單級(jí)放大器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)講座

1、單級(jí)放大器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)講座第1頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二單級(jí)放大器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)講座一、概述二、單級(jí)放大器工作原理三、單級(jí)放大器的設(shè)計(jì)四、單級(jí)放大器的調(diào)試與性能測(cè)試五、單級(jí)放大器的故障分析與排除六、單級(jí)放大器的軟件仿真第2頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二一、概述單級(jí)放大器是用一個(gè)放大管組成的電路。放大管可以是晶體管，或是場(chǎng)效應(yīng)管。放大器的用途很多，幾乎所有的電子設(shè)備都離不開(kāi)放大器。放大器的種類(lèi)：按其使用的頻率分：低頻放大器、高頻放大器、射頻放大器按功能分有：電壓放大器、電流放大器、功率放大器按所用器件類(lèi)型分：晶體管放大器、場(chǎng)效應(yīng)管放大器按工作狀態(tài)

2、分：曱類(lèi)放大器、乙類(lèi)放大器、丙類(lèi)放大器按工作方式分：共射放大器、共基放大器、共集放大器（晶體管）、共源放大器、共柵放大器、（場(chǎng)效應(yīng)管）等等。第3頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二二、單級(jí)放大器的工作原理（這里介紹的是雙極型晶體管放大器）分壓式共射級(jí)放大器第4頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二二、單級(jí)放大器的工作原理構(gòu)成晶體管放大器的原則為：必須設(shè)置合適的工作點(diǎn)，使晶體管工作在放大區(qū)。（上圖為分壓式偏置電路）輸入信號(hào)必須加在晶體管的B極與E極之間。iE=Is(euBE/UT-1)IseuBE/UT必須設(shè)置合理的信號(hào)通路。當(dāng)信號(hào)源及負(fù)載與放大器相接時(shí)，不

3、能破壞原設(shè)置的工作點(diǎn)，同時(shí)盡量減小信號(hào)通路中的損耗。（在多級(jí)放大器中或在與信號(hào)源及與負(fù)載相接處都加隔直電容，或稱(chēng)耦合電容）第5頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二1、直流圖解分析圖解分析就是利用晶體管的輸入、輸出特性曲線和電路的外特性，經(jīng)作圖的方法來(lái)分析電路的靜態(tài)工作點(diǎn)、工作狀態(tài)、工作過(guò)程及性能的傳統(tǒng)方法。由放大器構(gòu)成的原則可知，必須有直流偏置，首先觀察直流情況。第6頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二直流等效電路圖第7頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二輸入特性曲線及直流負(fù)載線Q0uBEUbbIBQUBEQiB外電路輸入回路方程IB

4、=(Ubb-UBE)/Rb+(1+)ReIB=0,UBE=UbbUBE=0,IB=(Ubb/Rb+(1+)Re(Ubb/Rb+(1+)ReRb增大，Q點(diǎn)下移，即IBQ減小。QQRb減小，Q點(diǎn)上移，即IBQ增大。注意：Rb的變化對(duì)基極電流的影響很大，對(duì)基極發(fā)射級(jí)電壓影響較小。第8頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二輸出特性曲線及直流負(fù)載線QQQuCEiCUCEQICQIC=(EC-UCE )/(Rc+Re)令I(lǐng)c=0,UCE=EcUCE=0,Ic=Ec/(Rc+Re)ECEc/(Rc+Re)0IBQRc增大，Q點(diǎn)左移，UCEQ左移，ICQ基本不變Rc減小，Q點(diǎn)右移，UCEQ增

5、大第9頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二2、交流圖解分析輸入回路的交流動(dòng)態(tài)電路方程：ube=ui=us-ib RbRb=Rs/Rb1/Rb2us=us/(Rs+Rb1/Rb2)Rb1/Rb2因交流電壓是疊加在靜態(tài)偏置上進(jìn)行傳輸?shù)?，所以，總的瞬時(shí)電流為：iB=IBQ+ib =IBQ+(us-ube)/Rb uBE=UBEQ+ube輸入回路的交流負(fù)載線方程：iB=IBQ+us-(uBE-uBEQ)/Rb第10頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二晶體管輸入特性曲線及交流負(fù)載線Q0UbbIBQUBEQiB(Ubb/Rb+(1+)ReuBEiB=IBQ+us-(

