晶體管放大器設(shè)計(jì)

電子線路設(shè)計(jì)與測(cè)試楊小獻(xiàn)87543835misyangxx@——培養(yǎng)硬件設(shè)計(jì)與裝調(diào)能力能正確使用常用儀器掌握電子電路的基本測(cè)試技術(shù)掌握電子電路的設(shè)計(jì)方法能正確處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、進(jìn)行誤差分析、寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)報(bào)告能理論聯(lián)系實(shí)際，分析、尋找和排除實(shí)驗(yàn)故障學(xué)會(huì)兩種EDA工具軟件。一、課程目標(biāo)：二、課程特點(diǎn)理論與實(shí)踐相結(jié)合以培養(yǎng)工程實(shí)踐能力為主培養(yǎng)基本技能和綜合應(yīng)用能力三、實(shí)驗(yàn)流程課前－預(yù)習(xí)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，安裝電路，作好實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作課堂上－操作、測(cè)量、記錄課后－總結(jié)與分析課前－預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求基本實(shí)驗(yàn)原理了解實(shí)驗(yàn)方法與步驟設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)表格電路的可靠安裝課上－操作、測(cè)量、記錄搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)－－測(cè)試方法的設(shè)計(jì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果－－儀器使用記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與波形－－儀器使用上課時(shí)間：(45分鐘4學(xué)時(shí)+30分鐘休息＝3.5小時(shí)）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(jié)與分析處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制圖表和波形寫(xiě)出個(gè)人的實(shí)驗(yàn)總結(jié)并完成思考題經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求實(shí)驗(yàn)報(bào)告用報(bào)告紙書(shū)寫(xiě)，格式內(nèi)容符合要求（見(jiàn)教材附錄二）實(shí)驗(yàn)結(jié)果需表格記錄波形記錄在坐標(biāo)紙上，還需記錄波形的特征參數(shù)：如峰峰值，頻率等。波形和電路圖用鉛筆繪制，其它內(nèi)容用同色筆書(shū)寫(xiě)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容－－參考附錄二實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)原理與電路分析實(shí)驗(yàn)電路及參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與波形分析與結(jié)論心得體會(huì)思考題五、成績(jī)?cè)u(píng)定1、平時(shí)成績(jī)占總成績(jī)的40％實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告2、考試占總成績(jī)的60％，其中筆試20％，設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)技能40％

關(guān)于平時(shí)成績(jī)的說(shuō)明采取抽查指標(biāo)驗(yàn)收方式每個(gè)同學(xué)驗(yàn)收哪一個(gè)指標(biāo)由老師指定驗(yàn)收時(shí)需演示測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)果回答老師的相關(guān)提問(wèn)在每個(gè)階段如果提前完成實(shí)驗(yàn)，可以提前驗(yàn)收，通過(guò)驗(yàn)收后可以提前進(jìn)入下一階段實(shí)驗(yàn)提前完成實(shí)驗(yàn)（含報(bào)告）將得到適當(dāng)?shù)莫?jiǎng)勵(lì)分，按時(shí)完成不扣分，延期完成將扣分實(shí)驗(yàn)室有關(guān)規(guī)定每次實(shí)驗(yàn)必須在記錄本上簽到按照學(xué)號(hào)和實(shí)驗(yàn)臺(tái)號(hào)對(duì)應(yīng)就座按照學(xué)號(hào)使用對(duì)應(yīng)號(hào)碼的萬(wàn)用表萬(wàn)用表用完后，將表筆線整理好，并按號(hào)碼順序放入柜中。實(shí)驗(yàn)完畢后，每人將自己的桌面整理干凈由班長(zhǎng)安排4人，每次實(shí)驗(yàn)后做值日值日內(nèi)容：掃地、拖地、整理實(shí)驗(yàn)桌、板凳歸位、按順序放好萬(wàn)用表，清點(diǎn)工具本學(xué)期內(nèi)容安排周

