單級阻容耦合晶體管放大器課程設(shè)計

1、專業(yè)：班級：設(shè)計題目: 單級阻容耦合晶體管放大器設(shè)計設(shè)計者：學(xué)號：指導(dǎo)老師： 組員：設(shè)計時間：前言通過對模擬電子技術(shù)的學(xué)習(xí)，我對這門課程深入了解，學(xué)到許多知識，如半導(dǎo)體二極管，三極管的應(yīng)用，放大電路的分析方法和應(yīng)用，負(fù)反饋放大電路與基本運算電路性能與作用，信號產(chǎn)生電路等。然而，隨著社會的發(fā)展，電子技術(shù)也飛快發(fā)展，對電子技術(shù)的要求越來越高，所以對動手能力要求高。而我系開設(shè)了模擬電路課程設(shè)計練習(xí)，對學(xué)生的動手能力非常重要。在實際工作中，電子技術(shù)人員需要分析器件、電路的工作原理；驗證器件、電路的功能；對電路進行調(diào)試、分析，排除電路故障；測試器件、電路的性能指標(biāo)；設(shè)計、制作各種實用電路的樣機。所有這些

2、都離不開實驗。此外，實驗還有一個重要任務(wù)，是要培養(yǎng)正確處理數(shù)據(jù)，分析和綜合實驗結(jié)果、檢查和排除故障的能力。同時養(yǎng)成我們勤奮、進取、嚴(yán)肅認(rèn)真、理論聯(lián)系實際的作風(fēng)和為科學(xué)事業(yè)奮斗到底的精神。我們要掌握晶體管放大器的設(shè)計方法，研究晶體管放大器靜態(tài)工作點對輸出波形的影響及靜態(tài)工作調(diào)整方法,通過課程設(shè)計，我們可以提高我們的動手能力和工程設(shè)計能力，為以后走向工作崗位打好基礎(chǔ)。課程設(shè)計為我們學(xué)生創(chuàng)造了一個既動腦有動手，獨立開展實驗的機會，理論與實踐有機的結(jié)合起來，鍛煉分析解決實際問題的本領(lǐng)，真正實現(xiàn)由只是到智能的轉(zhuǎn)化。 在本次實踐中，得到了本組其他組員和老師的大力支持，也得到了其他一些寶貴意見，在此一并感謝

3、。由于時間和經(jīng)驗的關(guān)系，不足之處望加以批評指正，以便提高和完善.2007年11月目 錄1、 設(shè)計課題任務(wù)書-42、 二、 設(shè)計原理-5三、 通過計算選擇元件-10四、 元件、實驗設(shè)備及工具清單-11五、 EWB仿真、PROTEL與PCB圖-12六、 實驗內(nèi)容與方法-14七、 誤差分析與解決方法-17八、 心得體會-18九、 參考文獻-19一、設(shè)計課題任務(wù)書（1）設(shè)計目的1學(xué)習(xí)晶體管放大器的設(shè)計方法。 2研究晶體管放大器靜態(tài)工作點對輸出波形的影響及靜態(tài)工作調(diào)整方法。 3掌握靜態(tài)工作、電壓放大倍數(shù)和輸入電阻輸出電阻的測量方法。4研究信號源內(nèi)阻波形失真的影響。（2）設(shè)計要求和技術(shù)指標(biāo).技術(shù)指標(biāo)：電源

4、電壓為+12V,V1=10mV,外接負(fù)載RL=2k，工作頻率FL500HZ,(高頻率)電路穩(wěn)定性好；電壓放大倍數(shù)大于30，輸入電阻大于2k,Ro2k。2設(shè)計要求：1設(shè)計一個分壓式電流負(fù)反饋偏置的單級公射極小信號放大器，輸入和輸出分別用電容與信號源及負(fù)載之間偶合，設(shè)置靜態(tài)工作點，計算電路元件參數(shù)，擬定測試方案和步驟； 2在面包板或萬能板上安裝好電路，測量并調(diào)整靜態(tài)工作點。 3測量設(shè)計電路的偏置電壓和電流； 4測量所設(shè)計電路的實際電壓放大倍數(shù)； 5測量所設(shè)計電路的實際輸入，輸出電阻； 6給所設(shè)計的電路加上頻率為20KZ，大小合適的正弦波，調(diào)節(jié)偏置電阻，用示波器預(yù)測輸出波形在失真，飽和失真和截止失真

