晶體管單級放大器設(shè)計

晶體管單級放大器設(shè)計第1頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月一、電路工作原理及基本關(guān)系式圖3.1.1

阻容耦合共射極放大器

第2頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月1.工作原理

晶體管放大器中廣泛應(yīng)用如右圖所示的電路，稱之為阻容耦合共射極放大器。它采用的是分壓式電流負反饋偏置電路。放大器的靜態(tài)工作點Q主要由RB1、RB2、RE、RC及電源電壓+VCC所決定。

第3頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月

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，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。

第4頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2.基本關(guān)系式工作點穩(wěn)定的必要條件：I1>>IBQ

，一般取

直流負反饋愈強，電路的穩(wěn)定性愈好。所以要求VBQ>>VBE，即VBQ=(5~10)VBE，一般取

第5頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2.基本關(guān)系式

電路的靜態(tài)工作點由下列關(guān)系式確定：

對于小信號放大器，一般取ICQ=0.5mA~2mA，VEQ=(0.2~0.5)VCC

第6頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2.基本關(guān)系式第7頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月二、性能指標(biāo)與測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第8頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月

電壓放大倍數(shù)

式中，RL’=RC//RL

；rbe為晶體管輸入電阻，即第9頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月測量電壓放大倍數(shù)，實際上是測量放大器的輸入電壓與輸出電壓的值。在波形不失真的條件下，如果測出Vi(有效值)或Vim(峰值)及Vip-p（峰-峰）與Vo(有效值)或Vom(峰值)Vop-p（峰-峰），則

Av的測試方法＝Vip-pVop-p第10頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月1、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源功率的大小。若Ri>>Rs(信號源內(nèi)阻)，則放大器從信號源獲取較大電壓；若Ri<<Rs，則放大器從信號源吸取較大電流；若Ri=Rs，則放大器從信號源獲取最大功率。

第11頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月即在信號源輸出與放大器輸入端之間，串聯(lián)一個已知電阻R(一般以選擇R的值接近Ri的值為宜)，如上圖所示。

Ri的測試方法：“串聯(lián)電阻法”第12頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月在輸出波形不失真情況下，用晶體管毫伏表或示波器，分別測量出Vi與Vs的值，則

式中，Vs為信號源的輸出電壓值。第13頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2、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載的能力，Ro愈小，帶負載的能力愈強。當(dāng)Ro<<RL時，放大器可等效成一個恒壓源。

第14頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月Vo為放大器負載開路時的輸出電壓的值；VoL為接入RL后放大器負載上的電壓的值則

在輸出波形不失真的情況下進行測量：Ro的測試方法第15頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月3、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；

是放大器輸出信號與輸入信號間的相位差。

第16頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月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。

第17頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月通頻帶

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。

第18頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月

頻率特性和通頻帶

電容CB、CC及CE單獨存在時所對應(yīng)的等效回路如圖

(a)、(b)、(c)所示。

第19頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月

頻率特性和通頻帶

如果放大器的下限頻率fL已知，則可按下列表達式估算：

第20頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月BW的測試方法:采用“逐點法”測量放大器的幅頻特性曲線。

f(Hz)401005001K10K100K300K500KVop-p(mV)8009001000113111311131100080020lg|Av|/dB2930313232323129注意：維持輸入信號的幅值不變且輸出波形不失真BW=fH–fL。Vi=10mV(Vip-p=28mV)第21頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月三、設(shè)計舉例例設(shè)計一阻容耦合單級晶體管放大器。已知條件VCC=+12V，RL=3k

，

Vi=10mV，Rs=600

。性能指標(biāo)要求AV

40，Ri

1k

，Ro

3k

，fL

100Hz，fH

100kHz。第22頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月提出設(shè)計指標(biāo)擬定電路方案設(shè)定器件參數(shù)電路安裝和調(diào)試結(jié)果測量指標(biāo)滿足要求電路設(shè)計結(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)計流程第23頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月解

(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反饋偏置電路，可以獲得穩(wěn)定的靜態(tài)工作點。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。

第24頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月解(2)設(shè)置靜態(tài)工作點并計算元件參數(shù)

靜態(tài)工作點Q，計算如下：要求Ri(Ri≈rbe≈300＋?)