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容6單管放大器設(shè)計(jì)、PSPICE仿真(單管放大器）（8學(xué)時(shí)）

7PSPICE仿真(單管放大器）（8學(xué)時(shí)）8儀器使用、單管放大器調(diào)試（8學(xué)時(shí)）10單管放大器調(diào)試（4學(xué)時(shí)）差分放大器PSPICE設(shè)計(jì)與仿真（4學(xué)時(shí)）11差分放大器PSPICE設(shè)計(jì)與仿真（4學(xué)時(shí)）運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn)（4學(xué)時(shí)）本學(xué)期內(nèi)容安排12運(yùn)算放大器實(shí)驗(yàn)（4學(xué)時(shí)）數(shù)字電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（4學(xué)時(shí)）14數(shù)字電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（8學(xué)時(shí)）15三角波－方波發(fā)生設(shè)計(jì)（8學(xué)時(shí)）16考試以班級(jí)為單位將全班姓名、學(xué)號(hào)輸入*.txt文件，在上班時(shí)間聯(lián)系開(kāi)放實(shí)驗(yàn)預(yù)約申請(qǐng)名單輸入事宜。聯(lián)系人：楊健老師；聯(lián)系電話申請(qǐng)名單輸入完成后，各班即可在網(wǎng)絡(luò)上完成開(kāi)放實(shí)驗(yàn)預(yù)約申請(qǐng)。第一節(jié)晶體管放大器設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)目的掌握晶體管放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置與調(diào)整方法放大器基本性能指標(biāo)的測(cè)試方法負(fù)反饋對(duì)放大器性能的影響放大器的安裝與調(diào)試技術(shù)。

Ic=Bib=Ie一、電路工作原理及基本關(guān)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(yīng)用的阻容耦合式共射極放大器。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(diǎn)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(dāng)溫度升高時(shí)，ICQ↑–>VEQ↑(VBQ不變）–>VBE↓–>IBQ↓–>ICQ↓，結(jié)果抑制了ICQ的變化，從而獲得穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)。

2.基本關(guān)系式工作點(diǎn)穩(wěn)定的必要條件：I1>>IBQ，一般取

直流負(fù)反饋愈強(qiáng)，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(guān)系式電路的靜態(tài)工作點(diǎn)由下列關(guān)系式確定：對(duì)于小信號(hào)放大器，一般取ICQ=0.5mA~2mA，VEQ=(0.2~0.5)VCC

2.基本關(guān)系式二、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)Av

輸入電阻Ri

輸出電阻Ro

通頻帶BW

電壓放大倍數(shù)

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(cè)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(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。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(hào)源功率的大小。若Ri>>Rs(信號(hào)源內(nèi)阻)，則放大器從信號(hào)源獲取較大電壓；若Ri<<Rs，則放大器從信號(hào)源吸取較大電流；若Ri=Rs，則放大器從信號(hào)源獲取最大功率。

用“串聯(lián)電阻法”測(cè)量放大器的輸入電阻Ri，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Ri的值為宜）。

●測(cè)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(cè)量出Vi與Vs的值，則

式中，Vs為信號(hào)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(fù)載的能力，Ro愈小，帶負(fù)載的能力愈強(qiáng)。當(dāng)Ro<<RL時(shí)，放大器可等效成一個(gè)恒壓源。

在輸出波形不失真的情況下進(jìn)行測(cè)量。Vo為放大器負(fù)載開(kāi)路時(shí)的輸出電壓的值；VoL為接入RL后放大器負(fù)載上的電壓的值，則

●測(cè)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(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)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(jié)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(dú)存在時(shí)所對(duì)應(yīng)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(dá)式估算：

通頻帶的測(cè)試方法:采用“逐點(diǎn)法”測(cè)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(hào)的幅值不變，而且輸出波形不失真BW=fH–fL。Vi=10mV(Vip-p=28mV)三、設(shè)計(jì)舉例例設(shè)計(jì)一阻容耦合單級(jí)晶體管放大器。已知條件VCC=+12V，RL=3k，Vi=10mV，Rs=600

