晶体管放大器的设计

晶体管放大器的设计一、实验目的1.熟悉晶体管放大器的工作原理，体会晶体管放大器的作用。2.掌握晶体管放大器静态工作点的测试和调整方法以及测量晶体管放大器各项动态性能指标的方法。3.学习和掌握设计、调试具体晶体管放大器电路的方法与技能。二、实验原理(一)设计原理1.工作原理及基本关系式(1)工作原理。晶体管放大器中广泛应用如图1所示的电路，该电路称为阻容耦合共射极放大器，它采用分压式电流负反馈偏置电路。放大器的静态工作点Q主要由ecbbRRRR、、、21及电源电压CCV所决定。该电路利用电阻1bR、2bR的分压固定基极电位bQV。如果满足条件bQII1，当温度升高时，cQbQbeeQcQIIVVI，结果抑制了cQI的变化，从而获得稳定的静态工作点。图1阻容耦合共射极放大器(2)基本关系式。当bQII1时，才能保证bQV恒定，这是工作点稳定的必要条件，一般取锗管）硅管）()20~10(()10~5(11bQbQIIII（1）负反馈越强，电路的稳定性越好。所以要求bebQVV，即bQV=（5~10）beV，一般取锗管）硅管）()3~1(()5~3(VVVVbQbQ（2）电路的静态工作点有下列关系式确定：cQeQcQbebQeIVIVVR（3）对于小信号放大器，一般取mAmAIcQ2~5.0CCeQVV)5.0~2.0(cQbQbQbIVIVR)10~5(12（4）21bbQbQCCbRVVVR（5）)(eccQCCceQRRIVV（6）2.性能指标与测试方法晶体管放大器的主要性能指标有电压放大倍数VA、输入电阻iR、输出电阻0R及通频带WB。对于图1所示电路，各性能指标的计算式与测试方法如下：(1)电压放大倍数beLiVrRVVA0（7）LR=LcRR//；ber为晶体管输入电阻，即)()(26300)()(26)1(mAImVmAImVrrcQeQbbe（8）测量电压放大倍数，实际上是测量放大器的输入电压iV与输出电压0V的值。在波形不失真的条件下，如果测出iV（有效值）或imV（峰值）与0V（有效值）或mV0（峰值），则immiVVVVVA00（9）(2)输入电阻为bebbbeirRRrR21////（10）其测试电路如图2所示。放大器的输入电阻反映了放大器本身消耗输入信号源功率的大小。若siRR（信号源内阻），则从信号源获得最大功率。用“串联电阻法”测得放大器的输入电阻iR，即在信号源输出与放大器输入端之间串联一个已知电阻R（一般以选择R的值接近iR的值为宜），如图2所示。输出波形不失真情况下，用晶体管毫伏表或示波器分别测量出sV与iV的值，则有信号源放大器VsViRsRi++----图2输入电阻的测试电路RVVVRisii（11）式中sV为信号源的输出电压值。(3)输出电阻为ccRRrR//00（12）式中0r为晶体管的输出电阻。放大器输出电阻的大小反映其带负载的能力，0R越小，带负载的能力越强。当0RLR时，放大器可等效成一个恒压源。放大器输出电阻的测量方法如图3所示，电阻LR应与0R接近。在输出波形不失真的情况下，首先测量未接入LR即放大器负载开路时的输出电压0V的值；然后接入LR再测量放大器负载上的电压LV0的值，则有LLRVVR1000（13）(4)频率特性和通频带。放大器的频率特性包括幅频特性A和相频特性。A表示增益的幅值与频率的关系；表示增益的相位与频率的关系；是放大器输出信号与输入信号间的相位差。信号源放大器VoVoLRLRo+--DC图3输出电阻测试电路放大器的频率特性如图4所示，影响放大器频率特性的主要因素是电路中存在的各种电容元件通频带WB=Hf—Lf(14)式中，Hf为放大器的上限频率，主要受晶体管的结电容及电路的分布电容的限制；Lf为放大器的下限频率，主要受耦合电容bC、cC及射极旁路电容eC的影响。