晶体管放大设计

1、晶体管放大设计一、学习要求一、学习要求学习晶体管放大电路的设计方法；掌握晶体管放大电路静态工作点设置与调整方法；掌握晶体管放大电路性能指标的测试方法及安装与调试技术。 了解负反馈对放大电路性能的影响。学习用pSpice软件对电路进行模拟仿真。 第1页/共41页二、设计课题单级阻容耦合晶体管放大器设计n已知条件已知条件l+VCC=+12VlRL=2k lVi=10mV(有效值有效值)lRs=50 n技术指标要求技术指标要求lAV30lRi2k lRo3k lfL20HzlfH500kHzl电路稳定性好。电路稳定性好。第2页/共41页三、电路设计流程提出设计指标拟定电路方案设定器件参数电路安装和调

2、试结果测量指标满足要求电路设计结束Y修改电路方案修改电路参数是否要修改电路方案YNN第3页/共41页四、共射放大器原理与设计举例 三极管放大器中广三极管放大器中广泛应用的是分压式射泛应用的是分压式射极偏置电路。电路的极偏置电路。电路的Q点稳定，点稳定， Q点主要主要由由RB1、RB2、RE、RC及及+VCC所决定。所决定。温度温度T IC IE IC VE 、VBQ不变不变 VBE IB （反馈控制）若若I1 IBQ ，VBQ VBE1、工作原理、工作原理 第4页/共41页2、电路参数的确定：、电路参数的确定：n工作点稳定的必要条件：工作点稳定的必要条件： I1IBQ ，VBQVBE 一般取一

3、般取 nRE愈大，直流负反馈愈强，电路的稳定性愈愈大，直流负反馈愈强，电路的稳定性愈好。一般取好。一般取第5页/共41页2、电路参数的确定：、电路参数的确定：n 设计小信号放大器时，一般取设计小信号放大器时，一般取 ICQ = (0.52)mA，VEQ = (0.20.5)VCC RC由由RO或或AV确定：确定： RC RO或或RC第6页/共41页2、电路参数的确定：、电路参数的确定：n 如果放大器下限频率如果放大器下限频率fL已知，可按下列表达式估算已知，可按下列表达式估算电容电容CB、CC和和CE：)(21)103(CbesLBrRf )(21)103(CLCLCRRf )1/(21)31

4、(besEL rRRfCEn 通常取通常取CB = CC，用上面两式算出电容值，取较大的，用上面两式算出电容值，取较大的作为作为CB（或（或CC）。）。 第7页/共41页3、设计举例、设计举例 例 设计一阻容耦合单级晶体管放大器。n已知条件已知条件l+VCC=+12 VlRL=3 k lVi=10 mV(有效值有效值)lRs=600 n技术指标要求技术指标要求lAV40lRi1 k lRo3 k lfL100 HzlfH100 kHz。第8页/共41页解：解：(1) 拟定电路方案选择电路形式及晶体管采用分压式射极偏置电路，可以获得稳定的静态工作点。 因放大器上限频率fH100 kHz，要求较高

5、，故选用高频小功率管3DG100，其特性参数 ICM=20mA，V(BR)CEO20V，fT 150MHz 通常要求 的值大于AV的值，故选 60 第9页/共41页(2) 设置Q点并计算元件参数 要求Ri1k，而mA2 . 2mA300100026CQ I取取ICQ = 1.5 mA 依据、进行计算mAmV26300mACQbe IrRi n 若取若取VBQ = 3V，得，得 k53. 1CQBEBQEIVVR取标称值，取标称值，RE=1.5 k 第10页/共41页(2) 设置Q点并计算元件参数 因 ,依据、进行计算 CQIIBQ BQ1)105(II k2410)(5CQBQ1BQB2 IV

6、IVR k72B2BQBQCCB1RVVVR 为使静态工作点调整方便，为使静态工作点调整方便，RB1由由30k 固定电阻与固定电阻与100k 电位器相串联而成电位器相串联而成。 第11页/共41页(2) 设置Q点并计算元件参数 依据、进行计算综合考虑，取标称值，综合考虑，取标称值，RB1.5 k 。 n 因因 ICQ1.5mA， 1340mAmV26300mACQbeIr k89.0beVL rARn 要求要求AV40, 由由 得得beLVrRA k27. 1LLLLCRRRRR第12页/共41页(2) 设置Q点并计算元件参数 计算计算电容电容为：为： F2 . 8)(21)103(CbesL

7、B rRf取标称值，取标称值，CC = CB = 10m mFF5 .98)1/(21)31(CbesELE rRRf取标称值，取标称值，CE = 100m mF 第13页/共41页(3) 画出电路带参数的电路图 根据上述设计，得到放大器的电路图如下： R s 600 10mV RB2 24k CB 30k RC 1.5k RE 1.5k CE 10mF 100mF RL 3k 10mF CC 12V VCC T1 3DG100 RB1 * Vo Vs RP 100k 第14页/共41页五、电路安装与调试晶体管晶体管毫伏表毫伏表 低频信号低频信号发生器发生器 直流稳压电源直流稳压电源 CH2

