毕业设计（论文）-模拟电子技术—晶体管放大器设计.doc

辽宁石化职业技术学院一、 题目模拟电子技术晶体管放大器设计二、 基础数据1 放大倍数：a=-502 集电极电阻：r=2.43 r=204 r=205 i=1.01三、 内容要求1、 说明部分 单管共射极放大器是一个一阶低通系统，随频率升高放大倍数下降，rb1、rb2偏置电阻钳制ub的电位，从而避免了因温度的升高对电流ic等一系列的影响，反馈电路稳定了静态工作点。当给定倍数源时，实现小电流输入经过负载电阻大电压输出对输入信号起到了放大的作用。2、 计算部分（1） 放大倍数（2） 输入电阻（3） 输出电阻（4） 静态工作点3、 绘图部分共射极放大电路图四、 发给日期 ： 2008 年 4 月 18 日五、 要求完成日期： 2008 年 6 月 13 日专业班级 ：_ 学生姓名 ：_指导教师 ：_ 教研室主任：_ 教务处处长：_毕业设计（论文）答辩成绩专 业： 学 生： 题 目： 答辩成绩： 答辩委员会主任： 年 月 日指导教师对 专业学 生 毕业设计（论文）的评 语指导教师： 年 月 日摘 要电子设计自动化技术已渗透到电子系统和专用集成电路设计的各个环节，个中软件应用到电子设计，使电路的设计，调整和改进更加高效便捷。简单分析了超外差式调幅收音机电路的工作原理及其组装和调试。现在的s66e将原来的插座改为立体声耳机插座，电路原理图未变，步线有所调整。更改后的收音机灵敏度更高、声音更洪亮、用途更广泛，适合mp3、单放机等机型所使用的耳机。散件为3v 低压金硅管六管超外差式收音机，具有安装调试方便、工作稳定、生硬洪亮、耗电省等优点。它由输入回路高放混频级、一级中放、二级中放、前置低放兼检波级、低放级和公放级等部分组成，接受频率范围为535khz1605khz的中波段。 关键字:模拟电子技术 共射极单管放大器 静态工作点 电压放大倍数 最大不失真输出电压 输入电阻 输出电阻 频率特性 目 录第一章 晶体管放大器设计11.1设计原理 11.2性能指标及测试方法3第二章 晶体管放大器设计过程82.1设计仪器与设备82.2设计步骤与要求82.3共射极单管放大器设计8第三章 电路安装与调试 103.1电路板设计制作过程 103.2安装电路 123.3通电调试 133.4测试数据与处理 17第四章 课程设计总结 18第一章 晶体管放大器设计1.1设计原理阻容耦合共射极放大器如图1-1所示，它采用的是分压式电流负反馈电路，rb为基极偏流电阻，提供静态工作点所需基极电流。rb1是由r和rw串联组成，rw是可变电阻，用来调节三极管的静态工作点，r起保护作用，避免rw调至0端使基极电流过大，损坏晶体管；rs是输入电流取样电阻，输入电流ii 流过rs ，在rs 上形成压降，测量rs两端的电压便可计算出ii ；rc为集电极直流负载电阻； rl为交流负载电阻；c1、c2为耦合电容。静态工作点q主要由rb1、rb2、re、rc及电源电压ucc决定，该电路利用rb1和rb2组成的分压器固定基极电位。如果i1ib,就可以近似认为基极电位ubrb2ucc/(rb1+rb2)。在此条件下，当温度升高时，ic(ie)将增加，由于ie的增加，在re上产生的压降ie re也要增加，ie re的增加部分回送到基极-发射极回路去控制ube使外加于管子的ube减小（因ube=ub-ie re,而ub以被rb1、rb2所固定），由于ube的减小使ib自动减小，结果牵制了ic的增加，使ic基本稳定，从而获得稳定的静态工作点。静态工作点选得过高或过低会产生非线性失真，如q点选得过高，微弱的输入信号也会产生饱和失真，使输出的电压波形产生下削波。相反若q点选得过低，将会产生截至失真，使输出的电压波形产生上削波，为了得到最大不失真输出幅度，其静态工作点应设在交流负载线的中间位置。图1-1 阻容耦合共射极放大器另外，放大器静态工作点的选择还影响放大器的增益，工作点的不同放大器的放大倍数也将不同。