5、三種情形下，記錄相應(yīng)的偏置電阻大小，ICQ和波形，并繪制表格； 7用EWB對電路進行仿真，打印仿真結(jié)果； 二、設(shè)計原理1、工作原理晶體管放大器中廣泛應(yīng)用如圖 1 所示的電路，稱之為阻容耦合共射極放大器。它采用的 是分壓式電流負(fù)反饋偏置電路。放大器的靜態(tài)工作點Q主要由RB1、RB2、RE、RC及電源電壓+VCC所決定。該電路利用電阻RB1、RB2的分壓固定基極電位VBQ。如果滿足條件I1IBQ，當(dāng)溫度升高時，ICQVEQVBEIBQICQ，結(jié)果抑制了ICQ的變化，從而獲得穩(wěn)定的靜態(tài)工作點。1） 靜態(tài)工作情況放大器接通電源后，若無交流輸入信號輸入，則放大電路中只有直流電源作用，電路中的電壓和電流都

6、是直流量，此時的工作狀態(tài)稱為直流工作狀態(tài)或靜態(tài)。晶體管各極電流與各極之間的電壓分別用IBQ、ICQ和UBEQ、UCEQ四個直流參數(shù)表示。它們代表著放大器的輸入、輸出特性曲線上的一個點，稱它們?yōu)榉糯笃鞯撵o態(tài)工作點，用Q表示，如圖2所示。 iB iC IBQ Q ICQ 0 UBEQ uBE 0 UCE uCE圖 2 共發(fā)射極放大器的靜態(tài)工作點2） 動態(tài)工作情況放大電路接入輸入信號ui后的工作狀態(tài)，稱為動態(tài)。在動態(tài)時，放大電路是在輸入電壓ui和直流電壓Ec的共同作用下工作，因此，電路中既有直流分量，又有交流分量，各極的電流和各極間的電壓都在靜態(tài)值的基礎(chǔ)上疊加一個隨輸入信號作相應(yīng)變化的交流分量。如圖

7、3所示。由圖3可得到以下結(jié)論：（a） 在適當(dāng)?shù)撵o態(tài)工作點和輸入信號幅值足夠小的條件下（使晶體管工作在特性曲線的線性區(qū)），晶體管各極的電流（IB、IC）和各極間的壓（uBE、uCE）都是由兩個分量線性疊加而成的脈動量，其中一個是由直流電源EC引起的直流分量，另一個是隨輸入信號ui 而變化的交流分量。（b） 當(dāng)輸入信號ui是正弦波時，電路中的各交流分量都是與輸入信號 ui 同頻率的正弦波，其中 ube、ib、ic、與 ui同相，而uce、uo與ui反相。輸出電壓與輸入電壓相位相反，是共發(fā)射極放大器的一個重要特性。ui iC ic 0 t IC uBE ube 0 t UBE uCE uce 0 t

8、 UCE iB ib IB 0 t 0 t uo （c）輸出電壓uo與輸入電壓ui不但是同頻率 的正弦波，而且uo的幅度比ui的幅度大的多，由 0 t此說明，ui 經(jīng)過電路后被線性放大了。從圖3中 還可以看出，只有輸出信號的交流分量才能反映 輸入信號的變化。因此，放大器的放大作用，只 圖3是指輸出信號的交流分量與輸入信號的關(guān)系，并不包含直流分量。 1 放大電路的非線性失真信號通過放大器后，如果輸出信號的波形與輸入信號的波形不完全一致，則稱為波形失真。由于晶體管特性曲線的非線性所引起的波形失真稱為非線性失真。產(chǎn)生非線性失真的原因與放大器靜態(tài)工作點選擇的是否合適有關(guān)。如圖4所示，由于靜態(tài)工作點選擇

