晶體管放大器設計

電子線路設計與測試楊小獻87543835misyangxx@——培養(yǎng)硬件設計與裝調能力能正確使用常用儀器掌握電子電路的基本測試技術掌握電子電路的設計方法能正確處理實驗數據、進行誤差分析、寫出實驗報告能理論聯系實際，分析、尋找和排除實驗故障學會兩種EDA工具軟件。一、課程目標：二、課程特點理論與實踐相結合以培養(yǎng)工程實踐能力為主培養(yǎng)基本技能和綜合應用能力三、實驗流程課前－預習，設計實驗過程，安裝電路，作好實驗準備工作課堂上－操作、測量、記錄課后－總結與分析課前－預習實驗目的與要求基本實驗原理了解實驗方法與步驟設計實驗表格電路的可靠安裝課上－操作、測量、記錄搭建實驗測試平臺－－測試方法的設計觀察實驗現象與結果－－儀器使用記錄實驗數據與波形－－儀器使用上課時間：(45分鐘4學時+30分鐘休息＝3.5小時）上午8:00--11:3030分鐘休息下午14:00--15:3030分鐘休息晚上18:20--21:3010分鐘休息課后－總結與分析處理實驗數據繪制圖表和波形寫出個人的實驗總結并完成思考題經驗與體會完成實驗報告四、實驗報告要求實驗報告用報告紙書寫，格式內容符合要求（見教材附錄二）實驗結果需表格記錄波形記錄在坐標紙上，還需記錄波形的特征參數：如峰峰值，頻率等。波形和電路圖用鉛筆繪制，其它內容用同色筆書寫。實驗報告內容－－參考附錄二實驗目的實驗原理與電路分析實驗電路及參數設計實驗內容與步驟實驗數據與波形分析與結論心得體會思考題五、成績評定1、平時成績占總成績的40％實驗及實驗報告2、考試占總成績的60％，其中筆試20％，設計及實驗技能40％

關于平時成績的說明采取抽查指標驗收方式每個同學驗收哪一個指標由老師指定驗收時需演示測試方法和測試結果回答老師的相關提問在每個階段如果提前完成實驗，可以提前驗收，通過驗收后可以提前進入下一階段實驗提前完成實驗（含報告）將得到適當的獎勵分，按時完成不扣分，延期完成將扣分實驗室有關規(guī)定每次實驗必須在記錄本上簽到按照學號和實驗臺號對應就座按照學號使用對應號碼的萬用表萬用表用完后，將表筆線整理好，并按號碼順序放入柜中。實驗完畢后，每人將自己的桌面整理干凈由班長安排4人，每次實驗后做值日值日內容：掃地、拖地、整理實驗桌、板凳歸位、按順序放好萬用表，清點工具本學期內容安排周

實驗內容6單管放大器設計、PSPICE仿真(單管放大器）（8學時）

7PSPICE仿真(單管放大器）（8學時）8儀器使用、單管放大器調試（8學時）10單管放大器調試（4學時）差分放大器PSPICE設計與仿真（4學時）11差分放大器PSPICE設計與仿真（4學時）運算放大器實驗（4學時）本學期內容安排12運算放大器實驗（4學時）數字電路基礎實驗（4學時）14數字電路基礎實驗（8學時）15三角波－方波發(fā)生設計（8學時）16考試以班級為單位將全班姓名、學號輸入*.txt文件，在上班時間聯系開放實驗預約申請名單輸入事宜。聯系人：楊健老師；聯系電話申請名單輸入完成后，各班即可在網絡上完成開放實驗預約申請。第一節(jié)晶體管放大器設計學習目的掌握晶體管放大器靜態(tài)工作點的設置與調整方法放大器基本性能指標的測試方法負反饋對放大器性能的影響放大器的安裝與調試技術。

