晶体管单级放大器设计.ppt

晶体管单级放大器设计,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。,一、电路工作原理及基本关系式,图 阻容耦合共射极放大器,1.工作原理,晶体管放大器中广泛应用如右图所示的电路，称之为阻容耦合共射极放大器。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I1IBQ，当温度升高时，ICQVEQ(VBQ不变）VBEIBQICQ，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：I1IBQ，一般取,直流负反馈愈强，电路的稳定性愈好。所以要求VBQVBE，即VBQ=(510)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=0.5mA2mA，VEQ=(0.20.5)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,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。在波形不失真的条件下，如果测出Vi(有效值)或Vim(峰值)及Vip-p（峰-峰）与Vo(有效值)或Vom(峰值)Vop-p（峰-峰），则,Av的测试方法,Vip-p,Vop-p,1、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RiRs(信号源内阻)，则放大器从信号源获取较大电压；若RiRs，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。,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)，如上图所示。,Ri的测试方法：“串联电阻法”,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。,2、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RoRL时，放大器可等效成一个恒压源。,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,在输出波形不失真的情况下进行测量：,Ro的测试方法,3、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：,BW的测试方法:,采用“逐点法”测量放大器的幅频特性曲线。,注意：维持输入信号的幅值不变且输出波形不失真,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 AV 40，Ri 1k，Ro 3k，fL 100Hz，fH 100kHz。,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)CEO20V，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(Rirbe 300)1k，有,取ICQ=1.5mA,26mV,ICQ mAmA,依据指标要求、静态工作点范围、经验值进行计算,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IBQICQ/得 I1=(510)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 及设Av40 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,解(2)设置静态工作点并计算元件参数,计算电容为：,取标称值10mF,取CC=CB=10mF。得,取标称值100mF,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,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。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（37）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。,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，以维持 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,Ri,2.性能指标测试与电路参数修改,增大Rc（即RL）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又会影响电路的静态工作点。可见只有提高晶体管的放大倍数，才是提高放大器电压放大倍数的有效措施。,2.性能指标测试与电路参数修改,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=3.4V VEQ=2.7V ICQ=1.8mA VCQ=9.3V 性能指标的测量值为 AV=47 Ri=1.1k Ro=1.5k fL=100Hz fH999kHz,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=VBQ0.7V=2.7V,Ri rbe=300+1.2k,Ro RC=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：测量仪器不准确及测量人员的读数误差；元器件本身参数的示值误差；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。引入负反馈，增强电路稳定性。,1/F,2.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 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。对于如图所示的参数，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 AV30，Ri2k，Ro3k，fL20Hz，fH500kHz，电路稳定性好。实验仪器设备(略),六、设计任务,设计步骤与要求,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(其要求见附录二)。根据已知条件及性能指标要求，确定电路(要求分别采用无负反馈与有负反馈两种放大器电路)及器件(晶体管可以选硅管或锗管)，设置静态工作点，计算电路元件参数。(以上两步要求在实验前完成),在实验面包板上安装电路，其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。测试性能指标，调整与修改元件参数值，使其满足放大器性能指标要求，将修改后的元件参数值标在设计的电路图上(先安装测试无负反馈的放大器，后安装测试有负反馈的放大器)。,上述各项完成后，再进行实验研究，研究内容见后面的“实验与思考题”部分。所有实验完成后，写出设计性实验报告，其要求详见附录二。,电阻和电容的参数：,实验与思考题,分别增大或减小电阻RB1、RC、RL、RE及电源电压+VCC，对放大器的静态工作点Q及性能指标有何影响？为什么？加大输入信号Vi时，输出波形可能会出现哪几种失真？分别是由什么原因引起的？3.1.3 影响放大器低频特性fL的因素有哪些？采取什么措施使fL降低？为什么？,实验与思考题,提高电压放大倍数AV会受到哪些因素限制？采取什么措施较好？为什么？一般情况下，实验调整后的放大器的电路参数与设计计算值都会有差别，为什么？测量静态工作点时，用万用表分别测量晶体管的各极对地的电压，而不是直接测量电压VCE、VBE及电流ICQ，为什么？,实验与思考题,测量放大器性能指标Ri、Ro、AV及BW时，是用晶体管毫伏表或示波器分别测量输入、输出电压，而不是用万用表测量，为什么？测量输入电阻Ri及输出电阻Ro时，为什么测试电阻R要与Ri或Ro相接近？调整静态工作点时，RB1要用一固定电阻与电位器相串联，而不能直接用电位器，为什么？用实验说明图所示电流串联负反馈电路，改善了放大器的哪些性能？为什么？,