8、VCC 被测放大器被测放大器 CH1 双踪双踪 示波器示波器 vi vo n首先在面包板上组装好电路，参考上图搭接好实验首先在面包板上组装好电路，参考上图搭接好实验测试平台。测试平台。n然后进行电路调试：然后进行电路调试：静态调试静态调试动态调试动态调试第15页/共41页1. 静态调试：静态调试：Q点测量与调整点测量与调整 （1）接通电源，将电路输入端接地，测量电路的静态工作点。 （2）用万用表直流电压档，分别测量晶体管的B、E、C极对地电压VBQ、VEQ及VCQ。 （3）一般VBQ（35）V，VCEQ正几伏。如果出现如果出现VCQ VCC，说明晶体管工作在，说明晶体管工作在截止截止状态；状态

9、；如果出现如果出现VCEQ 0.5V，说明晶体管已经，说明晶体管已经饱和饱和。（4）调节电位器）调节电位器RP1，使，使VCEQ正几伏，此时说明晶正几伏，此时说明晶体管基本工作在线性放大状态。但体管基本工作在线性放大状态。但Q点不一定是最佳点不一定是最佳的，还要进行动态波形观测。的，还要进行动态波形观测。第16页/共41页1. 动态调试：动态调试：Q点测量与调整点测量与调整vi (t) vo (t) o o t t 截止失真截止失真 （5）给放大器送入规定的输入信号，如ViPP =28mV，fi = 1kHz的正弦波。 （6）用示波器观察放大器的输出）用示波器观察放大器的输出vo。n 若若vo

10、波形的顶部被压缩，这种现象称为波形的顶部被压缩，这种现象称为截止失真截止失真，说明，说明Q点偏低，应增大基极偏流点偏低，应增大基极偏流IBQ，即增大，即增大ICQ。n 若若vO波形的底部被削波，这种现象称为波形的底部被削波，这种现象称为饱和失真饱和失真，说明，说明Q点偏高，应减小点偏高，应减小IBQ ，即减小，即减小ICQ 。 vi (t) vo (t) o o t t 饱和失真饱和失真 第17页/共41页2. 动态调试：动态调试：Q点测量与调整点测量与调整 （5）给放大器送入规定的输入信号，如ViPP =30mV，fi = 1kHz的正弦波。 （6）用示波器观察放大器的输出）用示波器观察放大

11、器的输出vo。 （8）增大输入信号（如）增大输入信号（如ViPP =120mV），）， vo无明显失无明显失真，或者真，或者逐渐增大输入信号逐渐增大输入信号时，时， vo顶部和底部差不多顶部和底部差不多同时开始畸变同时开始畸变，说明，说明Q点设置得比较合适。点设置得比较合适。 （7）调节）调节RB1，使放大器的输出，使放大器的输出vo不失真。不失真。 （9）此时）此时移去移去信号源，分别测量放大器的静态工作信号源，分别测量放大器的静态工作点点VBQ、VEQ、VCQ，并计算，并计算VCEQ 、ICQ。第18页/共41页六、主要性能指标及其测试方法晶体管放大器的主要性能指标有1. 电压放大倍数AV

12、2. 输入电阻Ri3. 输出电阻Ro4. 通频带BWfHfL第19页/共41页六、主要性能指标及其测试方法1、电压放大倍数AVbeLrR mAmV26300mACQbe Ir 理论计算理论计算ioVVVA n在波形不失真的条件下，在波形不失真的条件下，用示波器测量放大器输入电用示波器测量放大器输入电压与输出电压的值。压与输出电压的值。ippoppimomioVVVVVVVA 实验测试实验测试n测出测出Vi (有效值有效值)或或Vim(峰值峰值)及及Vip-p（峰峰-峰值）与峰值）与Vo(有有效值效值)或或Vom(峰值峰值) Vop-p（峰（峰-峰值），则峰值），则 第20页/共41页六、主要性

13、能指标及其测试方法B2B1bei/RRrR 放放 大大 器器 信信 号号 源源 R Ri Vs Vi 2、输入电阻Ri理论计算理论计算实验测试实验测试ber RVVVRisii 串联一个已知电阻R 在输出波形不失真情况下在输出波形不失真情况下，用晶体，用晶体管毫伏表或示波器，分别测量出管毫伏表或示波器，分别测量出Vi与与Vs的值，则的值，则 第21页/共41页六、主要性能指标及其测试方法CCoo/RRrR 3、输出电阻RO理论计算理论计算实验测试实验测试开关S(1)在输出波形不失真情况下在输出波形不失真情况下，用晶体，用晶体管毫伏表或示波器，管毫伏表或示波器， 测量负载开路时测量负载开路时的输