Ic=Bib=Ie一、電路工作原理及基本關系式圖5.1.1阻容耦合共射極放大器

1.工作原理右圖所示的電路是晶體管放大器中廣泛應用的阻容耦合式共射極放大器。它采用的是分壓式電流負反饋偏置電路。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I1>>IBQ，當溫度升高時，ICQ↑–>VEQ↑(VBQ不變）–>VBE↓–>IBQ↓–>ICQ↓，結果抑制了ICQ的變化，從而獲得穩(wěn)定的靜態(tài)工作點。

2.基本關系式工作點穩(wěn)定的必要條件：I1>>IBQ，一般取

直流負反饋愈強，電路的穩(wěn)定性愈好。所以要求VBQ>>VBE，即VBQ=(5~10)VBE，一般取

2.基本關系式電路的靜態(tài)工作點由下列關系式確定：對于小信號放大器，一般取ICQ=0.5mA~2mA，VEQ=(0.2~0.5)VCC

2.基本關系式二、性能指標與測試方法晶體管放大器的主要性能指標有電壓放大倍數Av

輸入電阻Ri

輸出電阻Ro

通頻帶BW

電壓放大倍數

式中，RL’=RC//RL；rbe為晶體管輸入電阻，即在波形不失真的條件下，測出Vi(有效值)或Vim(峰值)或Vp－p(峰-峰值)和Vo(有效值)或Vom(峰值)或Vp－p(峰-峰值)，則：

測量電壓放大倍數，實際上是測量放大器的輸入電壓與輸出電壓的值。2、

輸入電阻

放大器的輸入電阻反映了放大器本身消耗輸入信號源功率的大小。若Ri>>Rs(信號源內阻)，則放大器從信號源獲取較大電壓；若Ri<<Rs，則放大器從信號源吸取較大電流；若Ri=Rs，則放大器從信號源獲取最大功率。

用“串聯電阻法”測量放大器的輸入電阻Ri，即在信號源輸出與放大器輸入端之間，串聯一個已知電阻R(一般以選擇R的值接近Ri的值為宜）。

●測量輸入電阻在輸出波形不失真情況下，用晶體管毫伏表或示波器，分別測量出Vi與Vs的值，則

式中，Vs為信號源的輸出電壓值。3、

輸出電阻

ro為晶體管的輸出電阻。放大器輸出電阻的大小反映了它帶負載的能力，Ro愈小，帶負載的能力愈強。當Ro<<RL時，放大器可等效成一個恒壓源。

在輸出波形不失真的情況下進行測量。Vo為放大器負載開路時的輸出電壓的值；VoL為接入RL后放大器負載上的電壓的值，則

●測量輸出電阻4、頻率特性和通頻帶

放大器的頻率特性包括幅頻特性A()和相頻特性()。

A()表示增益的幅度與頻率的關系；

()表示增益的相位與頻率的關系；

是放大器輸出信號與輸入信號之間的相位差。

放大器的頻率特性如圖所示，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

BW=fH–fL

式中，fH為放大器的上限頻率，主要受晶體管的結電容及電路的分布電容的限制；fL為放大器的下限頻率，主要受耦合電容CB、CC及射極旁路電容CE的影響。

頻率特性和通頻帶

電容CB、CC及CE單獨存在時所對應的等效回路如圖(a)、(b)、(c)所示。

頻率特性和通頻帶

如果放大器的下限頻率fL已知，則可按下列表達式估算：

通頻帶的測試方法:采用“逐點法”測量放大器的幅頻特性曲線。

f(Hz)401005001K10K100K300K500KVop-p(mV)8009001000113111311131100080020lg|Av|/dB2930313232323129注意：保持輸入信號的幅值不變，而且輸出波形不失真BW=fH–fL。Vi=10mV(Vip-p=28mV)三、設計舉例例設計一阻容耦合單級晶體管放大器。已知條件VCC=+12V，RL=3k，Vi=10mV，Rs=600

