單級放大器設(shè)計與實驗課件

單級放大器設(shè)計與實驗講座

電工電子實驗中心二00七年四月單級放大器設(shè)計與實驗講座一、概述二、單級放大器工作原理三、單級放大器的設(shè)計四、單級放大器的調(diào)試與性能測試五、單級放大器的故障分析與排除六、單級放大器的軟件仿真一、概述單級放大器是用一個放大管組成的電路。放大管可以是晶體管，或是場效應(yīng)管。放大器的用途很多，幾乎所有的電子設(shè)備都離不開放大器。放大器的種類：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型分：晶體管放大器、場效應(yīng)管放大器按工作狀態(tài)分：曱類放大器、乙類放大器、丙類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、（場效應(yīng)管）等等。二、單級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，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)置合理的信號通路。當(dāng)信號源及負(fù)載與放大器相接時，不能破壞原設(shè)置的工作點，同時盡量減小信號通路中的損耗。（在多級放大器中或在與信號源及與負(fù)載相接處都加隔直電容，或稱耦合電容）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)作圖的方法來分析電路的靜態(tài)工作點、工作狀態(tài)、工作過程及性能的傳統(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。直流等效電路圖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點左移，UCEQ左移，ICQ基本不變Rc減小，Q點右移，UCEQ增大2、交流圖解分析輸入回路的交流動態(tài)電路方程：ube=ui=us’-ibRb’’Rb’’=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’’晶體管輸入特性曲線及交流負(fù)載線Q0UbbIBQUBEQiB(Ubb/[Rb’+(1+β)Re]uBEiB=IBQ+[us’-(uBE-uBEQ)]/Rb’’當(dāng)us’=0時：uBE=UBEQ,iB=IBQ利用求截距的方法：當(dāng)us’=0時，令iB=0uBE=UBEQ+IBQRb’當(dāng)us’變化時，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)載線放大器圖解分析Q0UbbIBQUBEQiBuBEuCEiCUCEQQICQ直流負(fù)載線交流負(fù)載線單級放大器的工作原理用圖解法說明外偏置電路對工作點的影響以及直流與交流之間的關(guān)系：單級放大器的工作原理放大器各極電流和電壓波形如右圖所示從波形中可見：輸入交流信號時，各極電壓、電流在各自的工作點附近變化。只有交流分量隨輸入信號變化。但直流必不可少。輸入與輸出波形倒相單級放大器的工作原理輸入電阻RiRi=Ui/Ii=Rb1||Rb2||rbe≈rbe輸出電阻RoRo=Rc三、單級放大器的設(shè)計電路結(jié)構(gòu)要求：采用分壓偏置共射放大電路，如下圖所示單級放大器的設(shè)計電路指標(biāo):電壓放大倍數(shù)Au≥50輸入阻抗Ri≥1KΩ輸出阻抗Ro=3KΩ輸出電壓峰峰值Uopp≥2V幅頻特性：fL≤500Hz;fH≥200kHz設(shè)計條件：電源電壓＋12VRL＝3KΩ單級放大器的設(shè)計2、確定IcQ、RE一般取UBQ＝（1/5~1/3）EC取1/3EC＝4VUEQ=UBQ-0.7=3.3VICQ=(EC-UCEQ-UEQ)/RC=(12-3-3.3)/3=1.9mARE＝UE/ICQ=1.7KΩ（取標(biāo)稱值2K或1.5K）第二種求ICQ的方法因UCEQ－UCES＝ICQ*RL‘ICQ=(3-1)/1.5=1.33mA（與上述計算有差異，一般小信號放大器工作電流在0.5mA~2mA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)是否滿足要求輸入電阻Ri:Ri=rbe//Rb1//Rb2=rbe=rbb’+β26/ICQ=200+1400=1600Ω(ICQ=1.9mA時)單級放大器的設(shè)計3、確定Rb1、Rb2的值IBQ=ICQ/β(β取100)Rb2=UBQ/I=UBQ/10IBQ＝4/0.19mA=21K(取22K)Rb1=(EC-UBQ)/I=8/0.19=42K(取22K為固定電阻，68K為可變電阻)。單級放大器的設(shè)計UOPP:UOPP=2ICQ*RL’=2*1.9*1.5=5.7VRo=Rc=3K單級放大器的設(shè)計

