实验一基本放大电路的设计

实验一基本放大电路的设计一、晶体管放大电路基本参量的测试1.自行搭接晶体管放大电路，改变Rb(KΩ)，其它参量不变，完成下表：输入量测试参数计算与判定改变Rb(KΩ)，其它量不变IB(μA)IE(mA)Auri(KΩ)ro(KΩ)通频带带宽BW(KHz)晶体管工作状态及β值1.确定Rb的范围：2.确定晶体管在各个工作状态下IB、IE、Rb的范围：2.自行搭接晶体管放大电路，改变Rc(KΩ)，其它参量不变，完成下表：输入量测试参数计算与判定改变Rc(KΩ)，其它量不变IB(μA)IE(mA)Auri(KΩ)ro(KΩ)通频带带宽BW(KHz)晶体管工作状态及β值1.确定Rc的范围：2.确定晶体管在各个工作状态下IB、IE、Rc的范围：3.自行搭接晶体管放大电路，改变Re(KΩ)，其它参量不变，完成下表：输入量测试参数计算与判定改变Re(KΩ)，其它量不变IB(μA)IE(mA)AuRi(KΩ)Ro(KΩ)通频带带宽BW(KHz)晶体管工作状态及β值1.确定Re的范围：2.确定晶体管在各个工作状态下IB、IE、Re的范围：二、实验数据处理1.根据上面几个表格的数据，确定你所选的最佳的静态工作点（Q点）。2.应用同一型号、不同β值的晶体管，测试β值改变后，表格中有哪些参量发生改变？3.电压放大倍数Au如何调整？通频带带宽BW(KHz)如何调节？4.熟悉三极管的主要技术参数，了解三极管做开关、放大器、比较器等应用时应如何设置？5.以上测试先仿真，再在实验室进行验证。三、实际电路设计晶体管放大器的设计与实际调试一、设计任务与要求设计并制作一个分立元件组成的放大器。主要技术指标为：电压放大倍数Au=100；输入阻抗Ri≥47KΩ；带宽BW=50Hz~100KHz；已知：输入信号电压iu=20mV，f=1KHZ；负载电阻RL=5.1KΩ；工作温度范围0～45℃。二、设计所需器材与设备（1）12V直流电源；（2）函数信号发生器；（3）双踪示波器；（4）交流毫伏表；（5）直流电压表；（6）直流毫安表；（7）频率计；（8）万用电表；（9）器件：晶体三极管3DG6×1(β＝50～100)或9011×1、电阻器、电容器若干；其他工具：电烙铁等电路装配工具；（10）电脑；投影仪等。三、设计目的（1）能够正确画出典型共集电极放大电路和分压偏置式典型共射极放大电路；（2）根据设计要求，确定工作电源VCC的大小、选择晶体三极管；计算并选择其他阻容元件；（3）测试元器件，安装电路；并将电路的偏置进行调整至合适的工作状态；（4）掌握晶体管放大电路参数的测量方法，并测量放大电路的输入电阻、输出电阻、放大倍数、最大不失真输出电压和频带宽度；（5）能够对基本放大电路的常见故障进行分析，并能够排除一些基本的故障。四、设计思路（一）总体设计（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1-9所示。图1-9晶体管电压放大器方框图（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。（二）主放大级电路设计（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1-10所示。（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。②)确定电源电压VCC为保证放大输出信号幅度的动态范围omu内不会产生非线性失真，一般取VCC≥2omu+UE+2UCES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若取三极管馆和压降的临界值UCES≈1V，则静态集一射压降设置在UCEQ≥omu+UCES=3.82V又由于这种典型放大单元静点的工程(估算)条件是：I1≈I2IB和UBUBE一般取I1=I2=(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≥2omu+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uA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，取若ber=1KΩ，则AmVIbm2.281012.283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10min。图1-10固定分压偏置式放大电路则静态基流AIIIbbmB2.38102.28min取IB=40μA再在输出回路进行静态计算：管子的电流放大作用有mAIIBC4.24060又由于ECEQCCCCUURIV，若取VUCEQ4，VUE3.3则KIUUVRCECEQCCC24.23.3412取标称值2.2KΩ④计算确定射极电阻ReKIUUREEBEBe4.14.27.04取标称值1.5KΩ⑤计算确定21bb、RR由I1≈I2=(5-10)IB，取I1=I2=5IB=5×40=0.2mA再按KIURBb202.0422即为标称值KIUVRBCCb402.041211取标称值39KΩ或43KΩ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。