|A|ufMAUMA.U7070LfHfBW图4放大器的频率特性要严格计算电容bC、cC及eC同时存在时对放大器低频特性的影响，较复杂。在实际设计中，为了简化计算，通常以每个电容单独存在时的转折频率为基本频率，再降低若干倍作为下限频率。电容bCcC及eC单独存在时所对应的等效回路如图5（a）、图5（b）、图5（c）所示。如果放大器的下限频率Lf已知，则可按式（15）～式（17）进行估算bC（3～10）beSLrRf21（15）cC（3～10）LCLRRf21(16)eC（1～3）121beSeLrRRf（17）通常取bC=cC，可在式（15）与式（16）中选电阻最小的一式求bC或cC。CbRsrbe++-VsCcRc++-Ce(Rs+rbe)/(1+β)Re+（a）bC等效(b)cC等效(c)eC等效图5与电容bC、cC及eC对应的等效电路放大器的幅频特性可通过测量不同频率时的电压放大倍数VA来获得。通常采用“逐点法”测量放大器的幅频特性曲线。测量时，每改变一次信号源的频率（注意维持输入信号SV的幅值不变且输出波形不失真），用晶体管毫伏表或示波器测量一个输出电压值，并计算增益，然后将测试数据if、)201(vvgAA表，整理并标于坐标纸上，再将其连接成曲线，如图4所示。如果只要求测量放大器的通频带WB，首先测出放大器中频区（如kHzf10）出电压V。然后升高频率直到输出电压降到0.7070V为止（维持sV不变），此时所对应的信号源的频率就是上限频率Hf。同理，维持sV不变降低频率直到输出电压降到0.7070V为止，此时所对应的频率为下限频率Lf，放大器的通频带LHWffB。根据设计题目绘制实际电路图，电路的安装与调试。(二)电路的安装与调试1.静态工作点的测量与调整根据设计计算所得的元件参数组装电路（应尽量按照电路的形式与顺序布线）。通电前，先用万用表检测连接导线是否接触良好，然后接通电源，测量电路的静态工作点。测量方法是不加输入信号，将放大器输入端（耦合电容bC左端）接地。用万用表分别测量晶体管的基极、发射极和集电极对地的电压BQV、EQV及CQV。如果出现CCCQVV，说明晶体管工作在截止状态；如果VVCEQ5.0，说明晶体管已经饱和。遇到上述两种情况，或者测量值与所设置的静态工作点偏离较大时，都需要调整静态工作点。调整方法是改变放大器上偏置电阻1BR的大小，即调节电位器的阻值，同时用万用表分别测量晶体管各极的电位BQV、EQV及CQV，并由式（6）计算CEQV及由式（3）计算CQI。如果CEQV为正几伏，说明晶体管工作在放大状态，但并不说明放大器的静态工作点设置在合适的位置，所以还要进行动态波形观测。给放大器送入规定的输入信号，如iV=10mV，if=1kHz的正弦波。若放大器的输出0V的波形的顶部被压缩（见图4-6（b），这种现象称为截止失真），说明静态工作点Q偏低，应增大基极偏流BQI。如果输出波形的底部被削波（见图4-6（a），这种现象称为饱和失真），说明静态工作点Q偏高，应减少BQI。如果增大输入信号时，输出波形的顶部和底部差不多同时开始畸变，说明静态工作点设置得比较适合。此时移去信号源，分别测量放大器的静态工作点BQV、EQV、CQV及CQI。（a）饱和失真（b）截止失真图6波形失真2.性能指标测试与电路参数修改按照图7所示的测量系统的接线方式来测量放大器的主要性能指标。示波器用于观测放大器的输入、输出电压波形，晶体管毫伏表用于测量放大器的输入、输出电压。当频率改变时，信号发生器的输出电压可能变化，应及时调整，以维持输入电压始终不变。所有仪器的图7观测放大器性能指标接线图接地端都应与放大器的地线相连接。