晶體管單級(jí)放大器設(shè)計(jì)

晶體管單級(jí)放大器設(shè)計(jì)第1頁(yè)，課件共66頁(yè)，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(yè)，課件共66頁(yè)，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(fù)反饋偏置電路。放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)Q主要由RB1、RB2、RE、RC及電源電壓+VCC所決定。

第3頁(yè)，課件共66頁(yè)，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(shí)，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(diǎn)。

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

，一般取

直流負(fù)反饋愈強(qiáng)，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(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.基本關(guān)系式

電路的靜態(tài)工作點(diǎn)由下列關(guān)系式確定：

對(duì)于小信號(hào)放大器，一般取ICQ=0.5mA~2mA，VEQ=(0.2~0.5)VCC

第6頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.基本關(guān)系式第7頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、性能指標(biāo)與測(cè)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(yè)，課件共66頁(yè)，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(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月測(cè)量電壓放大倍數(shù)，實(shí)際上是測(cè)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(cè)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(cè)試方法＝Vip-pVop-p第10頁(yè)，課件共66頁(yè)，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(hào)源功率的大小。若Ri>>Rs(信號(hào)源內(nèi)阻)，則放大器從信號(hào)源獲取較大電壓；若Ri<<Rs，則放大器從信號(hào)源吸取較大電流；若Ri=Rs，則放大器從信號(hào)源獲取最大功率。

第11頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月即在信號(hào)源輸出與放大器輸入端之間，串聯(lián)一個(gè)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(cè)試方法：“串聯(lián)電阻法”第12頁(yè)，課件共66頁(yè)，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(cè)量出Vi與Vs的值，則

式中，Vs為信號(hào)源的輸出電壓值。第13頁(yè)，課件共66頁(yè)，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(fù)載的能力，Ro愈小，帶負(fù)載的能力愈強(qiáng)。當(dāng)Ro<<RL時(shí)，放大器可等效成一個(gè)恒壓源。

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

在輸出波形不失真的情況下進(jìn)行測(cè)量：Ro的測(cè)試方法第15頁(yè)，課件共66頁(yè)，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(hào)與輸入信號(hào)間的相位差。

第16頁(yè)，課件共66頁(yè)，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(yè)，課件共66頁(yè)，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(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

頻率特性和通頻帶

電容CB、CC及CE單獨(dú)存在時(shí)所對(duì)應(yīng)的等效回路如圖

(a)、(b)、(c)所示。

第19頁(yè)，課件共66頁(yè)，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(dá)式估算：

第20頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月BW的測(cè)試方法:采用“逐點(diǎn)法”測(cè)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(hào)的幅值不變且輸出波形不失真BW=fH–fL。Vi=10mV(Vip-p=28mV)第21頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、設(shè)計(jì)舉例例設(shè)計(jì)一阻容耦合單級(jí)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(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月提出設(shè)計(jì)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(cè)量指標(biāo)滿足要求電路設(shè)計(jì)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(jì)流程第23頁(yè)，課件共66頁(yè)，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(fù)反饋偏置電路，可以獲得穩(wěn)定的靜態(tài)工作點(diǎn)。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(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月解(2)設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)并計(jì)算元件參數(shù)

靜態(tài)工作點(diǎn)Q，計(jì)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(diǎn)范圍、經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行計(jì)算第25頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月解(2)設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)并計(jì)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(diǎn)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(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月因

ICQ已知根據(jù)Av的理論計(jì)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(diǎn)并計(jì)算元件參數(shù)第27頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月解(2)設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)并計(jì)算元件參數(shù)

計(jì)算電容為：

取標(biāo)稱值10mF

取CC=CB=10mF。得

取標(biāo)稱值100mF

第28頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、電路安裝與調(diào)試靜態(tài)調(diào)試動(dòng)態(tài)調(diào)試第29頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)量與調(diào)整測(cè)量方法是不加輸入信號(hào)，將放大器輸入端（耦合電容CB負(fù)端）接地。用萬用表分別測(cè)量晶體管的B、E、C極對(duì)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(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)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(shí)用萬用表分別測(cè)量晶體管的各極的電位VBQ、VCQ、VEQ，并計(jì)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(diǎn)設(shè)置在合適的位置，所以還要進(jìn)行動(dòng)態(tài)波形觀測(cè)。