。性能指標(biāo)要求AV40，Ri1k，Ro3k，fL100Hz，fH

100kHz。

電路安裝和調(diào)試提出設(shè)計(jì)指標(biāo)擬定電路方案設(shè)定器件參數(shù)結(jié)果測(cè)量指標(biāo)滿足要求電路設(shè)計(jì)結(jié)束Y修改電路方案修改電路參數(shù)是否要修改電路方案YNN電路設(shè)計(jì)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(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)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(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)并計(jì)算元件參數(shù)

靜態(tài)工作點(diǎn)Q，計(jì)算如下：要求Ri(Ri≈rbe≈300＋?

)1kΩ，有

取ICQ=1.5mA

26mV｛ICQ}mA×mA｝解(2)設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)并計(jì)算元件參數(shù)

若取VBQ=3V，得

取標(biāo)稱值1.5kW

因IBQ＝ICQ/?

得

I1=(5～10)IBQ有

為使靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)整方便，RB1由30kW固定電阻與100kW電位器相串聯(lián)而成。

因ICQ已知根據(jù)Av的理論計(jì)算式得

因RL’=RC//RL

則

綜合考慮，取標(biāo)稱值1.5kW

解(2)設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)并計(jì)算元件參數(shù)取ICQ=1.5mA解(2)設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)并計(jì)算元件參數(shù)

取標(biāo)稱值10mF

取CC=CB=10mF。得

取標(biāo)稱值100mF

計(jì)算電容為：四、電路安裝與調(diào)試靜態(tài)調(diào)試動(dòng)態(tài)調(diào)試1.靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)量與調(diào)整用萬(wàn)用表分別測(cè)量晶體管的B、E、C極對(duì)地的電壓VBQ、VEQ及VCQ。一般VBQ＝（3～5）V，VCEQ＝正幾伏。如果出現(xiàn)VCQ

VCC，說(shuō)明晶體管工作在截止?fàn)顟B(tài)；如果出現(xiàn)VCEQ

0.5V，說(shuō)明晶體管已經(jīng)飽和。

測(cè)量方法是：不加輸入信號(hào)，將放大器輸入端（耦合電容CB負(fù)端）接地。1.靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)量與調(diào)整調(diào)整方法是改變放大器上偏置電阻RB1的大小，即調(diào)節(jié)電位器的阻值，同時(shí)用萬(wàn)用表分別測(cè)量晶體管的各極的電位VBQ、VCQ、VEQ，并計(jì)算VCEQ及ICQ。如果VCEQ為正幾伏，說(shuō)明晶體管工作在放大狀態(tài)，但并不能說(shuō)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)。

1.靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)量與調(diào)整給放大器送入規(guī)定的輸入信號(hào)，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(jiàn)圖3.1.6(a)，這種現(xiàn)象稱為截止失真），說(shuō)明靜態(tài)工作點(diǎn)Q偏低，應(yīng)增大基極偏流IBQ，即增大ICQ。

1.靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)量與調(diào)整如果輸出波形的底部被削波（見(jiàn)圖3.1.6(b)，這種現(xiàn)象稱為飽和失真），說(shuō)明靜態(tài)工作點(diǎn)Q偏高，應(yīng)減小IBQ，即減小ICQ。

1.靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)量與調(diào)整如果增大輸入信號(hào)，如Vi=50mV，輸出波形無(wú)明顯失真，或者逐漸增大輸入信號(hào)時(shí)，輸出波形的頂部和底部差不多同時(shí)開(kāi)始畸變，說(shuō)明靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置得比較合適。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)VBQ、VEQ、VCEQ及ICQ。2.性能指標(biāo)測(cè)試與電路參數(shù)修改示波器用于觀測(cè)放大器的輸入、輸出電壓波形并讀取測(cè)量值。