6、uBE-uBEQ)/Rb當(dāng)us=0時(shí)：uBE=UBEQ,iB=IBQ利用求截距的方法：當(dāng)us=0時(shí)，令iB=0uBE=UBEQ+IBQRb當(dāng)us變化時(shí)，在橫軸上的截距就變化，于是得到許多平行直線。-1/Rb交流負(fù)載線直流負(fù)載線第11頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二晶體管輸出特性曲線與交流負(fù)載線QuCEiCUCEQICQECEc/(Rc+Re)IBQ交流負(fù)載線直流負(fù)載線交流輸出回路外電路方程：ic=-uce/RL總瞬時(shí)電流：iC=ICQ+ic=ICQ-uce/RL總瞬時(shí)電壓：uCE=UCEQ+uceuce=uCE-UCEQ交流負(fù)載線方程：iC=ICQ-(uCE-UCEQ)

7、/RL當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，uce=0,uCE=UCEQ,iC=ICQ說(shuō)明交流軌跡經(jīng)過(guò)Q點(diǎn)。令iC=0,ICQ RL=uCE-UCEQ得到uCE軸上一個(gè)交點(diǎn)，連接該點(diǎn)與Q點(diǎn)，就是交流負(fù)載線。1/RL第12頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二放大器圖解分析Q0UbbIBQUBEQiBuBEuCEiCUCEQQICQ直流負(fù)載線交流負(fù)載線第13頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二單級(jí)放大器的工作原理用圖解法說(shuō)明外偏置電路對(duì)工作點(diǎn)的影響以及直流與交流之間的關(guān)系：第14頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二單級(jí)放大器的工作原理放大器各極電流和電壓波形

8、如右圖所示從波形中可見(jiàn)：輸入交流信號(hào)時(shí)，各極電壓、電流在各自的工作點(diǎn)附近變化。只有交流分量隨輸入信號(hào)變化。但直流必不可少。輸入與輸出波形倒相第15頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二單級(jí)放大器的工作原理共射放大器的性能指標(biāo)：Au電壓放大倍數(shù)Au=-RL/rberbe=rbb+(1+)26(mV)/IeQ(mA)rbb很小，Au RLIeQ(mA) / 26(mV)Au幾乎與無(wú)關(guān)，要提高Au可增大RL或IcQ。第16頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二單級(jí)放大器的工作原理輸入電阻Ri Ri=Ui/Ii=Rb1|Rb2 |rberbe輸出電阻RoRo=Rc第

9、17頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二三、單級(jí)放大器的設(shè)計(jì)電路結(jié)構(gòu)要求：采用分壓偏置共射放大電路，如下圖所示第18頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二單級(jí)放大器的設(shè)計(jì)電路指標(biāo):電壓放大倍數(shù)Au50輸入阻抗Ri1K輸出阻抗Ro=3K輸出電壓峰峰值Uopp2V幅頻特性：fL500Hz;fH200kHz設(shè)計(jì)條件：電源電壓12VRL3K第19頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二單級(jí)放大器的設(shè)計(jì)1、確定Rc、UceQ因Ro=Rc，Ro=3K，Rc= 3K因Uopp2V，飽和壓降為1V，則UceQ=1/2Uopp+Uces=1+1=2V取3V。

10、第20頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二單級(jí)放大器的設(shè)計(jì)2、確定IcQ、RE一般取UBQ（1/51/3）EC取1/3EC4VUEQ=UBQ-0.7=3.3VICQ=(EC-UCEQ-UEQ)/RC=(12-3-3.3)/3=1.9mAREUE/ICQ=1.7K（取標(biāo)稱(chēng)值2K或1.5K）第21頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二第二種求ICQ的方法因UCEQUCESICQ*RLICQ=(3-1)/1.5=1.33mA（與上述計(jì)算有差異，一般小信號(hào)放大器工作電流在0.5mA2mA最終依靠調(diào)試的結(jié)果）。兩種數(shù)據(jù)可核算一下指標(biāo)是否滿(mǎn)足要求輸入電阻Ri:Ri=r