在实际情况下，只有ieib 以及ubube ，才能获得稳定的静态工作点。对于硅管，一般取 i1 =（510）ib （1-1） ub =35 v （1-2）对于锗管，一般取 i1 =（1020）ib （1-3） ub =13 v （1-4）电路的静态工作点由下列关系式确定。 ub = ucc (1-5) ic ib = (1-6) uce = ucc -ib re ucc -ic(rc+re) (1-7)1.2性能指标及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、最大不失真输出电压uomax、输入电阻ri、输出电阻ro及幅频响应和通频带bw等。对于图1-1所示的电路，各性能指标的计算式与测试方法如下。（1）电压放大倍数av av= - (1-8)其中 rl=rcrl (1-9) rbe=300+(1+) (1-10)电压放大倍数的测量实质上是测量放大器的输入电压ui与输出电压uo。具体方法为：在输出波形不失真的情况下，测量输入电压值ui（有效值）或uim(峰值)，并测量相应输入电压值的输出电压值ui（有效值）或uom(峰值)，则 av= (1-11)由此可知，改变电路rc 的值，可以改变放大倍数，但rc 的改变受静态工作点设置的约束；同时，负载rl 的变化也会使放大倍数发生相应的改变。(2)最大不失真输出电压uomax在给定静态工作点的条件下，放大器所能输出的最大不失真输出电压值就是该放大器的最大不失真输出电压。测量方法为：在测量电压放大倍数的基础上，逐渐增加输入信号幅值，同时观察输出波形，当输出波形刚出现失真时的输出电压uo即为uomax.(3)输入电阻ri 输入电阻是指从放大器输入端看进去的等效电阻，它表明放大器对信号源的影响程度。 ri=rberb1rb2rbe （1-12）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。测量放大器的出入电阻ri有两种方法。第一种方法原理如图1-2（a）所示，在信号源输出与放大器输入端之间，串联一个已知电阻r（一般选择r的值接近ri值）。在输出波形不失真情况下，用晶体管毫伏表，分别测量出us与ui的值，则 ri=r (1-13)这种方法，当被测电路输入电阻很高时，将因r和毫伏表的接入而在输入端引起较大的干扰误差，特别是电压表内阻不很高时，ui、us值会偏小。第二种方法的原理如图1-2（b）所示。接入输入信号，当开关s置于1，在输出波形不失真条件下，测量输出电压uo1,在将开关s置于2，接入已知电阻r（一般选择r的值接近ri值），测量输出电压uo1，则 ri =r (1-14)(a) (b)图1-2 输入电阻测量电路(4)输出电阻ro输出电阻是指从放大器输出端看进去信号源的等效电阻。放大器的输出端可以等效为一个理想的电压源和输出电阻ro 相串联。输出电阻可以描述放大器信号输出的方式和带负载的能力。ro=rorcrc (1-15)其中ro为晶体管的输出电阻。输出电阻ro的大小反映了放大器带负载的能力，ro越小，带负载能力越强。当rorl时，放大器可等效成一个恒压源。输出电阻测量方法如图1-3所示。在输出波形不失真的条件下，首先测量rl未接入时，放大器空载时的输出电压uo，然后再保持输入电压不变的情况下，接入rl测量放大器的负载电压uol，则 ro =（）rl (1-16)图1-3 输出电阻测量电路图1-4 放大器的幅频响应(5)幅频响应和通频带bw放大器的幅频响应如图1-4所示，影响放大器幅频响应的主要因素是电路中存在的各种电容。通频带bw为 bw=fh-fl (1-17)其中fh为放大器的上线频率，主要受晶体管的结电容及电路的分布电容的限制；fl为放大器的下线频率，主要受耦合电容cb、cc及ce射极旁路电容的影响。要严格计算电容及同时存在时对放大器的低频响应的影响，较为复杂，在工程设计中，为了简化计算，通常以每个电容单独存在时的转折频率为基本频率，再降低若干倍作为下线频率。