5、為什么要設(shè)置直流工作點：

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,以保證信號在基本上不失真的條件下，能順利地輸入、輸出。

換句話來講，設(shè)立直流工作點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。直流工作點測試：2.7V2V2mA2mA4V測UeQ測UcQ單級放大器的調(diào)試與性能測試2、交流參數(shù)的測量（1）觀察輸入輸出波形，確定靜態(tài)工作電壓輸入信號：Ui=5~10mV，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，使上下同時出現(xiàn)削頂，說明工作點在中點，重新測試靜態(tài)電壓，并作好記錄。儀表的接“地”要求：儀表與被測電路必須接在同一“地”上。注意儀表“地”線的正確接入與撤出。接入：先“地”線后信號線；撤出：先信號線后“地”線。單級放大器的調(diào)試與性能測試（2）電壓放大倍數(shù)Au的測量：Au=Uo/UiUi：電壓取值為輸出波形不失真，一般為5~10mV（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)測輸出波形不失真。單級放大器的調(diào)試與性能測試（3）幅頻特性的測量測量接線框圖如上圖記下中頻時的Uim和Uom改變輸入頻率（保證電壓幅度不變）記下0.707Uom時的最低頻率fL和最高頻率fH頻帶寬度Δf＝fH-fL用對數(shù)表示的幅頻特性見書P29（圖2－26）注意：所用電壓表的頻率范圍必須大于被測信號的頻率范圍?？捎脪哳l儀測頻率特性。單級放大器的調(diào)試與性能測試（4）最大不失真輸出動態(tài)范圍的測量輸入信號頻率為fmUiUo失真用示波器觀察（調(diào)整工作點，使同時出現(xiàn)截止和飽和失真）非線性失真是晶體管的非線性造成。

單級放大器的調(diào)試與性能測試（5）輸入電阻Ri的測量串聯(lián)電阻法：取R≈RiRi=Ui/Ii=(UiR)/(Us-Ui)注意事項：電壓表分別測Us、Ui電壓表在同一檔測試高輸入電阻不能用此法保證輸出波形不失真時測量單級放大器的調(diào)試與性能測試替代法測量Ri：取R≈Ri，RW≈（1.2~1.5）Ri使URW＝Ui,則RW＝Ri注意事項：同串聯(lián)電阻法單級放大器的調(diào)試與性能測試半電壓法測量Ri取RW≈（1.2~1.5）Ri，先將K1、K2置“1”，得Uo再將K1、K2置“2”，得Uo/2，測RW值為Ri。此法可用于高輸入電阻的測量單級放大器的調(diào)試與性能測試（6）開路電壓法測Ro取R≈RoK打開時測得Uo’，合上時,測得Uo,Ri=(Uo’/Uo-1）R注意事項：測量輸出電阻時，不接RL被測電路的輸出電阻很小時，R可取得大些。單級放大器的調(diào)試與性能測試半電壓法測Ro:取RW=(1.2~1.5)Ro斷開K，測得Uo’；合上K，調(diào)RW，使URW=1/2Uo’則測得RW的值為Ro。

以上測試均在輸出波形不失真的情況下進(jìn)行。交流參數(shù)測試：單級放大器的調(diào)試與性能測試

（7）Ro實際意義：對負(fù)載來說，放大器相當(dāng)于它的信號源，Ro正是該信號源的內(nèi)阻。Ro是一個表征放大器帶負(fù)載能力的參數(shù)。對于電壓輸出，Ro越小，帶負(fù)載能力越強(qiáng)，即負(fù)載變化時放大器輸出給負(fù)載的電壓基本不變。而對于電流輸出，Ro越大，則帶負(fù)載能力越強(qiáng)，即負(fù)載變化時，放大器輸出給負(fù)載的電流基本不變。

Ri實際意義：對信號源來說，放大器相當(dāng)于它的負(fù)載，Ri則表示該負(fù)載能從信號源獲取多大的信號。由于實際信號源均有內(nèi)阻，對于低阻電壓源，Ri越大，放大器從該信號源獲取的電壓就越大。而對高阻電流源，Ri越小，則放大器從該信號源獲取的電流也越大。否則信號源內(nèi)阻的消耗將增大，而輸出給放大器的信號減小。單級放大器的故障分析與排除1、靜態(tài)工作點不正常

單級放大器