14、出电压的值的输出电压的值Vo ；(2)接入接入RL后，测量负载上的电压的值后，测量负载上的电压的值VoL ro为晶体管输出电阻。为晶体管输出电阻。 信 号 源 放 大 器 Ro S RL Vo VoL LoLoo)1(RVVR 第22页/共41页六、主要性能指标及其测试方法4、频率特性和通频带放大器的频率特性包括放大器的频率特性包括表示增益的幅度与频表示增益的幅度与频率的关系；率的关系；表示输出信号与输入信表示输出信号与输入信号之间的相位差与频率号之间的相位差与频率的关系；的关系； 0 3 中中频频区区 低低频频区区 高高频频区区 BW fL fH f /Hz f /Hz 90 180 270

15、 /度度 20lg AV /dB 0 (a) (b) fH fL 135 235 n 相频特性相频特性 ( ):n 幅频特性幅频特性A( ):第23页/共41页六、主要性能指标及其测试方法4、频率特性和通频带放大器的通频带放大器的通频带BW:n fH为上限频率，主要为上限频率，主要受晶体管结电容及电路受晶体管结电容及电路分布电容的限制；分布电容的限制； 0 3 中中频频区区 低低频频区区 高高频频区区 BW fL fH f /Hz f /Hz 90 180 270 /度度 20lg AV /dB 0 (a) (b) fH fL 135 235 BW = fH fLn fL为下限频率，主要为下限

16、频率，主要受耦合电容受耦合电容CB、CC及射及射极旁路电容极旁路电容CE的影响。的影响。 第24页/共41页BW 的测试方法:采用“逐点法”测量放大器的幅频特性曲线。 f (Hz)401005001k10k100k 300k 500kVop-p (mV)8009001000113111311131100080020lg|AV|(dB)2930313232323129注意：维持输入信号的幅值不变且输出波形不失真注意：维持输入信号的幅值不变且输出波形不失真BW = fH fL500 k40 500 k测试条件：测试条件：Vi=10 mV (Vip-p= 28 mV)n画出放大器的幅频特性曲线，计算

17、通频带。画出放大器的幅频特性曲线，计算通频带。第25页/共41页七. 电路参数修改 对于一个新设计的放大器，可能有些指标达不到要求，这时需要调整电路参数。 beibeoLV_rRrRRA beLioVrRVVA Ri1、如何调整电压放大倍数、如何调整电压放大倍数AV ？第26页/共41页七. 电路参数修改 对于一个新设计的放大器，可能有些指标达不到要求，这时需要调整电路参数。2、如何调整放大器的下限频率、如何调整放大器的下限频率fL ？ 希望降低放大器下限频率希望降低放大器下限频率fL，根据电容计算式，也，根据电容计算式，也有三种途径，即有三种途径，即 fL CE 、CB 、CC 电电路路的的

18、性性能能价价格格比比 rbe AV RC Ro 不论何种途径，都会影响放大器的性能指标，只能不论何种途径，都会影响放大器的性能指标，只能根据具体指标要求，综合考虑。根据具体指标要求，综合考虑。 第27页/共41页七. 电路参数修改 3、负反馈对放大器性能有何影响？、负反馈对放大器性能有何影响？ 引入交流负反馈后，放大器的电压放大倍数将引入交流负反馈后，放大器的电压放大倍数将下降，其表达式为下降，其表达式为 FAAAVVVF1 式中，式中，F为反馈网络的传输系数；为反馈网络的传输系数；AV为无负反馈为无负反馈时的电压放大倍数。时的电压放大倍数。 引入负反馈后，虽然电压放大倍数下降，但可以引入负反

19、馈后，虽然电压放大倍数下降，但可以改善放大器的其它性能改善放大器的其它性能 。第28页/共41页七. 电路参数修改 3、负反馈对放大器性能有何影响？、负反馈对放大器性能有何影响？ 负反馈放大器的上限频率负反馈放大器的上限频率fHF与下限频率与下限频率fLF的表的表达式分别为达式分别为 LVLFHVHF111fFAffFAf可见，引入负反馈后通频带加宽。可见，引入负反馈后通频带加宽。 第29页/共41页七. 电路参数修改 3、负反馈对放大器性能有何影响？、负反馈对放大器性能有何影响？ 引入负反馈会改变放大器的输入电阻与输出电阻：引入负反馈会改变放大器的输入电阻与输出电阻：n 并联负反馈能降低输入

