晶體管放大器的設(shè)計(jì)

1、晶體管放大器的設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 熟悉晶體管放大器的工作原理，體會(huì)晶體管放大器的作用。2. 掌握晶體管放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)試和調(diào)整方法以及測(cè)量晶體管放大器各項(xiàng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的方法。 3. 學(xué)習(xí)和掌握設(shè)計(jì)、調(diào)試具體晶體管放大器電路的方法與技能。二、實(shí)驗(yàn)原理(一) 設(shè)計(jì)原理1.工作原理及基本關(guān)系式(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，該電路稱為阻容耦合共射極放大器，它采用分壓式電流負(fù)反饋偏置電路。放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)Q主要由及電源電壓所決定。該電路利用電阻、的分壓固定基極電位。如果滿足條件，當(dāng)溫度升高時(shí)，結(jié)果抑制了的變化，從而獲得穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)。圖1 阻容耦合共射極放大器(2)基

2、本關(guān)系式。當(dāng)時(shí)，才能保證恒定，這是工作點(diǎn)穩(wěn)定的必要條件，一般取 （1）負(fù)反饋越強(qiáng)，電路的穩(wěn)定性越好。所以要求，即=（510），一般取 （2）電路的靜態(tài)工作點(diǎn)有下列關(guān)系式確定： （3）對(duì)于小信號(hào)放大器，一般取 （4） （5） （6）2. 性能指標(biāo)與測(cè)試方法晶體管放大器的主要性能指標(biāo)有電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻及通頻帶。對(duì)于圖1所示電路，各性能指標(biāo)的計(jì)算式與測(cè)試方法如下：(1)電壓放大倍數(shù) （7） = ；為晶體管輸入電阻，即 （8） 測(cè)量電壓放大倍數(shù)，實(shí)際上是測(cè)量放大器的輸入電壓與輸出電壓的值。在波形不失真的條件下，如果測(cè)出（有效值）或（峰值）與（有效值）或（峰值），則 （9）(2)輸入電阻

3、為 （10）其測(cè)試電路如圖2所示。放大器的輸入電阻反映了放大器本身消耗輸入信號(hào)源功率的大小。若（信號(hào)源內(nèi)阻），則從信號(hào)源獲得最大功率。用“串聯(lián)電阻法”測(cè)得放大器的輸入電阻，即在信號(hào)源輸出與放大器輸入端之間串聯(lián)一個(gè)已知電阻R（一般以選擇R的值接近的值為宜），如圖2所示。輸出波形不失真情況下，用晶體管毫伏表或示波器分別測(cè)量出與的值，則有圖2 輸入電阻的測(cè)試電路 （11） 式中為信號(hào)源的輸出電壓值。(3)輸出電阻為 （12） 式中為晶體管的輸出電阻。 放大器輸出電阻的大小反映其帶負(fù)載的能力，越小，帶負(fù)載的能力越強(qiáng)。當(dāng) 時(shí)，放大器可等效成一個(gè)恒壓源。放大器輸出電阻的測(cè)量方法如圖3所示，電阻應(yīng)與接近。在

4、輸出波形不失真的情況下，首先測(cè)量未接入即放大器負(fù)載開路時(shí)的輸出電壓的值；然后接入再測(cè)量放大器負(fù)載上的電壓的值，則有 （13）(4)頻率特性和通頻帶。 放大器的頻率特性包括幅頻特性和相頻特性。表示增益的幅值與頻率的關(guān)系；表示增益的相位與頻率的關(guān)系；是放大器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)間的相位差。 圖3 輸出電阻測(cè)試電路放大器的頻率特性如圖4所示，影響放大器頻率特性的主要因素是電路中存在的各種電容元件通頻帶 = (14)式中，為放大器的上限頻率，主要受晶體管的結(jié)電容及電路的分布電容的限制；為放大器的下限頻率，主要受耦合電容、及射極旁路電容的影響。 圖4 放大器的頻率特性要嚴(yán)格計(jì)算電容、及同時(shí)存在時(shí)對(duì)放大器低

5、頻特性的影響，較復(fù)雜。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常以每個(gè)電容單獨(dú)存在時(shí)的轉(zhuǎn)折頻率為基本頻率，再降低若干倍作為下限頻率。電容及單獨(dú)存在時(shí)所對(duì)應(yīng)的等效回路如圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）所示。如果放大器的下限頻率已知，則可按式（15）式（17）進(jìn)行估算 （310） （15） （310） (16) （13） （17）通常取=，可在式（15）與式（16）中選電阻最小的一式求或。 （a） 等效 (b) 等效 (c) 等效 圖5 與電容、及對(duì)應(yīng)的等效電路放大器的幅頻特性可通過測(cè)量不同頻率時(shí)的電壓放大倍數(shù)來獲得。通常采用“逐點(diǎn)法”測(cè)量放大器的幅頻特性曲線。測(cè)量時(shí)，每改變一次信號(hào)源的頻率（注意維持輸入