测量前，首先使信号发生器的频率调到放大器中频区的某个频率0f上，（例如使0f=1kHz，幅值调到放大器所要求的电压值，例如iV=10mV有效值），然后按照放大器性能指标的测试方法分别测量VA、iR、0R、WB。对于一个低频放大器，要求电路的稳定性好、非线性失真小、电压放大倍数大、输入阻抗高、输出阻抗低、低频响应Lf低，但这些要求很难同时满足。例如，要提高电压放大倍数VA，由式（7）可以有3种途径实现，即beibeLVrRrRRA0增大LR会使输出电阻0R增加，减小ber会使输入电阻iR减小。如果0R及iR离指标要求还有充分余地，则可以通过实验调整cR或cQI，但改变cR或cQI又会影响电路的静态工作点。可见只有提高晶体管的放大倍数，才是提高放大器电压放大倍数的有效措施。对于图1分压式直流负反馈偏置电路，由于基极电位bQV固定即cQI亦基本固定。即CCbbbbQVRRRV212（18）所以，改变不会影响放大器的静态工作点。若要降低放大器的下限频率Lf，根据式（15）和式（17），也可以有3种途径实现，即0c,,RRArCCCfVbecbeL电路的性能价格比无论哪一种途径都会影响放大器的性能指标，故只能根据具体指标要求，综合考虑。设计出满足要求的放大器，根据实验调整后的元件参数与设计计算值会有些差别，应根据测量结果验算并进行误差分析。3.测量结果与误差分析(1)静态工作点测量。(2)性能指标测量。(3)电路参数讨论及误差分析。*(三)负反馈对放大器性能的影响引入负反馈后，放大器的电压放大倍数将下降，其表达式为FAAAVVVf1（19）式中，F为反馈网络的传输系数；VA为无负反馈时的电压放大倍数。在引入负反馈后，虽然电压放大倍数下降，但可以改善放大器的性能。1.提高放大器增益的稳定性。由式（19）可见，1+FAV越大负反馈越强，若FAV+11，则深度负反馈放大器的电压增益仅与反馈网络有关，而与电路的其他参数无关。2.扩展放大器的通频带。负反馈放大器的上限频率与下限频率的表达式分别为fHfFAV+1HffLfLVfFA+11（20）可见，引入负反馈后通频带加宽。3.改变放大器的输入电阻和输出电阻。一般并联负反馈能降低输入阻抗，串联负反馈能提高输入阻抗。电压负反馈使输出阻抗降低，电流负反馈使输出阻抗升高。图8所示的电路为电流串联负反馈放大器，与图1相比，仅增加了一只射极电阻，分析表明，电路的反馈系数LfLcfefRRRIRIVVF0（21）电压放大倍数fbeLVfRrRA（22）图8电流串联负反馈放大器分析表明，fR取几欧姆时，可以明显提高放大器的输出阻抗，降低放大器的下限频率，即放大器要求不高时，采取图8所示的电路较多，若采用图1所示的电路，则电容eC必须增大很多，才能使Lf明显下降，对图4-8所示的参数Lf较低。三、实验内容1.设计题目：单级晶体管阻容耦合放大器的设计设计任务：（1）已知条件60RmV10Vk3R,12siL，，VVCC（2）性能指标要求vA602iRk，，1.5oRk，100LfHz，kHzfH502.设计举例设计一阻容耦合单级晶体管放大器。已知条件VVCC12，kRL3，mVVi10，600sR。性能指标要求40VA，kRi1，kR30，HzfL100，kHzfH100。首先，选择电路形式级晶体管。采用如图9所示的分压式电流负反馈偏置电路，可以获得稳定的静态工作点。因放大器的上限频率要求较高，故选用高频小功率管3DG100，其特性参数mAICM20，VVCEOBR20)(，MHzfT150。通常要求的值大于VA的值，故选60。其次，设置静态工作点并计算元件参数。图9分压式电流负反馈偏置电路由于是小信号放大器，故采用公式法设置静态工作点Q，计算如下：要求iR（beirR）1k，根据公式（8）得mAmAIcQ2.2300100026取mAIcQ5.1若取bQV=3V，由式