晶体管放大器设计

电子线路设计与测试杨小献87543835misyangxx@——培养硬件设计与装调能力能正确使用常用仪器掌握电子电路的基本测试技术掌握电子电路的设计方法能正确处理实验数据、进行误差分析、写出实验报告能理论联系实际，分析、寻找和排除实验故障学会两种EDA工具软件。一、课程目标：二、课程特点理论与实践相结合以培养工程实践能力为主培养基本技能和综合应用能力三、实验流程课前－预习，设计实验过程，安装电路，作好实验准备工作课堂上－操作、测量、记录课后－总结与分析课前－预习实验目的与要求基本实验原理了解实验方法与步骤设计实验表格电路的可靠安装课上－操作、测量、记录搭建实验测试平台－－测试方法的设计观察实验现象与结果－－仪器使用记录实验数据与波形－－仪器使用上课时间：(45分钟4学时+30分钟休息＝3.5小时）上午8:00--11:3030分钟休息下午14:00--15:3030分钟休息晚上18:20--21:3010分钟休息课后－总结与分析处理实验数据绘制图表和波形写出个人的实验总结并完成思考题经验与体会完成实验报告四、实验报告要求实验报告用报告纸书写，格式内容符合要求（见教材附录二）实验结果需表格记录波形记录在坐标纸上，还需记录波形的特征参数：如峰峰值，频率等。波形和电路图用铅笔绘制，其它内容用同色笔书写。实验报告内容－－参考附录二实验目的实验原理与电路分析实验电路及参数设计实验内容与步骤实验数据与波形分析与结论心得体会思考题五、成绩评定1、平时成绩占总成绩的40％实验及实验报告2、考试占总成绩的60％，其中笔试20％，设计及实验技能40％

关于平时成绩的说明采取抽查指标验收方式每个同学验收哪一个指标由老师指定验收时需演示测试方法和测试结果回答老师的相关提问在每个阶段如果提前完成实验，可以提前验收，通过验收后可以提前进入下一阶段实验提前完成实验（含报告）将得到适当的奖励分，按时完成不扣分，延期完成将扣分实验室有关规定每次实验必须在记录本上签到按照学号和实验台号对应就座按照学号使用对应号码的万用表万用表用完后，将表笔线整理好，并按号码顺序放入柜中。实验完毕后，每人将自己的桌面整理干净由班长安排4人，每次实验后做值日值日内容：扫地、拖地、整理实验桌、板凳归位、按顺序放好万用表，清点工具本学期内容安排周

实验内容6单管放大器设计、PSPICE仿真(单管放大器）（8学时）

7PSPICE仿真(单管放大器）（8学时）8仪器使用、单管放大器调试（8学时）10单管放大器调试（4学时）差分放大器PSPICE设计与仿真（4学时）11差分放大器PSPICE设计与仿真（4学时）运算放大器实验（4学时）本学期内容安排12运算放大器实验（4学时）数字电路基础实验（4学时）14数字电路基础实验（8学时）15三角波－方波发生设计（8学时）16考试以班级为单位将全班姓名、学号输入*.txt文件，在上班时间联系开放实验预约申请名单输入事宜。联系人：杨健老师；联系电话申请名单输入完成后，各班即可在网络上完成开放实验预约申请。第一节晶体管放大器设计学习目的掌握晶体管放大器静态工作点的设置与调整方法放大器基本性能指标的测试方法负反馈对放大器性能的影响放大器的安装与调试技术。

Ic=Bib=Ie一、电路工作原理及基本关系式图5.1.1阻容耦合共射极放大器

1.工作原理右图所示的电路是晶体管放大器中广泛应用的阻容耦合式共射极放大器。它采用的是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RB1、RB2、RE、RC及电源电压+VCC所决定。

该电路利用电阻RB1、RB2的分压固定基极电位VBQ。如果满足条件I1>>IBQ，当温度升高时，ICQ↑–>VEQ↑(VBQ不变）–>VBE↓–>IBQ↓–>ICQ↓，结果抑制了ICQ的变化，从而获得稳定的静态工作点。

