第四讲晶体管放大电路的设计

电子技术应用专业“双师”培训讲座通信与电子学院主讲人：曾旺辉第四讲晶体管放大电路的设计晶体管小信号放大器的设计晶体管小信号放大器主要用于前级微弱信号放大，如话筒放大，磁头放大及其他传感器信号源的放大等，除保证足够的增益外，还起到阻抗变换的作用。通过本项目的学习，掌握晶体管放大器的正确设计方法。加深对晶体管的放大作用的理解，正确理解晶体管处于放大状态下的偏置条件；能够熟练的对晶体管放大电路进行调整，以使其満足工程实际的要求。同时正确掌握放大器电压放大倍数、输入输出电阻及最大不失真输出电压的测试方法，为今后的复杂电路设计打下良好的基础。1．题目概述2．设计任务与要求设计并一个分立元件组成的晶体管放大器。已知：输入信号电压ui=20mV，f=1KHZ；负载电阻RL=5.1KΩ；工作温度范围0～45℃。主要技术指标要求如下：（1）电压放大倍数Au=100；（2）输入阻抗Ri≥47KΩ；（3）带宽BW=50Hz~100KHz；3．预备知识（1）认真复习教材中关于晶体管基本放大电路的有关知识；（2）深刻理解晶体管放大电路的偏置条件及对电路的影响；（3）掌握单极型晶体管的性能特点；（4）掌握常用电工测量仪表的基本原理和正确使用方法。晶体管小信号放大器的设计4．总体设计晶体管小信号放大器的设计（1）课题分析根据设计要求，要实现电压放大倍数Au=100；输入阻抗Ri≥47KΩ；采用单级双极型三极管放大电路是无法实现的，就本题而言，系统可分为二级：输入级和主放大级。总体结构如图1-1所示。（2）方案讨论①输入级：主要完成阻抗变换，实现输入阻抗Ri≥47KΩ的设计要求；②主放大级：主要完成电压放大作用，实现电压放大倍数Au=100的设计要求。图1-1晶体管电压放大器方框图5．主放大电路设计晶体管小信号放大器的设计（1）电路类型选择：为了实现电压放大倍数Au=100的设计要求，主放大级宜采用固定分压偏式共射大电路形式，工作稳定性最好。（2）电路结构：如右图1-2所示。图1-2固定分压偏置式放大电路（3）元件选取与参数计算：①选择半导体三极管：从给出的技术要求可知，该电路工作在低频小信号场合，工作温度范围又较宽，故可选择热稳定性较好的低频小功率三级管3DG6B，从手册上查出它的主要参数是PCM=100mW，ICM=20mA，UCEO≥20V，对该管进行实测，假设β=60。5．主放大电路设计晶体管小信号放大器的设计②确定电源电压VCC为保证放大输出信号幅度的动态范围内不会产生非线性失真，一般取VCC≥2uom+UE+UCES图1-2固定分压偏置式放大电路由于输入信号电压幅值为mVuuiim2.282041.12则输出信号电压幅值为VuAuimuom82.22.28100若取三极管饱和压降的临界值UCES≈1V，则静态集一射压降设置在UCEQ≥uom+UCES=3.82V又由于这种典型放大器静态的工作(估算)条件是：I1≈I2IB和UBUBE5．主放大电路设计晶体管小信号放大器的设计图1-2固定分压偏置式放大电路一般取I1=(5-10)IB和UB=(5～10)VBE。硅管UB=3～5V，锗管UB=1～3V，若近似取UB=4V，UE=UB-0.7=3.3V再按VCC≥2uom+UE+UCES=2×2.82+3.3+1=10V。考虑留有余量取VCC=12V(标准等级电压)。③计算和确定集电极电阻RC由放大电路的静、动态分析可知，RC是决定静态工作点和满足电压增益要求的一个关键元件。一般应从输入至输出逐步推算。先确定输入回路的动态范围：基极信号电流的幅值为beimbmruI5．主放大电路设计晶体管小信号放大器的设计取若rbe=1.2KΩ，则AmVIbm5.231012.283为了使输入动态信号不出现非线性失真，即信号动态工作不进入输入特性下面的弯曲部分，通常取最小基极电流AIb5min则静态基流AIIIbbmB5.2855.23min再在输出回路进行静态计算：根据管子的电流放大作用有mAIIBC71.15.2860图1-2固定分压偏置式放大电路又由于ECEQCCCCUURIV若取UCEQ=4V，UE=3.3V得KIUUVRCECEQCCC75.271.13.3412取标称值RC=3K5．主放大电路设计晶体管小信号放大器的设计④计算确定射极电阻ReKIUUREBEBe65.1029.071.17.04⑤计算确定Rb1、Rb2由I1=(5-10)IB，取I1=5IB=5×28.5≈0.1425mA图1-2固定分压偏置式放大电路KIIURBBb350285.01425.0412即为标称值KIUVRBCCb561425.041211取标称值Rb2=36K实际电路中Rb1用一个固定电阻与一个可调电阻串联来代替，方便工作点的调节。取标称值RE=1.8K5．主放大电路设计晶体管小信号放大器的设计图1-2固定分压偏置式放大电路⑥确定耦合电容和射极旁路电容C1、C2和Ce如果是放大低频信号(f=20Hz～200KHz)，则耦合电容和射极旁路电容可直接取经验标称值：VFCC16/20~1021VFCe16/100~50⑦校验uA由于KImVrBbe1.15.282620026200KRRRLCL9.11.5//3//1001041.19.160beLurRA符合指标要求。晶体管小信号放大器的设计（1）电路类型选择：为实现输入阻抗Ri≥47KΩ的设计要求，根据模拟电路知识，输入级宜选用共集电极电路（射极输出器）。这种电路具有输入阻抗高、输出阻抗低的特点。6．输入电路设计（2）电路结构：射极跟随器的原理图如图1-3所示。它是一个电压串联负反馈放大电路，它具有输入电阻高，输出电阻低，电压放大倍数接近于1，输出电压能够在较大范围内跟随输入电压作线性变化以及输入、输出信号同相等特点。图1-3共集电极电路（3）元件选取与参数计算：①选择半导体三极管半导体三极管的选择同上，但要注意，对于小信号输入级，为降低热噪声，工作电流不宜过大，一般Ic＜1mA。假设β=100图1-3共集电极电路晶体管小信号放大器的设计6．输入电路设计②)确定Rb一般，取RbRi，取Rb=10Ri=470K，实际电路中可以用一个200K的固定电阻与一个470K的可调电阻串联使用。③计算Re对于射极输出器，其输入电阻Ri=Rb∥[rbe+(1+β)(Re∥RL)]≈(1+β)(Re∥RL)≥47K，即：(Re∥RL)≥0.47K，晶体管小信号放大器的设计6．输入电路设计④C1、C2的选取同上。⑤验算输入电阻RiRi≈(1＋β)(Re∥RL)=101×1K//1.1K=52.3K＞47K，图1-3共集电极电路其中RL是主放大电路的输入电阻Ri，Ri≈1.1K，求得Re≥0.94K，取标称值Re=1K即：(Re∥RL)≥0.47K，满足设计要求。谢谢！