9、恰當(dāng)，輸入電壓的正負(fù)半周在放大過程中得到了同等的放大。圖4 靜態(tài)工作點Q、和iB、iC、uCE的波形如果靜態(tài)工作點選擇不當(dāng)，而輸入信號ui的幅度又較大，使得放大器的工作范圍超出了晶體管特性曲線的線性區(qū)，就會產(chǎn)生波形失真。在放大電路中常見的失真有以下四種：1） 由于輸入特性曲線的非線性引起的失真如圖5所示，靜態(tài)工作點Q選擇在輸入特性曲線的較低位置，而輸入信號ui的幅度又較大，因此工作點Q在晶體管輸入特性曲線上非線性顯著的線段上移動，雖然輸入信號ui是正弦波，但ib 卻是一個正負(fù)半周不對稱的失真了的波形，如圖中陰影所示，這樣就導(dǎo)致了放大器輸出信號的失真。 2）由于輸出特性曲線的間隔不均勻引起的失真

10、 圖 5圖6是一個N P N型晶體管的輸出特性曲線，由于特性曲線的間距不均勻，因此各點的 值不相等。此時，雖然ib是不失真的正弦波，但放大電路的輸出波形也會失真。假設(shè)IBQ=30A，ib=20sint （A），因此，iB在50A到10A之間變化，工作點在Q1與Q2之間移動，從圖6中可以看出，Q點到Q1點間的值大于Q點到Q2點間的值，這樣，ib的正負(fù)半周就得到了不同程度的放大，結(jié)果造成了輸出電壓波形的失真，如圖6中陰影所示。 圖6輸出特性曲線的間隔不均勻引起的失真 圖7 飽和失真 3) 飽和失真當(dāng)靜態(tài)工作點Q的位置偏高，接近輸出特性曲線的飽和區(qū)時，若輸入電壓ui的幅度較大，則在ui正半周的部分時

11、間內(nèi)，晶體管進入飽和區(qū)工作，此時ib可能不失真，如圖7所示，當(dāng)ib沿正半周方向增大時，工作點從Q點移動到Q1，進入了飽和區(qū)。在飽和區(qū)內(nèi)，值很小，且不存在ic=ib的關(guān)系。因此，雖然ib繼續(xù)增大，但ic卻不增加，結(jié)果ic的正半周出現(xiàn)了平頂，相應(yīng)地uce（uo）的負(fù)半周也出現(xiàn)了平頂。以后，隨著ib的減少，工作點又退回到放大區(qū)內(nèi)，ic與ib又恢復(fù)了ic=ib的正比關(guān)系。這種由于放大電路的工作點在部分時間內(nèi)進入飽和區(qū)而引起的波形失真稱為飽和失真。 4）截止失真圖8 截止失真如圖8（a）所示，當(dāng)靜態(tài)偏置電流IBQ很小時，靜態(tài)工作點Q的位置偏低，接近輸入特性曲線的截止區(qū)，因此在輸入電壓ui的幅度較大時，在

12、ui進入負(fù)半周的部分時間內(nèi)出現(xiàn)uBE小于發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓的情況，此時iB=0，晶體管在截止區(qū)工作，ib的負(fù)半周出現(xiàn)了平頂。應(yīng)到晶體管的輸出特性曲線上，如圖8（b）所示，此時工作點移到Q1點后的一段時間內(nèi)，ib、ic、uce（uo）不隨ui而變化，ib和ic的負(fù)半周出現(xiàn)了平頂，uce（uo）的正半周出現(xiàn)了平頂。這種由于晶體管進入截止區(qū)而引起的失真稱為截止失真。由以上分析，可以看出靜態(tài)工作點設(shè)置不當(dāng)和輸入電壓幅值較大是引起非線性失真的根本原因。因此，只要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整靜態(tài)工作點的位置使它與輸入電壓的幅值相適應(yīng)，做到在放大過程中晶體管不進入飽和或截止?fàn)顟B(tài)，就可以減少或避免非線性失真。例如，要消除截止失真，