电容cb、cc及ce单独存在时所对应的等效回路如图1-5（a）、（b）、（c）所示。如果放大器的下线频率fl已知，则可按下列估算cb、cc及ce的值。cb（310） (1-18)cc（310） （1-19）ce（13） (1-20)通常取cb=cc，可在式（1-18）与式（1-19）中选电阻值rs+rbe、rc+rl最小的式子求cb或cc。(a) (b) (c)图1-5 电容cb、cc及ce对应的等效电路放大器的幅频响应通常采用“逐点法”测量，即通过测量不同频率时的电压放大倍数av得。测量时，每改变一次信号源的频率（注意必须保持输入信号us的幅值不变且输出波形不是真），用晶体管毫伏表或示波器测量一个对应的输出电压值，计算出相应的增益，然后将测试结果画在坐标纸上，并将所测结果连接成如图1-4所示的曲线即为幅频特性。如果只需要测量放大器的通频带bw，则首先测出放大器中频区（如f0=1khz）时的输出电压u0，然后升高频率直到输出电压降到0.707u0为止（此过程必须保持输入信号us的幅值不变且输出波形不失真），此时所对应的信号源的频率就是上限频率fh。同理，保持不变，降低频率直到输出电压降到为止，此时所对应的频率为下限频率，则放大器的通频带。bw=fh-fl第二章 晶体管放大器设计过程2.1设计仪器与设备示波器、万用表、低频信号发生器、直流稳压电源、晶体管毫伏表。2.2设计步骤与要求 根据已知条件和性能指标的要求，涉及电路，画出实验电路图，并确定电路所有元件的参数。安装电路，并做好通电前的检查和通电后的检查工作。测试性能指标，调整修改元件参数值，使其满足放大器性能指标的要求，将修改后的元件参数值标在设计的电路图上。完成正确、步骤清晰、测试数据完整的设计实验总结报告。2.3共射极单管放大器设计 设计共射级单管放大器，如图1-6所示，已知ucc=+12v,rl=2.4k,rw=100k,rb1=20k,rc=2.4k,re=1k，=50100图1-6 共射极单管放大器设计电路共射极单管放大器微变等效电路解：根据（公式）1-5得ub = ucc =121.71v根据(公式）1-6得ic ib =1.01ma根据(公式)1-7得uce = ucc -ib re ucc -ic(rc+re) 8.57v根据(公式)1-9得rl=rcrl =1.2根据(公式)1-8得av= - - - 0.05v第三章 电路安装与调试3.1电路板设计制作过程先画出装配图，然后焊接电路。电路焊接好后，经检查无误，将设计电路与各电子仪器正确连接，再次检查无误后（特别要注意稳压电源的输出电压和极性、万用电表的量程），向下进行通电调试。为防止干扰，信号发生器、示波器、毫伏表的屏蔽线外层屏蔽网和稳压电源的负极应接在公共地线上。（一）焊接电路1 用数字万用表的hfe档或晶体管图示仪jt-1测量实验中使用的晶体管t的电流放大系数，作为分析计算的依据。2 根据原理图在纸上画出电路装配图。在画装配图时，要注意以下几点： 注意晶体管的管脚位置，e、b、c的方向。 画装配图时要考虑元件的实际大小尺寸。 装配图上安排元件位置时最好遵照原理图的信号流向，要注意输入回路应尽量远离输出回路，避免输出信号反馈到输入端，引起放大器不能正常工作。 要有一根公用地线，作为输入、输出的公共端和元件的接地端的接地线。在实际应用电路中，公共地线通常使用较粗的裸铜线。 可根据原理图的元件位置来布置电路板元件位置，便于理解工作原理和调试检查。实际应用电路中，要根据具体条件充分考虑散热、避免电磁干扰、避免有害反馈等因素，元件安排要整齐美观，并尽量缩小电路板面积。3 根据电路装配图，在实验电路板上焊接电路。焊接电路时，要注意以下几点： 使用的电烙铁功率要合适，功率太大容易烫坏元件；功率太小焊接困难，焊点呈渣状，不光滑，很容易形成虚焊。一般焊接晶体管元件使用功率为2535w的电烙铁比较合适，焊接较大的元件可使用大于45w的电烙铁。电烙铁的焊头要清洁，表面预先镀有一层焊锡。