以上所确定的各电阻元件的阻值后，还要检验它们的额定功率，即WRIPCCRC01.0108.1)104.2(3232取1/8WRJ1.8KΩ电阻WRIPeCRe008.0105.1)104.2(3232取1/8WRJ1.5KΩ电阻WRIPbRb0016.01040)102.0(3231211取1/16WRJ43KΩ电阻WRIPbRb0008.01020)102.0(3232222取1/16WRJ20KΩ电阻⑥确定耦合电容和射极旁路电容C1、C2和Ce工程计算式分别为：)(2/)103(1iSLRRfC，)(2/)103(2LOLRRfC，eLeRfC2/)31(式中下限频率fL≥20HZ，信号源内阻RS=几欧～几十欧，输入电阻Ri≈rbe，输出电阻RO≈RC，eR为与CE构成回路的等效电阻，且1//beSeerRRR，21////bbssRRRR。如放大电路是用于放大低频信号(f=20HZ～200KHZ)，则耦合电容和射极旁路电容的容量可不必按上式计算，可直接取经验标称值：VFCC16/20~1021，VFCe16/100~50⑦校验uA由于KmAImVrEbe86.08604.2266120026)1(200KRRRLCL54.11,5//2.2//∴1004.10786.054.160beLurRA符合指标要求。（三）输入级电路设计（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。（2）电路结构：射极跟随器的原理图如图1-11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。（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任务二，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。②)确定Rb一般ibRR，取KKRRib470471010，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≈(1＋β)(RE∥RL)≥47K，即：(RE∥RL)≥0.77K其中RL是主放大电路的输入电阻Ri，见任务二，Ri≈0.86K，求得Re≥7.36，取标称值Re=7.5K④C1、C2的选取同任务二。⑤验算输入电阻RiRi≈(1＋β)(RE∥RL)=61×7.5K//0.86K=47.1K＞47K，满足设计要求。（四）晶体管放大器的组装（1）元件测试：参看电子工艺实训教程/殷志坚。（2）根据你所设计的晶体管放大器电路在多功能面包板和相关的实验箱上搭接元器件。（五）晶体管放大器的调试（1）测试仪器的准备、检查与调试方案：①准备以下仪器：12V直流电源、函数信号发生器、双踪示波器、交流毫伏表、直流电压表、直流毫安表、频率计和万用电表等。图1-11共集电极电路②仪器检查：检查和校正交注毫伏表、频率计、示波器、万用表、直流电压表的直流电流表；用万表或电压表将稳压电源调至+12V；用交流毫伏表、频率计将函数信号发生器调至正弦波20mV/1KHz输出。③调试方案：在多级放大电路中，前后级电路相互影响，因此调试方法采用从后往前调。即先调主放大电路、再调输入级电路。（2）主放大电路的调试1）静态工作点的测量与调试：①测量放大器的静态工作点，应在输入信号ui＝0的情况下进行，即将放大器输入端与地端短接，然后选用量程合适的直流毫安表和直流电压表，分别测量晶体管的集电极电流IC以及各电极对地的电位UB、UC和UE。一般实训中，为了避免断开集电极，所以采用测量电压UE或UC，然后算出IC的方法，例如，只要测出UE，即可用IE=UE/Re，IB=IE/（1+β），IC=βIB。同时也能算出UBE＝UB－UE，UCE＝UC－UE。为了减小误差，提高测量精度，应选用内阻较高的直流电压表。②静态工作点的调试：放大器静态工作点的调试是指对管子集电极电流IC（或UCE）的调整与测试。静态工作点是否合适，对放大器的性能和输出波形都有很大影响。如工作点偏高，放大器在加入交流信号以后易产生饱和失真，此时uO的负半周将被削底，如下图6-1(a)所示；如工作点偏低则易产生截止失真，即uO的正半周被缩顶，如图1-12(b)所示。这些情况都不符合不失真放大的要求。所以在选定工作点以后还必须进行动态调试，即在放大器的输入端加入一定的输入电压ui，检查输出电压uO的大小和波形是否满足要求。如不满足，则应调节静态工作点的位置。改变电路参数UCC、RC、RB（RB1、RB2）都会引起静态工作点的变化。但通常多采用调节偏置电阻RB2的方法来改变静态工作点，如减小RB2，则可使静态工作点提高等。为了满足较大信号幅度的要求，静态工作点最好尽量靠近交流负载线的中点。2）放大器动态指标测试放大器动态指标包括电压放大倍数、输入电阻、输出电阻、最大不失真输出电压（动态范围）等。①电压放大倍数Au的测量调整放大器到合适的静态工作点，然后加入输入电压ui，在输出电压uO不失真的情况下，用交流毫伏表测出ui和uo的有效值Ui和UO，则Au=Uo/Ui。②输入电阻Ri的测量为了测量放大器的输入电阻，按图6-2电路在被测放大器的输入端与信号源之间串入一已知电阻R，在放大器正常工作的情况下，用交流毫伏表测出US和Ui，则根据输入电阻的定义可得RUUURUUIURiSiRiiii/，通常取R与Ri为同一数量级为好，本实训可取R＝1～2KΩ。③输出电阻R0的测量按图1-13电路，在放大器正常工作条件下，测出输出端不接负载RL的输出电压UO和接入负载后的输出电压UL，(a)(b)图1-12