13、就必須提高靜態(tài)工作點Q的位置，使IBQ ibm。這樣在放大過程中工作點就不會進入截止區(qū)，這可以通過減小Rb1的值來達到。如果要消除飽和失真，可以通過增大Rb1的值使Q點適當(dāng)?shù)仉x開飽和區(qū)，也可以減小Rc的值使晶體管離開飽和區(qū)。如圖7所示，當(dāng)Rc減小時，直流負(fù)載線和交流負(fù)載線都變陡。由于直流負(fù)載線變陡（圖7中虛線）而IBQ不變，靜態(tài)工作點便由Q點移到QA點。從圖中可以看出，當(dāng)同樣的ib作用時，工作點在Q點與Q點之間移動，放大器工作在放大區(qū)內(nèi)，從而避免了飽和失真。另外在靜態(tài)工作點確定后，適當(dāng)?shù)販p小輸入電壓的幅值，也可以避免波形失真。 4晶體三極管共發(fā)射極放大器的直流與交流參數(shù) （1）共發(fā)射極放大器的

14、直流參數(shù) 共發(fā)射極放大器的直流參數(shù)主要有IBQ、ICQ及UCEQ、UBEQ。如圖1電路所示，這些直流參數(shù)的關(guān)系式如下： UEQ = UBQ -UBEQ UBQ = ECRb2 / ( Rb1+Rb2 ) ICQ = bIBQ = UEQ / Re （1） UCEQ = EC -ICQRC - UEQ EC - ICQRC - UBQ 將已知的EC 、Rb1、Rb2 、Rc 、Re 及b值代入（1），即可算出IBQ、ICQ及UCEQ三個直流參數(shù)。 （2）共發(fā)射極放大器的交流參數(shù)共發(fā)射極放大器的交流參數(shù)主要有電壓放大倍數(shù)Auo、輸入電阻Ri與輸出電阻Ro、最大輸出電壓幅度Uom等： 1) 電壓放大

15、倍數(shù)Auo： (2) 式中負(fù)號表示輸出電壓與輸入電壓的相位是相反的。其中RL= Rc / RL ，rbe稱為三極管的動態(tài)輸入電阻 (3) 三、通過計算選擇元件根據(jù)3DGl12的輸出特性曲線。測得=70。由于要求Ri=R1+ rbe=(Rw+Rb1)/Rb2/rbe2，其中Rw取0所以帶入數(shù)據(jù)可的：ICQ 26（1+）/（720）mA=3.611mA取ICQ4.7mA, IBQ=ICQ/ 0.031mA,I1=(510)IBQ=0.18mA,若取4.7，則/ ICQ2.137取2.2， RB 2Q/（Q）/30取，（）/ICQ3，用3的電阻與104的電位器串連（實驗結(jié)束時，應(yīng)測量電位器的具體值）

16、要求u，根據(jù),可得2k,則RC=3kCB=CC=10/2f（Rc+RL)=10/2f（/rbe+RS/1）四、設(shè)計元件及工具清單元件清單元器件單位數(shù)量大小 電位器個個0三極管個112一個電阻個62個 k、個2.2k、1個30、1個2K, 1個1.12k電容個2個F；個F萬能板塊1其它導(dǎo)線若干，熔斷絲若干，松香實驗設(shè)備名 稱數(shù) 量 示波器1直流穩(wěn)壓電源1函數(shù)信號發(fā)生器1晶體管毫伏表2萬用表1元件、面包板或印刷電路板工具清單尖嘴鉗、斜口鉗、鑷子、刀子；烙鐵、烙鐵架；萬用表。五、EWB仿真、PROTEL與PCB圖EWB仿真圖： 圖9 接線圖圖10UB的大小 圖11 ICQ的大小 圖12 調(diào)節(jié)RW使U

