單級(jí)放大器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)講座

單級(jí)放大器設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)講座第一頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日單級(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二頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日一、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)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。第三頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日二、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)放大器第四頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日二、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）第五頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日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(xiàn)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。第六頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日直流等效電路圖第七頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日輸入特性曲線(xiàn)及直流負(fù)載線(xiàn)Q0uBEUbbIBQUBEQiB外電路輸入回路方程IB=(Ubb-UBE)/[Rb’+(1+β)Re]IB=0,UBE=UbbUBE=0,IB=(Ubb/[Rb’+(1+β)Re](Ubb/[Rb’+(1+β)Re]Rb’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。第八頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日輸出特性曲線(xiàn)及直流負(fù)載線(xiàn)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增大第九頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日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’-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)模裕偟乃矔r(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(xiàn)方程：iB=IBQ+[us’-(uBE-uBEQ)]/Rb’’第十頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日晶體管輸入特性曲線(xiàn)及交流負(fù)載線(xiàn)Q0UbbIBQUBEQiB(Ubb/[Rb’+(1+β)Re]uBEiB=IBQ+[us’-(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(xiàn)。-1/Rb’交流負(fù)載線(xiàn)直流負(fù)載線(xiàn)第十一頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日晶體管輸出特性曲線(xiàn)與交流負(fù)載線(xiàn)

QuCEiCUCEQICQECEc/(Rc+Re)IBQ交流負(fù)載線(xiàn)直流負(fù)載線(xiàn)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(xiàn)方程：iC=ICQ-(uCE-UCEQ)/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,ICQRL’=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(xiàn)。－1/RL’第十二頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日放大器圖解分析Q0UbbIBQUBEQiBuBEuCEiCUCEQQICQ直流負(fù)載線(xiàn)交流負(fù)載線(xiàn)第十三頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日單級(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：第十四頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日單級(jí)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(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十五頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日單級(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=-βRL’/rberbe=rbb’+(1+β)26(mV)/IeQ(mA)rbb’很小，Au≈RL’IeQ(mA)/26(mV)Au幾乎與β無(wú)關(guān)，要提高Au可增大RL或IcQ。第十六頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日單級(jí)放大器的工作原理輸入電阻RiRi=Ui/Ii=Rb1||Rb2||rbe≈rbe輸出電阻Ro

Ro=Rc第十七頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日三、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，如下圖所示第十八頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日單級(jí)放大器的設(shè)計(jì)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(jì)條件：電源電壓＋12VRL＝3KΩ第十九頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日單級(jí)放大器的設(shè)計(jì)1、確定Rc、UceQ因Ro=Rc，Ro=3KΩ，Rc=3KΩ因Uopp≥2V，飽和壓降為1V，則UceQ=1/2Uopp+Uces=1+1=2V取3V。第二十頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日單級(jí)放大器的設(shè)計(jì)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(chēng)值2K或1.5K）第二十一頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日第二種求ICQ的方法因UCEQ－UCES＝ICQ*RL‘ICQ=(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0.5mA~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(mǎn)足要求輸入電阻Ri:Ri=rbe//Rb1//Rb2=rbe=rbb’+β26/ICQ=200+1400=1600Ω(ICQ=1.9mA時(shí))第二十二頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日單級(jí)放大器的設(shè)計(jì)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)。第二十三頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日單級(jí)放大器的設(shè)計(jì)4、核算指標(biāo)：AU＝-(βRL’)/rbe≈[ICQ(mA)RL’]/26(mV)=(1.9*1.5*1000)/26=109Ri=Rb1||Rb2||rbe≈rbe=rbb’+(1+β)26(mV)/ICQ=300+1368≈1.7K第二十四頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日單級(jí)放大器的設(shè)計(jì)UOPP:UOPP=2ICQ*RL’=2*1.9*1.5=5.7VRo=Rc=3K第二十五頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日單級(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(huà)來(lái)講，設(shè)立直流工作點(diǎn)就是要減小放大電路的非線(xiàn)性失真，而非線(xiàn)性失真包括兩種：飽和失真和截止失真。第二十六頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日單級(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。第二十七頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日單級(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：ICQ≈UEQ/RE；UBQ≈UEQ＋0.7V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，要排除。排除方法后面介紹第二十八頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日直流工作點(diǎn)測(cè)試：2.7V2V2mA2mA4V測(cè)UeQ測(cè)UcQ第二十九頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日第三十頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日單級(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=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(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：儀表與被測(cè)電路必須接在同一“地”上。注意儀表“地”線(xiàn)的正確接入與撤出。接入：先“地”線(xiàn)后信號(hào)線(xiàn)；撤出：先信號(hào)線(xiàn)后“地”線(xiàn)。第三十一頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日單級(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(cè)輸出波形不失真。第三十二頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日單級(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(xiàn)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)的最低頻率fL和最高頻率fH頻帶寬度Δf＝fH-fL用對(duì)數(shù)表示的幅頻特性見(jiàn)書(shū)P29（圖2－26）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?？捎脪哳l儀測(cè)頻率特性。第三十三頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日單級(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fmUi

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(xiàn)性失真是晶體管的非線(xiàn)性造成。

第三十四頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日單級(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R≈RiRi=Ui/Ii=(UiR)/(Us-Ui)注意事項(xiàng)：電壓表分別測(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)量第三十五頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日單級(jí)放大器的調(diào)試與性能測(cè)試替代法測(cè)量Ri：取R≈Ri，RW≈（1.2~1.5）Ri使URW＝Ui,則RW＝Ri注意事項(xiàng)：同串聯(lián)電阻法第三十六頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日單級(jí)放大器的調(diào)試與性能測(cè)試半電壓法測(cè)量Ri取RW≈（1.2~1.5）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)量第三十七頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日單級(jí)放大器的調(diào)試與性能測(cè)試（6）開(kāi)路電壓法測(cè)Ro取R≈Ro

K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。第三十八頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日單級(jí)放大器的調(diào)試與性能測(cè)試半電壓法測(cè)Ro:取RW=(1.2~1.5)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。第三十九頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日交流參數(shù)測(cè)試：第四十頁(yè)，共四十六頁(yè)，2022年，8月28日單級(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