20、阻抗；并联负反馈能降低输入阻抗；n 串联负反馈能提高输入阻抗；串联负反馈能提高输入阻抗；n 电压负反馈使输出阻抗降低；电压负反馈使输出阻抗降低；n 电流负反馈使输出阻抗升高。电流负反馈使输出阻抗升高。第30页/共41页七. 电路参数修改 3、负反馈对放大器性能有何影响？、负反馈对放大器性能有何影响？电流串联负反馈放大器电流串联负反馈放大器 R s 600 10mV RB2 24k CB 30k RC 1.5k RE 1.5k CE 10mF 100mF RL 3k 10mF CC 12V VCC T1 3DG100 RB1 * Vo Vs RP 100k RF 10 FbeLVFRrRA 实验

21、表明，实验表明，RF取几十欧姆，可取几十欧姆，可以明显地提高放以明显地提高放大器的输入阻抗，大器的输入阻抗，降低放大器的下降低放大器的下限频率，改善非限频率，改善非线性失真。线性失真。第31页/共41页八、实验步骤与要求 1.设计课题：单级阻容耦合晶体管放大器设计设计课题：单级阻容耦合晶体管放大器设计n已知条件已知条件l+VCC=+12VlRL=2k lVi=10mV(有效值有效值)lRs=50 n技术指标要求技术指标要求lAV30lRi2k lRo3k lfL20HzlfH500kHzl电路稳定性好。电路稳定性好。第32页/共41页八、实验步骤与要求 2.实验步骤与要求：实验步骤与要求： 认

22、真阅读本课题介绍的设计方法与测试技术，写认真阅读本课题介绍的设计方法与测试技术，写出设计预习报告出设计预习报告( (其要求见书其要求见书) )。 根据已知条件及性能指标要求，确定电路根据已知条件及性能指标要求，确定电路( (要求分要求分别采用无负反馈与有负反馈两种放大器电路别采用无负反馈与有负反馈两种放大器电路) )及器件及器件( (晶体管可以选硅管或锗管晶体管可以选硅管或锗管) )，设置静态工作点，计算，设置静态工作点，计算电路元件参数。电路元件参数。 ( (以上两步要求在实验前完成以上两步要求在实验前完成) ) 用用pSpice软件软件对所设计的电路进行对所设计的电路进行仿真分析仿真分析，

23、根据，根据分析情况进行参数调整。（仿真项目有：静态工作点分析情况进行参数调整。（仿真项目有：静态工作点、输入、输入/输出瞬态波形、频率响应、输出瞬态波形、频率响应、Ri、RO）。）。第33页/共41页八、实验步骤与要求 2.实验步骤与要求：实验步骤与要求： 在实验面包板上在实验面包板上安装电路安装电路，布线方法参阅附录一。，布线方法参阅附录一。测量与调整静态工作点，使其满足设计计算值要求。测量与调整静态工作点，使其满足设计计算值要求。 测试性能指标，调整与修改元件参数值，使其满足测试性能指标，调整与修改元件参数值，使其满足性能指标要求，将修改后的元件参数值标在设计的电路性能指标要求，将修改后的

24、元件参数值标在设计的电路图上图上(先安装测试有负反馈放大器，后将先安装测试有负反馈放大器，后将RF短路，测试短路，测试无负反馈放大器无负反馈放大器)。 上述各项完成后，再进行上述各项完成后，再进行实验研究实验研究，研究内容见后，研究内容见后面的面的“实验与思考题实验与思考题”部分。部分。 所有实验完成后，写出所有实验完成后，写出设计性实验报告设计性实验报告。要求见书。要求见书end第34页/共41页四、共射放大器原理与设计举例 三极管放大器中广三极管放大器中广泛应用的是分压式射泛应用的是分压式射极偏置电路。电路的极偏置电路。电路的Q点稳定，点稳定， Q点主要主要由由RB1、RB2、RE、RC及

25、及+VCC所决定。所决定。温度温度T IC IE IC VE 、VBQ不变不变 VBE IB （反馈控制）若若I1 IBQ ，VBQ VBE1、工作原理、工作原理 第35页/共41页解：解：(1) 拟定电路方案选择电路形式及晶体管采用分压式射极偏置电路，可以获得稳定的静态工作点。 因放大器上限频率fH100 kHz，要求较高，故选用高频小功率管3DG100，其特性参数 ICM=20mA，V(BR)CEO20V，fT 150MHz 通常要求 的值大于AV的值，故选 60 第36页/共41页六、主要性能指标及其测试方法4、频率特性和通频带放大器的频率特性包括放大器的频率特性包括表示增益的幅度与频表示增益的幅度与频率的关系；率的关系；表示输出信号与输入信表示输出信号与输入信号之间的相位差与频率号之间的相位差与频率的关系；的关系； 0 3 中中频频区区 低低频频区区 高高频频区区 BW fL fH f /Hz f /Hz 90 180 270 /度度 20lg AV /dB 0 (a)