6、信號(hào)的幅值不變且輸出波形不失真），用晶體管毫伏表或示波器測(cè)量一個(gè)輸出電壓值，并計(jì)算增益，然后將測(cè)試數(shù)據(jù)、 表，整理并標(biāo)于坐標(biāo)紙上，再將其連接成曲線，如圖4所示。 如果只要求測(cè)量放大器的通頻帶，首先測(cè)出放大器中頻區(qū)（如）出電壓V。然后升高頻率直到輸出電壓降到0.707為止（維持不變），此時(shí)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)源的頻率就是上限頻率。同理，維持不變降低頻率直到輸出電壓降到0.707 為止，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率為下限頻率，放大器的通頻帶。 根據(jù)設(shè)計(jì)題目繪制實(shí)際電路圖， 電路的安裝與調(diào)試。(二)電路的安裝與調(diào)試1. 靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)量與調(diào)整根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算所得的元件參數(shù)組裝電路（應(yīng)盡量按照電路的形式與順序布線）。通電前，

7、先用萬用表檢測(cè)連接導(dǎo)線是否接觸良好，然后接通電源，測(cè)量電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。測(cè)量方法是不加輸入信號(hào)，將放大器輸入端（耦合電容左端）接地。用萬用表分別測(cè)量晶體管的基極、發(fā)射極和集電極對(duì)地的電壓、及。如果出現(xiàn)，說明晶體管工作在截止?fàn)顟B(tài)；如果，說明晶體管已經(jīng)飽和。遇到上述兩種情況，或者測(cè)量值與所設(shè)置的靜態(tài)工作點(diǎn)偏離較大時(shí)，都需要調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)。調(diào)整方法是改變放大器上偏置電阻的大小，即調(diào)節(jié)電位器的阻值，同時(shí)用萬用表分別測(cè)量晶體管各極的電位、 及，并由式（6）計(jì)算及由式（3）計(jì)算。如果為正幾伏，說明晶體管工作在放大狀態(tài)，但并不說明放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在合適的位置，所以還要進(jìn)行動(dòng)態(tài)波形觀測(cè)。給放大器送入規(guī)定

8、的輸入信號(hào)，如=10m V，=1kHz的正弦波。若放大器的輸出的波形的頂部被壓縮（見圖4-6（b），這種現(xiàn)象稱為截止失真），說明靜態(tài)工作點(diǎn)Q偏低，應(yīng)增大基極偏流。如果輸出波形的底部被削波（見圖4-6（a），這種現(xiàn)象稱為飽和失真），說明靜態(tài)工作點(diǎn)Q偏高，應(yīng)減少。如果增大輸入信號(hào)時(shí)，輸出波形的頂部和底部差不多同時(shí)開始畸變，說明靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置得比較適合。此時(shí)移去信號(hào)源，分別測(cè)量放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)、及。 （a）飽和失真 （b）截止失真圖6 波形失真 2. 性能指標(biāo)測(cè)試與電路參數(shù)修改 按照?qǐng)D7所示的測(cè)量系統(tǒng)的接線方式來測(cè)量放大器的主要性能指標(biāo)。示波器用于觀測(cè)放大器的輸入、輸出電壓波形，晶體管毫伏表用于測(cè)

9、量放大器的輸入、輸出電壓。當(dāng)頻率改變時(shí)，信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓可能變化，應(yīng)及時(shí)調(diào)整，以維持輸入電壓始終不變。所有儀器的 圖7 觀測(cè)放大器性能指標(biāo)接線圖 接地端都應(yīng)與放大器的地線相連接。測(cè)量前，首先使信號(hào)發(fā)生器的頻率調(diào)到放大器中頻區(qū)的某個(gè)頻率上，（例如使=1kHz，幅值調(diào)到放大器所要求的電壓值，例如=10mV有效值），然后按照放大器性能指標(biāo)的測(cè)試方法分別測(cè)量、。對(duì)于一個(gè)低頻放大器，要求電路的穩(wěn)定性好、非線性失真小、電壓放大倍數(shù)大、輸入阻抗高、輸出阻抗低、低頻響應(yīng)低，但這些要求很難同時(shí)滿足。例如，要提高電壓放大倍數(shù)，由式（7）可以有3種途徑實(shí)現(xiàn)，即 增大會(huì)使輸出電阻增加，減小會(huì)使輸入電阻減小。如果及

10、離指標(biāo)要求還有充分余地，則可以通過實(shí)驗(yàn)調(diào)整或，但改變或又會(huì)影響電路的靜態(tài)工作點(diǎn)?？梢娭挥刑岣呔w管的放大倍數(shù)，才是提高放大器電壓放大倍數(shù)的有效措施。對(duì)于圖1分壓式直流負(fù)反饋偏置電路，由于基極電位固定即亦基本固定。即 （18）所以，改變不會(huì)影響放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。若要降低放大器的下限頻率，根據(jù)式（15）和式（17），也可以有3種途徑實(shí)現(xiàn)，即 無論哪一種途徑都會(huì)影響放大器的性能指標(biāo)，故只能根據(jù)具體指標(biāo)要求，綜合考慮。設(shè)計(jì)出滿足要求的放大器，根據(jù)實(shí)驗(yàn)調(diào)整后的元件參數(shù)與設(shè)計(jì)計(jì)算值會(huì)有些差別，應(yīng)根據(jù)測(cè)量結(jié)果驗(yàn)算并進(jìn)行誤差分析。3. 測(cè)量結(jié)果與誤差分析(1) 靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)量。(2) 性能指標(biāo)測(cè)量。(3)