2.基本关系式工作点稳定的必要条件：I1>>IBQ，一般取

直流负反馈愈强，电路的稳定性愈好。所以要求VBQ>>VBE，即VBQ=(5~10)VBE，一般取

2.基本关系式电路的静态工作点由下列关系式确定：对于小信号放大器，一般取ICQ=0.5mA~2mA，VEQ=(0.2~0.5)VCC

2.基本关系式二、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Av

输入电阻Ri

输出电阻Ro

通频带BW

电压放大倍数

式中，RL’=RC//RL；rbe为晶体管输入电阻，即在波形不失真的条件下，测出Vi(有效值)或Vim(峰值)或Vp－p(峰-峰值)和Vo(有效值)或Vom(峰值)或Vp－p(峰-峰值)，则：

测量电压放大倍数，实际上是测量放大器的输入电压与输出电压的值。2、

输入电阻

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Ri>>Rs(信号源内阻)，则放大器从信号源获取较大电压；若Ri<<Rs，则放大器从信号源吸取较大电流；若Ri=Rs，则放大器从信号源获取最大功率。

用“串联电阻法”测量放大器的输入电阻Ri，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Ri的值为宜）。

●测量输入电阻在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Vi与Vs的值，则

式中，Vs为信号源的输出电压值。3、

输出电阻

ro为晶体管的输出电阻。放大器输出电阻的大小反映了它带负载的能力，Ro愈小，带负载的能力愈强。当Ro<<RL时，放大器可等效成一个恒压源。

在输出波形不失真的情况下进行测量。Vo为放大器负载开路时的输出电压的值；VoL为接入RL后放大器负载上的电压的值，则

●测量输出电阻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()表示增益的幅度与频率的关系；

()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之间的相位差。

放大器的频率特性如图所示，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

BW=fH–fL

式中，fH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；fL为放大器的下限频率，主要受耦合电容CB、CC及射极旁路电容CE的影响。

频率特性和通频带

电容CB、CC及CE单独存在时所对应的等效回路如图(a)、(b)、(c)所示。

频率特性和通频带

如果放大器的下限频率fL已知，则可按下列表达式估算：

通频带的测试方法:采用“逐点法”测量放大器的幅频特性曲线。

f(Hz)401005001K10K100K300K500KVop-p(mV)8009001000113111311131100080020lg|Av|/dB2930313232323129注意：保持输入信号的幅值不变，而且输出波形不失真BW=fH–fL。Vi=10mV(Vip-p=28mV)三、设计举例例设计一阻容耦合单级晶体管放大器。已知条件VCC=+12V，RL=3k，Vi=10mV，Rs=600

。性能指标要求AV40，Ri1k，Ro3k，fL100Hz，fH

100kHz。

电路安装和调试提出设计指标拟定电路方案设定器件参数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电路设计流程解(1)拟定电路方案选择电路形式及晶体管采用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ICM=20mA，V(BR)CEO≥20V，fT

≥150MHz

通常要求b的值大于AV的值，故选b

=60。

解(2)设置静态工作点并计算元件参数

静态工作点Q，计算如下：要求Ri(Ri≈rbe≈300＋ß

)1kΩ，有

取ICQ=1.5mA

26mV｛ICQ}mA×mA｝解(2)设置静态工作点并计算元件参数

若取VBQ=3V，得

取标称值1.5kW

因IBQ＝ICQ/ß

得

I1=(5～10)IBQ有

为使静态工作点调整方便，RB1由30kW固定电阻与100kW电位器相串联而成。

因ICQ已知根据Av的理论计算式得

因RL’=RC//RL

则

综合考虑，取标称值1.5kW

解(2)设置静态工作点并计算元件参数取ICQ=1.5mA解(2)设置静态工作点并计算元件参数

取标称值10mF

取CC=CB=10mF。得

取标称值100mF

计算电容为：四、电路安装与调试静态调试动态调试1.静态工作点测量与调整用万用表分别测量晶体管的B、E、C极对地的电压VBQ、VEQ及VCQ。一般VBQ＝（3～5）V，VCEQ＝正几伏。如果出现VCQ

VCC，说明晶体管工作在截止状态；如果出现VCEQ

0.5V，说明晶体管已经饱和。

测量方法是：不加输入信号，将放大器输入端（耦合电容CB负端）接地。1.静态工作点测量与调整调整方法是改变放大器上偏置电阻RB1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的各极的电位VBQ、VCQ、VEQ，并计算VCEQ及ICQ。如果VCEQ为正几伏，说明晶体管工作在放大状态，但并不能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。