如果焊头表面氧化发黑，则很难焊接。因此，如果焊头已经氧化发黑，先不要接电，用砂纸将焊头的氧化层去除，注意把尖端部特别要处理干净，然后加电，当焊头温度升高至能够融化松香时，立即涂上松香，避免焊头氧化，当焊头温度升高至能熔化焊锡时，镀上一层焊锡，这样便能方便地焊接了。本实验室使用的电烙铁是长寿型，烙铁头是用特殊合金制造，因此禁止使用锉刀锉焊头，只能使用砂纸磨光。 将待焊接的元件接脚处理干净，去掉接脚的污物和氧化物，才能可靠焊牢。对于氧化严重的接脚，可用细砂纸打磨出金属光泽并预先镀锡。但对于镀金的元件接脚严禁用砂纸打磨，以免造成更严重的氧化。 在焊接过程中，多使用助焊剂松香，尽量减少焊锡的用量。焊锡只要能将元件接脚和线路板铆钉圆满包住即可，避免过多流溢，与其它接脚形成短路。松香的作用是避免接脚在电烙铁高温下进一步氧化，并能去除接脚表面不太严重的氧化层，还能增加焊锡的流动性，使焊点光滑。 必须严防虚焊。焊接好后，稍用力拉动元件，应没有接脚松动的感觉。 控制电烙铁接触元件的时间，过短容易虚焊，过长又会烫坏元件。一般应在2秒到6秒之间，根据所焊接的元件大小和散热情况决定。 焊接完成检查无误后方可通电实验。3.2安装电路 检查元件器件 在安装电路前，按照设计要求选择元件型号,如表3-1.先用万用表检查三极管的质量，电阻的阻值及电解电容的充放电情况，并用晶体管图示仪侧三极管的主要参数。rwrerirb1100k1k1k20krcrlc1c22.4k2.4k10u10ucerb250u20k表 3-1安装电路 根据设计元件的参数组装电路。组装时，应尽量按照电路的形式与顺序布线，要求做到元件排列整齐，密度均匀，不互相重叠，连接线尽量做到短和直，避免交叉，必须交叉时要使用绝缘导线。对电解电容应注意主负极性，正极接高电位，负极接低电位，并且不要放在功率大的电阻旁边，防止过热融化，原件标称值字符朝外以便检查。3.3通电调试通电观察 电路安装经检查确认无误后，即可把经过准确测量的电源接入电路，此时不要急于测量数据，应首先观察电路有无异常情况，如有无冒烟、有无异常气味、元件器件是否烫伤、电源输出有无短路现象等等。如果有异常现象，应立即切断电源，检查电路，排除故障，待故障排除后方可重新通电测试静态工作点的测试与调整 接通直流电源，放大电路不加输入信号，并将放大器输入端即耦合电容cb左端接地，用万用表测量晶体管的b、e、c及对地的电压ub、ue、uc。如果出现ucc=uce，说明晶体管工作在截至状态；如果出现uce0.5v，说明晶体管已经饱和。这两种情况均说明，所设置的静态工作点偏离较大，应调整rb2，或检查电路是否有故障、测量是否正确以及读数是否正确等等。 正常情况下，uce应为正几伏，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，还要进行动态波形观测。在放大器输入端加入适当的输入信号，如ui=10mv,fi=1khz的正弦波，如果放大器输出出现如图1-6（a）所示的顶部被压缩的波形，则说明静态工作点q偏低，应增大ib，可以通过增大rb2的值实现；如果输出波形出现如图1-7（b）所示的底部被压缩的波形，则说明静态工作点q偏高，应减小ib，可以通过减小rb2的值实现；如果增大输入信号，如ui=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失真，则说明静态工作点设置的合适。这时可以去掉输入信号，分别测量放大器的静态工作点ub、ue、uc及ic。(a) （b）图1-7 失真波形放大器静态工作点的调试和测量：晶体管的静态工作点对放大电路能否正常工作起着重要的作用。对安装好的晶体管放大电路必须进行静态工作点的测量和调试。 静态工作点的测量：晶体管的静态工作点是指vbeq、ibq、vceq、icq四个参数的值。这四个参数都是直流量，所以应该使用万用电表的直流电压和直流电流档进行测量。