11、be/Rb1/Rb2=rbe=rbb+26/ICQ=200+1400=1600(ICQ=1.9mA時(shí))第22頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二單級(jí)放大器的設(shè)計(jì)3、確定Rb1、Rb2的值IBQ=ICQ/(取100)Rb2=UBQ/I=UBQ/10IBQ4/0.19mA=21K(取22K)Rb1=(EC-UBQ)/I=8/0.19=42K(取22K為固定電阻，68K為可變電阻)。第23頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二單級(jí)放大器的設(shè)計(jì)4、核算指標(biāo)：AU-(RL)/rbeICQ(mA)RL/26(mV) =(1.9*1.5*1000)/26=109Ri=R

12、b1|Rb2 |rbe rbe=rbb+(1+) 26(mV) /ICQ =300+1368 1.7K第24頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二單級(jí)放大器的設(shè)計(jì)UOPP:UOPP=2ICQ*RL=2*1.9*1.5=5.7VRo=Rc=3K第25頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二單級(jí)放大器的設(shè)計(jì) 5、為什么要設(shè)置直流工作點(diǎn)： 為了使放大電路能正常工作,必須給放大電路設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn),以保證信號(hào)在基本上不失真的條件下，能順利地輸入、輸出。 換句話來(lái)講，設(shè)立直流工作點(diǎn)就是要減小放大電路的非線性失真，而非線性失真包括兩種：飽和失真 和 截止失真。第26頁(yè)

13、，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二 單級(jí)放大器的設(shè)計(jì)6、為什么要考慮放大器的輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍 主要是指:工作點(diǎn)的選擇不可偏高或者偏低。 工作點(diǎn)偏高：會(huì)出現(xiàn)飽和失真； 工作點(diǎn)偏低：會(huì)出現(xiàn)截止失真。第27頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二單級(jí)放大器的調(diào)試與性能測(cè)試1、單級(jí)放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)量UEQ、UCQ、UBQ、UCEQ、ICQ直流工作點(diǎn)可用萬(wàn)用表直接測(cè)量，但要考慮萬(wàn)用表內(nèi)阻的影響。ICQ間接測(cè)量：ICQUEQ/RE；UBQUEQ0.7V或用示波器（輸入耦合放置DC檔）直測(cè)UBQ。工作點(diǎn)偏離正常值時(shí)，可調(diào)上偏電阻Rb1。若不起作用，則說(shuō)明電路出現(xiàn)故障，

14、要排除。排除方法后面介紹第28頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二直流工作點(diǎn)測(cè)試：2.7V2V2mA2mA4V測(cè)UeQ測(cè)UcQ第29頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二第30頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二單級(jí)放大器的調(diào)試與性能測(cè)試2、交流參數(shù)的測(cè)量（1）觀察輸入輸出波形，確定靜態(tài)工作電壓輸入信號(hào)：Ui=510mV， fi=1KHZ觀察輸入輸出波形應(yīng)不失真，且相位相差180度。加大輸入電壓幅度，直至出現(xiàn)失真。若出現(xiàn)上削頂或下削頂，則調(diào)整Rb1，使上下同時(shí)出現(xiàn)削頂，說(shuō)明工作點(diǎn)在中點(diǎn)，重新測(cè)試靜態(tài)電壓，并作好記錄。儀表的接“地”要求：

15、儀表與被測(cè)電路必須接在同一“地”上。注意儀表“地”線的正確接入與撤出。接入：先“地”線后信號(hào)線；撤出：先信號(hào)線后“地”線。第31頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二單級(jí)放大器的調(diào)試與性能測(cè)試（2）電壓放大倍數(shù)Au的測(cè)量：Au=Uo/UiUi：電壓取值為輸出波形不失真，一般為510mV（有效值）fi:頻率取值為頻帶內(nèi)的中段。一般為1KHz。 用示波器監(jiān)測(cè)輸出波形不失真。第32頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二單級(jí)放大器的調(diào)試與性能測(cè)試（3）幅頻特性的測(cè)量測(cè)量接線框圖如上圖記下中頻時(shí)的Uim和Uom改變輸入頻率（保證電壓幅度不變）記下0.707Uom時(shí)的最