1kΩ，有

取ICQ=1.5mA

26mV｛ICQ｝mA×mA依據(jù)指標(biāo)要求、靜態(tài)工作點范圍、經(jīng)驗值進行計算第25頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月解(2)設(shè)置靜態(tài)工作點并計算元件參數(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)工作點調(diào)整方便，RB1由30kW固定電阻與100kW電位器相串聯(lián)而成。

第26頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月因

ICQ已知根據(jù)Av的理論計算式及設(shè)Av＝40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)工作點并計算元件參數(shù)第27頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月解(2)設(shè)置靜態(tài)工作點并計算元件參數(shù)

計算電容為：

取標(biāo)稱值10mF

取CC=CB=10mF。得

取標(biāo)稱值100mF

第28頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月四、電路安裝與調(diào)試靜態(tài)調(diào)試動態(tài)調(diào)試第29頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月1.靜態(tài)工作點測量與調(diào)整測量方法是不加輸入信號，將放大器輸入端（耦合電容CB負端）接地。用萬用表分別測量晶體管的B、E、C極對地的電壓VBQ、VEQ及VCQ。一般VBQ＝（3～7）V，VCEQ＝正幾伏。如果出現(xiàn)VCQ

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

0.5V，說明晶體管已經(jīng)飽和。

第30頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月1.靜態(tài)工作點測量與調(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，同時用萬用表分別測量晶體管的各極的電位VBQ、VCQ、VEQ，并計算VCEQ及ICQ。如果VCEQ為正幾伏，說明晶體管工作在放大狀態(tài)，但并不能說明放大器的靜態(tài)工作點設(shè)置在合適的位置，所以還要進行動態(tài)波形觀測。

第31頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月1.靜態(tài)工作點測量與調(diào)整給放大器送入規(guī)定的輸入信號，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（見圖3.1.6(a)，這種現(xiàn)象稱為截止失真），說明靜態(tài)工作點Q偏低，應(yīng)增大基極偏流IBQ，即增大ICQ。

第32頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月1.靜態(tài)工作點測量與調(diào)整如果輸出波形的底部被削波（見圖3.1.6(b)，這種現(xiàn)象稱為飽和失真），說明靜態(tài)工作點Q偏高，應(yīng)減小IBQ，即減小ICQ。

第33頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月1.靜態(tài)工作點測量與調(diào)整如果增大輸入信號，如Vi=50mV，輸出波形無明顯失真，或者逐漸增大輸入信號時，輸出波形的頂部和底部差不多同時開始畸變，說明靜態(tài)工作點設(shè)置得比較合適。此時移去信號源，分別測量放大器的靜態(tài)工作點VBQ、VEQ、VCEQ及ICQ。第34頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2.性能指標(biāo)測試與電路參數(shù)修改示波器用于觀測放大器的輸入、輸出電壓波形并讀取測量值。

第35頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2.性能指標(biāo)測試與電路參數(shù)修改注意事項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，信號發(fā)生器的輸出電壓可能變化，應(yīng)及時調(diào)整，以維持

Vi=10mV始終不變。

第36頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2.性能指標(biāo)測試與電路參數(shù)修改對于一個低頻放大器，各項指標(biāo)很難同時都很理想。例如，電壓放大倍數(shù)AV，根據(jù)

有Ri第37頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2.性能指標(biāo)測試與電路參數(shù)修改增大Rc（即RL’）會使輸出電阻Ro增加，減小rbe會使輸入電阻Ri減小。如果Ro及Ri離指標(biāo)要求還有充分余地，則可以通過實驗調(diào)整RC或ICQ來提高電壓放大倍數(shù)，但改變RC及ICQ又會影響電路的靜態(tài)工作點?？梢娭挥刑岣呔w管的放大倍數(shù)

，才是提高放大器電壓放大倍數(shù)的有效措施。

第38頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2.性能指標(biāo)測試與電路參數(shù)修改由于基極電位VBQ固定，即

ICQ亦基本固定，即

所以，改變

不會影響放大器的靜態(tài)工作點。

第39頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2.性能指標(biāo)測試與電路參數(shù)修改再例如，希望降低放大器的下限頻率fL，根據(jù)電容計算式，也可以有三種途徑，即