11、電路參數(shù)討論及誤差分析。*(三)負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響引入負(fù)反饋后，放大器的電壓放大倍數(shù)將下降，其表達(dá)式為 （19）式中，為反饋網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù)；為無負(fù)反饋時(shí)的電壓放大倍數(shù)。在引入負(fù)反饋后，雖然電壓放大倍數(shù)下降，但可以改善放大器的性能。1. 提高放大器增益的穩(wěn)定性。由式（19）可見，1+越大負(fù)反饋越強(qiáng)，若>>1，則深度負(fù)反饋放大器的電壓增益僅與反饋網(wǎng)絡(luò)有關(guān)，而與電路的其他參數(shù)無關(guān)。2. 擴(kuò)展放大器的通頻帶。負(fù)反饋放大器的上限頻率與下限頻率的表達(dá)式分別為 （20）可見，引入負(fù)反饋后通頻帶加寬。3. 改變放大器的輸入電阻和輸出電阻。一般并聯(lián)負(fù)反饋能降低輸入阻抗，串聯(lián)負(fù)反饋能提高輸入阻抗

12、。電壓負(fù)反饋使輸出阻抗降低，電流負(fù)反饋使輸出阻抗升高。圖8所示的電路為電流串聯(lián)負(fù)反饋放大器，與圖1相比，僅增加了一只射極電阻 ，分析表明，電路的反饋系數(shù) （21） 電壓放大倍數(shù) （22） 圖8 電流串聯(lián)負(fù)反饋放大器分析表明，取幾歐姆時(shí)，可以明顯提高放大器的輸出阻抗，降低放大器的下限頻率，即放大器要求不高時(shí)，采取圖8所示的電路較多，若采用圖1所示的電路，則電容必須增大很多，才能使明顯下降，對(duì)圖4-8所示的參數(shù)較低。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.設(shè)計(jì)題目：?jiǎn)渭?jí)晶體管阻容耦合放大器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)任務(wù)： （1）已知條件（2）性能指標(biāo)要求，2.設(shè)計(jì)舉例設(shè)計(jì)一阻容耦合單級(jí)晶體管放大器。已知條件 ，。性能指標(biāo)要求 ， ， ，

13、。首先，選擇電路形式級(jí)晶體管。采用如圖9所示的分壓式電流負(fù)反饋偏置電路，可以獲得穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)。因放大器的上限頻率要求較高，故選用高頻小功率管3DG100， 其特性參數(shù) ，。通常要求的值大于的值，故選 。其次，設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)并計(jì)算元件參數(shù)。圖9 分壓式電流負(fù)反饋偏置電路由于是小信號(hào)放大器，故采用公式法設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)Q，計(jì)算如下：要求（）>1k ，根據(jù)公式（8）得 取若取=3V，由式（3）得 取標(biāo)稱值1.5k由式（4）得 （這里的值取5）由式（5）得 為使靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)整方便，由30k固定電阻與100k電位器相串聯(lián)而成。 由式（7）得 則 綜合考慮，取標(biāo)稱值1.5k由于（）<（），比

14、較式（15）與式（16），故由式（15）計(jì)算，即 取標(biāo)稱值10F取=10F 由式（17）得 取標(biāo)稱值100F最后，驗(yàn)算測(cè)量結(jié)果并進(jìn)行誤差分析。如圖10所示的電路，其靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)量值為 性能指標(biāo)的測(cè)量值為 =47 =1.1k =1.5k =100Hz >999kHz 圖10 設(shè)計(jì)舉例的實(shí)驗(yàn)電路 根據(jù)圖10所示的電路參數(shù)，進(jìn)行理論計(jì)算為 從而得測(cè)量誤差（理論值為上述計(jì)算值）如下： 產(chǎn)生測(cè)量誤差的主要原因如下：測(cè)量儀器及測(cè)量讀數(shù)誤差。元器件本身參數(shù)的取值誤差。工程近似計(jì)算式引入的理論計(jì)算誤差。四、設(shè)計(jì)步驟及要求（1）認(rèn)真閱讀本課題介紹的設(shè)計(jì)方法與測(cè)試技術(shù)，寫出設(shè)計(jì)預(yù)習(xí)報(bào)告（2）根據(jù)已知條件及性能指標(biāo)要求，確定電路以及器件（晶體管選硅管），設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)，計(jì)算電路元件參數(shù)。（3）在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境下搭建實(shí)驗(yàn)電路，調(diào)整并測(cè)量靜態(tài)工作點(diǎn)，使其滿足設(shè)計(jì)計(jì)算值的要求，測(cè)試性能指標(biāo)，調(diào)整與修改元件參數(shù)值。使其滿足放大器性能指標(biāo)的要求，將修改