数据，判断该公式是否可信？ 3 21 h的测量有 B C fe I I hh ),( 21 和 S S C Rc R UU R U h 1 21 这两式，理论上是否成立？ 4 负载 L R接上或不接，为什么对放大倍数有影响？ 5 归纳测量放大器的输入阻抗和输出阻抗的方法？ 6 在调节直流工作状态时， b R不充许短路，否则损坏晶体管，为什么？ 五、实验设备五、实验设备 1 晶体管放大器实验板 2 双踪示波器 3 函数信号发生器 4 数字万用表 5 直流稳压电源 6 可变电阻箱