不論何種途徑，都會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。

第40頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2.性能指標(biāo)測試與電路參數(shù)修改下圖為滿足設(shè)計舉例題性能指標(biāo)要求的放大器的電路。由圖可見，實驗調(diào)整后的元件參數(shù)值與設(shè)計計算值有一定差別。

第41頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月3.測量結(jié)果驗算與誤差分析如前圖所示的電路，其靜態(tài)工作點的測量值為

VBQ=3.4VVEQ=2.7VICQ=1.8mAVCQ=9.3V

性能指標(biāo)的測量值為

AV=47Ri=1.1k

Ro=1.5k

fL=100HzfH＞999kHz

第42頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月3.測量結(jié)果驗算與誤差分析根據(jù)前圖所示電路參數(shù)，理論計算值為

VEQ=VBQ–0.7V=2.7V

Ri

rbe=300

+

1.2k

Ro

RC=1.5k

第43頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月3.測量結(jié)果驗算與誤差分析從而得測量誤差(理論值為上述計算值)如下：

第44頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月3.測量結(jié)果驗算與誤差分析產(chǎn)生測量誤差的主要原因是：

①測量儀器不準確及測量人員的讀數(shù)誤差；

②元器件本身參數(shù)的示值誤差；

③工程近似計算式引入的理論計算誤差。

第45頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月五、負反饋對放大器性能的影響引入負反饋后，放大器的電壓放大倍數(shù)將下降，其表達式為

式中，F(xiàn)為反饋網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù)；AV為無負反饋時的電壓放大倍數(shù)。在引入負反饋后，雖然電壓放大倍數(shù)下降，但可以改善放大器的性能。第46頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月1.提高放大器增益的穩(wěn)定性

(1+)愈大負反饋愈強，若

>>1，則深度負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)無關(guān)。引入負反饋，增強電路穩(wěn)定性。

≈1/F第47頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月2.擴展放大器的通頻帶負反饋放大器的上限頻率fHF與下限頻率fLF的表達式分別為

可見，引入負反饋后通頻帶加寬。第48頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月3.改變放大器的輸入電阻與輸出電阻一般并聯(lián)負反饋能降低輸入阻抗，串聯(lián)負反饋能提高輸入阻抗。電壓負反饋使輸出阻抗降低，電流負反饋使輸出阻抗升高。

圖3.1.9

電流串聯(lián)負反饋放大器第49頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月3.改變放大器的輸入電阻與輸出電阻電流串聯(lián)負反饋放大器，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)第50頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月3.改變放大器的輸入電阻與輸出電阻實驗表明，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。對于單級放大器，在要求下限頻率fL很低，而放大倍數(shù)要求不高時，采用負反饋電路較好。若采用無負反饋電路，則電容CE的值必須增大很多，才能使fL明顯下降。對于如圖所示的參數(shù)，fL可低到20Hz。

第51頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月六、設(shè)計任務(wù)設(shè)計課題：單級阻容耦合晶體管放大器設(shè)計已知條件+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。

實驗儀器設(shè)備(略)第52頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月六、設(shè)計任務(wù)設(shè)計步驟與要求

①認真閱讀本課題介紹的設(shè)計方法與測試技術(shù)，寫出設(shè)計預(yù)習(xí)報告(其要求見附錄二)。②根據(jù)已知條件及性能指標(biāo)要求，確定電路(要求分別采用無負反饋與有負反饋兩種放大器電路)及器件(晶體管可以選硅管或鍺管)，設(shè)置靜態(tài)工作點，計算電路元件參數(shù)。

(以上兩步要求在實驗前完成)③在實驗面包板上安裝電路，其布線方法參閱附錄一。測量與調(diào)整靜態(tài)工作點，使其滿足設(shè)計計算值要求。④測試性能指標(biāo)，調(diào)整與修改元件參數(shù)值，使其滿足放大器性能指標(biāo)要求，將修改后的元件參數(shù)值標(biāo)在設(shè)計的電路圖上(先安裝測試無負反饋的放大器，后安裝測試有負反饋的放大器)。⑤上述各項完成后，再進行實驗研究，研究內(nèi)容見后面的“實驗與思考題”部分。⑥所有實驗完成后，寫出設(shè)計性實驗報告，其要求詳見附錄二。第53頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻和電容的參數(shù)：第54頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗與思考題3.1.1

分別增大或減小電阻RB1、RC、RL