17、i的電壓值Ui等于6.4v圖13 接入負(fù)載RL時VOL值因為斷開RL時所以Ri=6.40/(9.26.4)=2.285K UO=250 所以R0=（250/102-1）RL=2.902K。 圖14 EWB仿真 圖15 波形圖 圖16 PROTEL原理圖 圖17 放大電路PCB板 六實驗內(nèi)容與方法 按照圖18電路給出的元件值和電路圖安裝 +EC一個單級放大器。 RW 1 靜態(tài)工作點的測量與調(diào)整 RC靜態(tài)工作點由管子的IBQ、ICQ、UCEQ、UBEQ Rb1 C2確定，IBQ很?。╩A數(shù)量級）一般不測它。 C1 3DG6測量步驟： RL（1） 不接輸入信號，調(diào)節(jié)直流電源至選定的 ui Rb2 u

18、o直流電壓EC，接通電源。 Re Ce（2） 檢查放大器各級電壓，判斷其是否正常 工作。用萬用表的直流電壓檔測量圖18中c對地與 圖18 分壓式共射極偏置放大器電路圖e對地的電壓，如果UCQ = EC或UEQ = 0，則說明 （圖中：Rb1=3k，Rw=100k，ICQ = 0，晶體管工作在截止區(qū)；如果UCQ太小， Rb2=30k，Rc=3k，例如UCQUEQ = UCEQ 0.5V，則說明ICQ太大， Re=2.4 k，RL=2 k，使Rc上壓降過大，晶體管工作在飽和區(qū)。 C1=10F，C2=10F，C3=100F）直接測量圖9中b對e的電壓，對硅管來說正常的UBEQ值約為0.7V，鍺管約為

19、0.2V。當(dāng)各極電壓都處在正常值時，說明晶體管工作正常。 （3）調(diào)整工作點 用萬用表的直流電壓檔測量UEQ，若測出的UEQ不等于4.7V，說明靜態(tài)工作電流ICQ不等于2.2mA，由于ICQ = bIBQ = UEQ / Re，因此可調(diào)節(jié)電位器RW的大小來改變IBQ的值，使UEQ等于4.7，此時由： 可計算出ICQ的值。從而達到調(diào)整靜態(tài)工作點電流ICQ及電壓UCEQ的目的。當(dāng)調(diào)整好靜態(tài)工作點后，再測量各直流電壓值，將測量結(jié)果填入表1中。表1 各直流電壓值項目UEQ（V）UBQ（V）UCQ（V）UCEQ（V）ICQ = UEQ / Re測量數(shù)據(jù)4.745.415.590.552.136mA2. 性

20、能指標(biāo)的測試按照圖10所示框圖連接 毫伏表 穩(wěn)壓電源 毫伏表測量系統(tǒng)。示波器用來觀測放大器的輸入、輸出電壓波形，晶體管毫伏表用來測量放大器 +EC 的輸入、輸出電壓。 信號 Ui 放大器 Uo 示波器 （1）測量電壓放大倍數(shù)Auo： 發(fā)生器 調(diào)節(jié)信號發(fā)生器，使輸出頻率f = 1000Hz，Ui =10mV，用毫 圖19測試放大器性能指標(biāo)的接線圖伏表測量Uo，并記入表2中。 表2 Au的測量Ui UoAuo = Uo / Ui9.61mV 360.2mv37.48 （2）輸入電阻和輸出電阻的測試1） 測量輸入電阻Ri放大器的輸入電阻反映了它消耗輸入信號源的功率的大小。若Ri Rs（信號源內(nèi)阻），

21、放大器從信號源獲取較大電壓；若Ri Rs，放大器從信號源吸取較大電流；若Ri = Rs，放大器從信號源獲取最大功率。 Ri =R1+ rbe / Rb1 / Rb2 R1+rbe用“串聯(lián)電阻法”測量放大器的輸入電阻Ri ，在信號源的輸出端與放大器的輸入端之間，串聯(lián)一個已知電阻R=1K，如圖11所示。在輸出波形不失真的情況下，用晶體管毫伏表或示波器分別測量出Us與Ui 的值，則 (6) 式中，Us 信號源的輸出電壓。Us UiRi=UiR/(Us-Ui) 9.20mV 6.40mV6.40/(9.2-6.40)=2.285K 2） 測量輸出電阻Ro放大器輸出電阻的大小反映了它帶負(fù)載的能力，Ro愈