2.性能指標(biāo)測(cè)試與電路參數(shù)修改注意事項(xiàng)所有儀器的接地端都應(yīng)與放大器的地線相連接。AV、Ri、Ro：

fi=1kHz，Vi=10mVBW：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，以保持

Vi=10mV始終不變。

2.性能指標(biāo)測(cè)試與電路參數(shù)修改對(duì)于一個(gè)低頻放大器，各項(xiàng)指標(biāo)很難同時(shí)都很理想。例如，電壓放大倍數(shù)AV，根據(jù)

有2.性能指標(biāo)測(cè)試與電路參數(shù)修改增大Rc會(huì)使輸出電阻Ro增加，減小rbe會(huì)使輸入電阻Ri減小。如果Ro及Ri離指標(biāo)要求還有充分余地，則可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)整RC或ICQ來(lái)提高電壓放大倍數(shù)，但改變RC及ICQ會(huì)影響電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。提高晶體管的放大倍數(shù)，是提高放大器電壓放大倍數(shù)的最簡(jiǎn)方法。2.性能指標(biāo)測(cè)試與電路參數(shù)修改同時(shí)，由于基極電位VBQ固定，即

ICQ亦基本固定，即

所以，改變不會(huì)影響放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。

2.性能指標(biāo)測(cè)試與電路參數(shù)修改再例如，希望降低放大器的下限頻率fL，根據(jù)電容計(jì)算式，也可以有三種途徑，即

不論何種途徑，都會(huì)影響放大器的性能指標(biāo)，只能根據(jù)具體的指標(biāo)要求，綜合考慮。

2.性能指標(biāo)測(cè)試與電路參數(shù)修改下圖為滿足設(shè)計(jì)舉例題性能指標(biāo)要求的放大器的電路。由圖可見(jiàn)，實(shí)驗(yàn)調(diào)整后的元件參數(shù)值與設(shè)計(jì)計(jì)算值有一定差別。

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

Ro=1.5kfL=100HzfH＞999kHz

3.測(cè)量結(jié)果驗(yàn)算與誤差分析根據(jù)前圖所示電路參數(shù)，理論計(jì)算值為

VEQ=VBQ–0.7V=2.7V

Rirbe=300+

1.2k

RoRC=1.5k

3.測(cè)量結(jié)果驗(yàn)算與誤差分析從而得測(cè)量誤差(理論值為上述計(jì)算值)如下：

3.測(cè)量結(jié)果驗(yàn)算與誤差分析產(chǎn)生測(cè)量誤差的主要原因是：

①測(cè)量?jī)x器不準(zhǔn)確及測(cè)量人員的讀數(shù)誤差；

②元器件本身參數(shù)的示值誤差；

③工程近似計(jì)算式引入的理論計(jì)算誤差。

五、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

式中，F(xiàn)為反饋網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù)；AV為無(wú)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(1+)愈大負(fù)反饋愈強(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)，而與電路的其它參數(shù)無(wú)關(guān)。

=1/F2.擴(kuò)展放大器的通頻帶負(fù)反饋放大器的上限頻率fHF與下限頻率fLF的表達(dá)式分別為

可見(jiàn)，引入負(fù)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(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。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3.1.9電流串聯(lián)負(fù)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(lián)負(fù)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(shù)

電壓放大倍數(shù)3.改變放大器的輸入電阻與輸出電阻實(shí)驗(yàn)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(duì)于單級(jí)放大器，在要求下限頻率fL很低，而放大倍數(shù)要求不高時(shí)，采用負(fù)反饋電路較好。若采用無(wú)負(fù)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(duì)于圖3.1.9所示的參數(shù)，fL可低到20Hz。

六、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)課題：?jiǎn)渭?jí)阻容耦合晶體管放大器設(shè)計(jì)已知條件+VCC=+12V，RL=2k，Vi=10mV，Rs=50。性能指標(biāo)要求AV＞30，Ri＞2k，Ro＜3k，fL＜20Hz，fH＞500kHz，電路穩(wěn)定性好。實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備(略)面包板反面面包板正面