。性能指標要求AV40，Ri1k，Ro3k，fL100Hz，fH

100kHz。

電路安裝和調試提出設計指標擬定電路方案設定器件參數結果測量指標滿足要求電路設計結束Y修改電路方案修改電路參數是否要修改電路方案YNN電路設計流程解(1)擬定電路方案選擇電路形式及晶體管采用分壓式電流負反饋偏置電路，可以獲得穩(wěn)定的靜態(tài)工作點。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ICM=20mA，V(BR)CEO≥20V，fT

≥150MHz

通常要求b的值大于AV的值，故選b

=60。

解(2)設置靜態(tài)工作點并計算元件參數

靜態(tài)工作點Q，計算如下：要求Ri(Ri≈rbe≈300＋?

)1kΩ，有

取ICQ=1.5mA

26mV｛ICQ}mA×mA｝解(2)設置靜態(tài)工作點并計算元件參數

若取VBQ=3V，得

取標稱值1.5kW

因IBQ＝ICQ/?

得

I1=(5～10)IBQ有

為使靜態(tài)工作點調整方便，RB1由30kW固定電阻與100kW電位器相串聯而成。

因ICQ已知根據Av的理論計算式得

因RL’=RC//RL

則

綜合考慮，取標稱值1.5kW

解(2)設置靜態(tài)工作點并計算元件參數取ICQ=1.5mA解(2)設置靜態(tài)工作點并計算元件參數

取標稱值10mF

取CC=CB=10mF。得

取標稱值100mF

計算電容為：四、電路安裝與調試靜態(tài)調試動態(tài)調試1.靜態(tài)工作點測量與調整用萬用表分別測量晶體管的B、E、C極對地的電壓VBQ、VEQ及VCQ。一般VBQ＝（3～5）V，VCEQ＝正幾伏。如果出現VCQ

VCC，說明晶體管工作在截止狀態(tài)；如果出現VCEQ

0.5V，說明晶體管已經飽和。

測量方法是：不加輸入信號，將放大器輸入端（耦合電容CB負端）接地。1.靜態(tài)工作點測量與調整調整方法是改變放大器上偏置電阻RB1的大小，即調節(jié)電位器的阻值，同時用萬用表分別測量晶體管的各極的電位VBQ、VCQ、VEQ，并計算VCEQ及ICQ。如果VCEQ為正幾伏，說明晶體管工作在放大狀態(tài)，但并不能說明放大器的靜態(tài)工作點設置在合適的位置，所以還要進行動態(tài)波形觀測。

1.靜態(tài)工作點測量與調整給放大器送入規(guī)定的輸入信號，如Vi=10mV，fi=1kHz的正弦波。若放大器的輸出vo的波形的頂部被壓縮（見圖3.1.6(a)，這種現象稱為截止失真），說明靜態(tài)工作點Q偏低，應增大基極偏流IBQ，即增大ICQ。

1.靜態(tài)工作點測量與調整如果輸出波形的底部被削波（見圖3.1.6(b)，這種現象稱為飽和失真），說明靜態(tài)工作點Q偏高，應減小IBQ，即減小ICQ。

1.靜態(tài)工作點測量與調整如果增大輸入信號，如Vi=50mV，輸出波形無明顯失真，或者逐漸增大輸入信號時，輸出波形的頂部和底部差不多同時開始畸變，說明靜態(tài)工作點設置得比較合適。此時移去信號源，分別測量放大器的靜態(tài)工作點VBQ、VEQ、VCEQ及ICQ。2.性能指標測試與電路參數修改示波器用于觀測放大器的輸入、輸出電壓波形并讀取測量值。