22、小，帶負(fù)載能力愈強。當(dāng)Ro RL時，放大器可等效成一個恒壓源。放大器輸出電阻的測量方法如圖12所示，電阻RL的值為2K。在輸出波形不失真的情況下，首先測量未接入RL之前（即放大器負(fù)載開路時）的輸出電壓Uo值；然后接入RL再測量放大器負(fù)載上的電壓UoL值，則 (7） Uo Uol R0250 mV 102mV 2.902K R S 信 放 信 放 Ro 號 Us Ui Ri 大 號 大 UoL RL 源 器 源 器 Uo 圖20 輸入電阻的測量 圖21 輸出電阻的測量（）觀察由于靜態(tài)工作點選擇不合理而引起的輸出波形失真。將頻率f = 1000Hz，Ui =10mV的信號接入放大器后：1） 將RW

23、的阻值調(diào)到最大，觀察輸出波形是否失真（若失真不明顯，可增大ui），描下失真波形和測量此時的靜態(tài)工作點電流ICQ。并說明該波形屬于什么失真波形？2） 將RW的阻值調(diào)到最小，觀察輸出波形是否失真（若波形為一直線，可增大RW），描下失真波形和測量此時靜態(tài)工作點電流ICQ。并說明該波形屬于什么失真波形？將所觀察到的波形與ICQ的測量值記入表4中。表4 失真波形與ICQ工作點Q的變化截止時ICQ = UE Q/ Re =飽和時ICQ = UEQ / Re=輸出波形 七、誤差分析與解決方法BJT參數(shù)IBCO,VBE,隨溫度變化對Q點的影響，都表現(xiàn)在使Q點電流Ic增加，可在兩方面使Ic維持穩(wěn)定：（1）針對I

24、CBO響，可設(shè)法使基極電流IB隨溫度的升高而自動減小。（2）針對VBE的影響，可設(shè)法使發(fā)射結(jié)的外加電壓隨著溫度的增加而自動減小。.電阻大小在實際購買的時候與計算值稍有偏差，可通過串聯(lián)與并聯(lián)的方式減少誤差。誤差分析靜態(tài)工作點、UBEVCQUE QUCEICQ5.415.59V4.74V0.75V2.136電壓放大倍數(shù)ViV09.6mV360.237.48輸入電阻 測試電阻R=1KViVs=2.285K 9.20mV6.40mV輸出電阻Ro 負(fù)載Rl=2KVo Vol=2.9021K250mV102mV所以誤差為：Av=(37.48-36.77)/37.48 % =1.9% Ri=(2285-22

25、84)/2285 %=0.04%Ro=(3-2.9)/3 %=3.3% 所以誤差較小符合設(shè)計的技術(shù)指標(biāo). 八、設(shè)計體會通過這次實驗，我好好的錘煉了我的耐性。通過了幾個星期的努力，我終于完成了這次設(shè)計，在設(shè)計過程中由于自己的耐心缺乏，導(dǎo)致設(shè)計多次終止，而且遇到的問題也不少。 通過這次實驗，讓我深刻體會到做實驗得認(rèn)真仔細(xì)。做實驗買元件時自己要對元件非常了解，以確保買來的元件的好壞。焊接元件時要細(xì)心，不有要把元件焊壞。測試時也要細(xì)心，在沒有通電時，要檢查電路是否有錯誤；通點時，應(yīng)先觀察有無異?，F(xiàn)象，然后在進行測量。雖然做到了上面幾點，但是在實際與理論還是有差異。通過這次的設(shè)計實驗，更進一步地增強了實驗的動手能力，讓我加深了對各種電子元件功能和性能的了解。 通過著次的課程設(shè)計，我意識到了自己在很多方面的不足。學(xué)習(xí)上的不足都是由于自己上課不夠認(rèn)真聽講及課后沒有再去鞏固引