第31頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)量與調(diào)整給放大器送入規(guī)定的輸入信號(hào)，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(diǎn)Q偏低，應(yīng)增大基極偏流IBQ，即增大ICQ。

第32頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)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(diǎn)Q偏高，應(yīng)減小IBQ，即減小ICQ。

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

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

Vi=10mV始終不變。

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

有Ri第37頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.性能指標(biāo)測(cè)試與電路參數(shù)修改增大Rc（即RL’）會(huì)使輸出電阻Ro增加，減小rbe會(huì)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(shí)驗(yàn)調(diào)整RC或ICQ來提高電壓放大倍數(shù)，但改變RC及ICQ又會(huì)影響電路的靜態(tài)工作點(diǎn)?？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(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.性能指標(biāo)測(cè)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(huì)影響放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。

第39頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.性能指標(biāo)測(cè)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(jì)算式，也可以有三種途徑，即

不論何種途徑，都會(huì)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(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.性能指標(biāo)測(cè)試與電路參數(shù)修改下圖為滿足設(shè)計(jì)舉例題性能指標(biāo)要求的放大器的電路。由圖可見，實(shí)驗(yàn)調(diào)整后的元件參數(shù)值與設(shè)計(jì)計(jì)算值有一定差別。

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

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

性能指標(biāo)的測(cè)量值為

AV=47Ri=1.1k

Ro=1.5k

fL=100HzfH＞999kHz

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

VEQ=VBQ–0.7V=2.7V

Ri

rbe=300

+

1.2k

Ro

RC=1.5k

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

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

①測(cè)量?jī)x器不準(zhǔn)確及測(cè)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(jì)算式引入的理論計(jì)算誤差。

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

式中，F(xiàn)為反饋網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù)；AV為無負(fù)反饋時(shí)的電壓放大倍數(shù)。在引入負(fù)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(yè)，課件共66頁(yè)，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(fù)反饋愈強(qiáng)，若

>>1，則深度負(fù)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(fù)反饋，增強(qiáng)電路穩(wěn)定性。

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

可見，引入負(fù)反饋后通頻帶加寬。第48頁(yè)，課件共66頁(yè)，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(fù)反饋能降低輸入阻抗，串聯(lián)負(fù)反饋能提高輸入阻抗。電壓負(fù)反饋使輸出阻抗降低，電流負(fù)反饋使輸出阻抗升高。

圖3.1.9

電流串聯(lián)負(fù)反饋放大器第49頁(yè)，課件共66頁(yè)，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(fù)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(yè)，課件共66頁(yè)，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(shí)驗(yàn)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(duì)于單級(jí)放大器，在要求下限頻率fL很低，而放大倍數(shù)要求不高時(shí)，采用負(fù)反饋電路較好。若采用無負(fù)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(duì)于如圖所示的參數(shù)，fL可低到20Hz。

第51頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月六、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)課題：?jiǎn)渭?jí)阻容耦合晶體管放大器設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備(略)第52頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月六、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)步驟與要求

①認(rèn)真閱讀本課題介紹的設(shè)計(jì)方法與測(cè)試技術(shù)，寫出設(shè)計(jì)預(yù)習(xí)報(bào)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(fù)反饋與有負(fù)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(diǎn)，計(jì)算電路元件參數(shù)。

(以上兩步要求在實(shí)驗(yàn)前完成)③在實(shí)驗(yàn)面包板上安裝電路，其布線方法參閱附錄一。測(cè)量與調(diào)整靜態(tài)工作點(diǎn)，使其滿足設(shè)計(jì)計(jì)算值要求。④測(cè)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(jì)的電路圖上(先安裝測(cè)試無負(fù)反饋的放大器，后安裝測(cè)試有負(fù)反饋的放大器)。⑤上述各項(xiàng)完成后，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，研究?jī)?nèi)容見后面的“實(shí)驗(yàn)與思考題”部分。⑥所有實(shí)驗(yàn)完成后，寫出設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)報(bào)告，其要求詳見附錄二。第53頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電阻和電容的參數(shù)：第54頁(yè)，課件共66頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)與思考題3.1.1

分別增大或減小電阻RB1、RC、RL