测量时，应该保持电路工作在“静态”，即输入电压vi0。要使vi=0，对于阻容耦合电路，由于存在输入隔直电容，所以信号源的内阻不会影响放大器的静态工作点，只要将测试用的信号发生器与待测放大器的输入端断开，即可使vi=0；但是输入端开路很可能引入干扰信号，所以最好不要断开信号发生器，而是将信号发生器的“输出幅度”旋钮调节至“0”的位置，使vi=0。对于直接耦合放大电路，由于信号源的内阻直接影响待测放大器的静态工作点，所以在测量静态工作点时必须将信号发生器连接在电路中，而将输出幅度调节至0。在设计中，为了不破坏电路的真实工作状态，在测量电路的电流时，尽量不采用断开测点串入电流表的方式来测量，而是通过测量有关电压，然后换算出电流。在本实验中，只要测出vbq、vcq、vcc电压值，便可计算出vbeq、vceq、icq、ibq。为减小测量误差，应选用内阻较高的直流电压表。（500型万用表的直流电压档内阻为20kv，数字万用表直流电压档的内阻为10m。） 静态工作点的调节方法：静态工作点的设置是否合适，对放大器的性能有很大的影响。静态工作点对放大器的“最大不失真输出幅值”和电压放大倍数有直接影响。当输入信号较大时，如果静态工作点设置过低，就容易产生截止失真（npn管的输出波形为顶部失真。如果静态工作点设置较高，就容易出现饱和失真（npn管的输出波形为底部失真。当静态工作点设置在交流负载线的中点时，如果出现失真，将是一种上下半周同时削峰的失真,这时放大器有最大的不失真输出幅值。因此，当放大器需要处理大信号时，应将静态工作点设置在交流负载线的中点；对于前置放大器，由于处理的信号幅度较小，不容易出现截幅现象，而应着重考虑放大器的噪声、增益、输入阻抗、稳定性等方面，所以一般设置静态工作点在交流负载线中点以下偏低位置。调节静态工作点一般通过改变rb的阻值来进行。若减小rb的阻值 ，可使icq增大，vceq减小；增大rb则作用相反。调节工作点前，应先用图解法根据交流负载线确定最佳工作点的值（icq、vceq），然后给待测放大器加电后，用万用表测量vceq ，调节rb ，使vceq达到设计值。必要时，需要在放大器输入端输入一定幅度的正弦信号，用示波器观察输出波形，并调节rb，使输出信号的失真最小。实验中，为调节静态工作点方便，rb采用了可变电阻rw（当然，如果改变vcc和其它元件的数值也会影响静态工作点，但都不如调节rb方便）。实际应用电路中在q点调节好后，将rw换为阻值相同的固定电阻。在测量时，应注意以下几个问题：一般只测电压而避免测电流，因为测量电流是要断开电路，电流的大小可以通过测量电压再把电流换算出来，如测量ic时，只需要测量rc两端的电压，然后除以rc的阻值即可。当使用的测量仪器仪表公共端接机壳时，应把测量仪器仪表的公共端与放大器的公共端接在一起即共地，否则测量仪器仪表外壳引入的干扰将是电路工作状态改变，并且测量结果也不可靠。要正确选择测量仪表的量程范围，减少测量误差。在测量静态工作点时，为了减小外界干扰，应使输入端交流短路即耦合电容cb左端接地。性能指标测试与电路参数调整 按照图1-8所示的接线图连接测量仪器。示波器用于观察放大器的输入、输出波形，晶体管毫伏表用于测量放大器的输入、输出电压。测量频率响应时，当频率发生变化时，信号发生器的输入电压可能变化，应及时调整，以维持输入电压恒定。所有仪器的接地端都应与放大器的接地线相连。测量前，信号发生器的频率应调到放大器中频区的某个频率fo上，如fo=1khz，幅值调到放大器所要求的电压值，如ui=10mv（有效值），然后按照放大器性能指标的测试方法分别测量av、ri、ro、bw等。图1-8 测量放大器性能仪表连接对于一个低频放大器，希望电路的稳定性好，非线性失真小、电压放大倍数大、输入阻抗高、输出阻抗低、下限频率fl越低越好，但这些要求很难同时满足，例如，希望提高电压放大倍数av，根据式（1-8）分析，可以有以下三种方法。 rlro av rberi rbe增大rl会使ro增加，减小rb