16、低頻率fL和最高頻率fH頻帶寬度f(wàn)fH-fL用對(duì)數(shù)表示的幅頻特性見(jiàn)書(shū)P29（圖226）注意：所用電壓表的頻率范圍必須大于被測(cè)信號(hào)的頻率范圍。可用掃頻儀測(cè)頻率特性。第33頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二單級(jí)放大器的調(diào)試與性能測(cè)試（4）最大不失真輸出動(dòng)態(tài)范圍的測(cè)量輸入信號(hào)頻率為fm Ui Uo 失真用示波器觀察 （調(diào)整工作點(diǎn)，使同時(shí)出現(xiàn)截止和飽和失真）非線性失真是晶體管的非線性造成。 第34頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二單級(jí)放大器的調(diào)試與性能測(cè)試（5）輸入電阻Ri的測(cè)量串聯(lián)電阻法：取RRiRi=Ui/Ii=(Ui R)/(Us-Ui)注意事項(xiàng)：電壓

17、表分別測(cè)Us、Ui電壓表在同一檔測(cè)試高輸入電阻不能用此法保證輸出波形不失真時(shí)測(cè)量第35頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二單級(jí)放大器的調(diào)試與性能測(cè)試替代法測(cè)量Ri：取RRi，RW（1.21.5）Ri使URWUi,則RWRi注意事項(xiàng)：同串聯(lián)電阻法第36頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二單級(jí)放大器的調(diào)試與性能測(cè)試半電壓法測(cè)量Ri取RW（1.21.5）Ri，先將K1、K2置“1”，得Uo再將K1、K2置“2”，得Uo/2，測(cè)RW值為Ri。此法可用于高輸入電阻的測(cè)量第37頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二單級(jí)放大器的調(diào)試與性能測(cè)試（6）開(kāi)

18、路電壓法測(cè)Ro取RRoK打開(kāi)時(shí)測(cè)得Uo，合上時(shí),測(cè)得Uo,Ri=(Uo/Uo-1）R注意事項(xiàng)：測(cè)量輸出電阻時(shí)，不接RL被測(cè)電路的輸出電阻很小時(shí)，R可取得大些。第38頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二單級(jí)放大器的調(diào)試與性能測(cè)試半電壓法測(cè)Ro:取RW=(1.21.5)Ro斷開(kāi)K，測(cè)得Uo；合上K，調(diào)RW，使URW=1/2Uo則測(cè)得RW的值為Ro。以上測(cè)試均在輸出波形不失真的情況下進(jìn)行。第39頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二交流參數(shù)測(cè)試：第40頁(yè)，共46頁(yè)，2022年，5月20日，3點(diǎn)16分，星期二單級(jí)放大器的調(diào)試與性能測(cè)試 （7）Ro實(shí)際意義： 對(duì)負(fù)載來(lái)說(shuō)，放大器相當(dāng)于它的信號(hào)源，Ro正是該信號(hào)源的內(nèi)阻。Ro是一個(gè)表征放大器帶負(fù)載能力的參數(shù)。對(duì)于電壓輸出，Ro越小，帶負(fù)載能力越強(qiáng)，即負(fù)載變化時(shí)放大器輸出給負(fù)載的電壓基本不變。而對(duì)于電流輸出， Ro越大，則帶負(fù)載能力越強(qiáng)，即負(fù)載變化時(shí)，放大器輸出給負(fù)載的電流基本不變。 Ri實(shí)際意義：對(duì)信號(hào)源來(lái)說(shuō)，放大器相當(dāng)于它的負(fù)載，Ri則表示該負(fù)載能從信號(hào)源獲取多大的信號(hào)。由于實(shí)際信號(hào)源均有內(nèi)阻，對(duì)于低阻電壓源，Ri 越大，放大器從該信號(hào)源獲取的電壓就越大。而對(duì)高阻電流源