1.静态工作点测量与调整给放大器送入规定的输入信号，如Vi=10mV，fi=1kHz的正弦波。若放大器的输出vo的波形的顶部被压缩（见图3.1.6(a)，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IBQ，即增大ICQ。

1.静态工作点测量与调整如果输出波形的底部被削波（见图3.1.6(b)，这种现象称为饱和失真），说明静态工作点Q偏高，应减小IBQ，即减小ICQ。

1.静态工作点测量与调整如果增大输入信号，如Vi=50mV，输出波形无明显失真，或者逐渐增大输入信号时，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合适。此时移去信号源，分别测量放大器的静态工作点VBQ、VEQ、VCEQ及ICQ。2.性能指标测试与电路参数修改示波器用于观测放大器的输入、输出电压波形并读取测量值。

2.性能指标测试与电路参数修改注意事项所有仪器的接地端都应与放大器的地线相连接。AV、Ri、Ro：

fi=1kHz，Vi=10mVBW：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，以保持

Vi=10mV始终不变。

2.性能指标测试与电路参数修改对于一个低频放大器，各项指标很难同时都很理想。例如，电压放大倍数AV，根据

有2.性能指标测试与电路参数修改增大Rc会使输出电阻Ro增加，减小rbe会使输入电阻Ri减小。如果Ro及Ri离指标要求还有充分余地，则可以通过实验调整RC或ICQ来提高电压放大倍数，但改变RC及ICQ会影响电路的静态工作点。提高晶体管的放大倍数，是提高放大器电压放大倍数的最简方法。2.性能指标测试与电路参数修改同时，由于基极电位VBQ固定，即

ICQ亦基本固定，即

所以，改变不会影响放大器的静态工作点。

2.性能指标测试与电路参数修改再例如，希望降低放大器的下限频率fL，根据电容计算式，也可以有三种途径，即

不论何种途径，都会影响放大器的性能指标，只能根据具体的指标要求，综合考虑。

2.性能指标测试与电路参数修改下图为满足设计举例题性能指标要求的放大器的电路。由图可见，实验调整后的元件参数值与设计计算值有一定差别。

3.测量结果验算与误差分析如前图所示的电路，其静态工作点的测量值为VBQ=3.4VVEQ=2.7VICQ=1.8mAVCQ=9.3V性能指标的测量值为AV=47Ri=1.1k

Ro=1.5kfL=100HzfH＞999kHz

3.测量结果验算与误差分析根据前图所示电路参数，理论计算值为

VEQ=VBQ–0.7V=2.7V

Rirbe=300+

1.2k

RoRC=1.5k

3.测量结果验算与误差分析从而得测量误差(理论值为上述计算值)如下：

3.测量结果验算与误差分析产生测量误差的主要原因是：

①测量仪器不准确及测量人员的读数误差；

②元器件本身参数的示值误差；

③工程近似计算式引入的理论计算误差。

五、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

式中，F为反馈网络的传输系数；AV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(1+)愈大负反馈愈强，若

>>1，则深度负反馈放大器的电压增益仅与反馈网络有关，而与电路的其它参数无关。

=1/F2.扩展放大器的通频带负反馈放大器的上限频率fHF与下限频率fLF的表达式分别为

可见，引入负反馈后通频带加宽。3.改变放大器的输入电阻与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3.1.9电流串联负反馈放大器3.改变放大器的输入电阻与输出电阻电流串联负反馈放大器，仅增加了一只射极电阻RF。分析表明，电路的反馈系数

电压放大倍数3.改变放大器的输入电阻与输出电阻实验表明，RF取几十欧姆，可以明显地提高放大器的输入阻抗，降低放大器的下限频率。对于单级放大器，在要求下限频率fL很低，而放大倍数要求不高时，采用负反馈电路较好。若采用无负反馈电路，则电容CE的值必须增大很多，才能使fL明显下降。对于图3.1.9所示的参数，fL可低到20Hz。

六、设计任务设计课题：单级阻容耦合晶体管放大器设计已知条件+VCC=+12V，RL=2k，Vi=10mV，Rs=50。性能指标要求AV＞30，Ri＞2k，Ro＜3k，fL＜20Hz，fH＞500kHz，电路稳定性好。实验仪器设备(略)面包板反面面包板正面