2.性能指標測試與電路參數修改注意事項所有儀器的接地端都應與放大器的地線相連接。AV、Ri、Ro：

fi=1kHz，Vi=10mVBW：當頻率改變時，信號發(fā)生器的輸出電壓可能變化，應及時調整，以保持

Vi=10mV始終不變。

2.性能指標測試與電路參數修改對于一個低頻放大器，各項指標很難同時都很理想。例如，電壓放大倍數AV，根據

有2.性能指標測試與電路參數修改增大Rc會使輸出電阻Ro增加，減小rbe會使輸入電阻Ri減小。如果Ro及Ri離指標要求還有充分余地，則可以通過實驗調整RC或ICQ來提高電壓放大倍數，但改變RC及ICQ會影響電路的靜態(tài)工作點。提高晶體管的放大倍數，是提高放大器電壓放大倍數的最簡方法。2.性能指標測試與電路參數修改同時，由于基極電位VBQ固定，即

ICQ亦基本固定，即

所以，改變不會影響放大器的靜態(tài)工作點。

2.性能指標測試與電路參數修改再例如，希望降低放大器的下限頻率fL，根據電容計算式，也可以有三種途徑，即

不論何種途徑，都會影響放大器的性能指標，只能根據具體的指標要求，綜合考慮。

2.性能指標測試與電路參數修改下圖為滿足設計舉例題性能指標要求的放大器的電路。由圖可見，實驗調整后的元件參數值與設計計算值有一定差別。

3.測量結果驗算與誤差分析如前圖所示的電路，其靜態(tài)工作點的測量值為VBQ=3.4VVEQ=2.7VICQ=1.8mAVCQ=9.3V性能指標的測量值為AV=47Ri=1.1k

Ro=1.5kfL=100HzfH＞999kHz

3.測量結果驗算與誤差分析根據前圖所示電路參數，理論計算值為

VEQ=VBQ–0.7V=2.7V

Rirbe=300+

1.2k

RoRC=1.5k

3.測量結果驗算與誤差分析從而得測量誤差(理論值為上述計算值)如下：

3.測量結果驗算與誤差分析產生測量誤差的主要原因是：

①測量儀器不準確及測量人員的讀數誤差；

②元器件本身參數的示值誤差；

③工程近似計算式引入的理論計算誤差。

五、負反饋對放大器性能的影響引入負反饋后，放大器的電壓放大倍數將下降，其表達式為

式中，F為反饋網絡的傳輸系數；AV為無負反饋時的電壓放大倍數。在引入負反饋后，雖然電壓放大倍數下降，但可以改善放大器的性能。1.提高放大器增益的穩(wěn)定性(1+)愈大負反饋愈強，若

>>1，則深度負反饋放大器的電壓增益僅與反饋網絡有關，而與電路的其它參數無關。

=1/F2.擴展放大器的通頻帶負反饋放大器的上限頻率fHF與下限頻率fLF的表達式分別為

可見，引入負反饋后通頻帶加寬。3.改變放大器的輸入電阻與輸出電阻一般并聯負反饋能降低輸入阻抗，串聯負反饋能提高輸入阻抗。電壓負反饋使輸出阻抗降低，電流負反饋使輸出阻抗升高。

圖3.1.9電流串聯負反饋放大器3.改變放大器的輸入電阻與輸出電阻電流串聯負反饋放大器，僅增加了一只射極電阻RF。分析表明，電路的反饋系數

電壓放大倍數3.改變放大器的輸入電阻與輸出電阻實驗表明，RF取幾十歐姆，可以明顯地提高放大器的輸入阻抗，降低放大器的下限頻率。對于單級放大器，在要求下限頻率fL很低，而放大倍數要求不高時，采用負反饋電路較好。若采用無負反饋電路，則電容CE的值必須增大很多，才能使fL明顯下降。對于圖3.1.9所示的參數，fL可低到20Hz。

六、設計任務設計課題：單級阻容耦合晶體管放大器設計已知條件+VCC=+12V，RL=2k，Vi=10mV，Rs=50。性能指標要求AV＞30，Ri＞2k，Ro＜3k，fL＜20Hz，fH＞500kHz，電路穩(wěn)定性好。實驗儀器設備(略)面包板反面面包板正面