基本共射放大电路课程设计.doc

第1章 基本共射放大电路的工作原理1.1 放大电路的组成原则直流电源要设置合适静态工作点，并做为输出的能源。对于晶体管放大电路，电源的极性和大小应使晶体管基极与发射极之间处于正向偏置；而集电极与基极之间处于反向偏置；即保证晶体管工作在放大区。电阻取值得当，与电源配合，使放大管有合适的静态工作电流。输入信号必须能够作用于放大管的输入回路。当负载接入时，必须保证放大管输出回路的动态电流能够作用于负载，从而使负载获得比输入信号大得多的信号电流或信号电压1.2 晶体管共发射极放大电路1.2.1 共发射极放大电路的组成在图5-16（a）的共发射极交流基本放大电路中，输入端接低频交流电压信号i（如音频信号，频率为20HZ20KHZ）。输出端接负载电阻L（可能是小功率的扬声器，微型继电器、或者接下一级放大电路等），输出电压用o表示。电路中各元件作用如下：o+VCCis VCE VBE IB +VCC +VCC C1 +RB RC + C2 RS RL RB RC i (a) (b)图5-16 共发射交流放大1.集电极电源VCC是放大电路的能源，为输出信号提供能量，并保证发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，使晶体管工作在放大区。VCC取值一般为几伏到几十伏。 2.晶体管T是放大电路的核心元件。利用晶体管在放大区的电流控制作用，即ic = ib的电流放大作用，将微弱的电信号进行放大。3.集电极电阻RC是晶体管的集电极负载电阻，它将集电极电流的变化转换为电压的变化，实现电路的电压放大作用。RC一般为几千到几十千欧。4.基极电阻RB以保证工作在放大状态。改变RB使晶体管有合适的静态工作点。RB一般取几十千欧到几百千欧。5耦合电容C1、C2起隔直流通交流的作用。在信号频率范围内，认为容抗近似为零。所以分析电路时，在直流通路中电容视为开路，在交流通路中电容视为短路。C1、C2一般为十几微法到几十微法的有极性的电解电容。1.2.2 静态分析放大电路未接入vi前称静态。动态则指加入vi后的工作状态。静态分析就是确定静态值，即直流电量,由电路中的IB、IC和VCE一组数据来表示。这组数据是晶体管输入、输出特性曲线上的某个工作点，习惯上称静态工作点，用Q（IB、IC、VCE）表示。放大电路的质量与静态工作点的合适与否关系甚大。动态分析则是在已设置了合适的静态工作点的前提下；讨论放大电路的电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等技术指标。1 由放大电路的直流通路确定静态工作点将耦合电容C1、C2视为开路，画出图5-16（b）所示的共发射极放大电路的直流通路，由电路得： （5-12）用式（5-12）可以近似估算此放大电路的静态作点。晶体管导通后硅管VBE 的大小约在0.60.7V之间（锗管VBE的大小约在0.20.3V 之间）。而当VCC较大时，VBE可以忽略不计。2由图解法求静态工作点Q（1） 用输入特性曲线确定IBQ和VBEQ根据图5-16（b）中的输入回路，可列出输入回路电压方程： （5-13）同时VBE和IB还符合晶体管输入特性曲线所描述的关系，输入特性曲线用函数式表示为： （5-14）用作图的方法在输入特性曲线所在的VBEIB平面上作出式（5-13）对应的直线，那么求得两线的交点就是静态工作点Q，如图5-17（a）所示，Q点的坐标就是静态时的基极电流IBQ和基射极间电压VBEQ。(2) 用输出特性曲线确定ICQ和VCEQ 由图5-16（b）电路中的输出回路，以及晶体管的输出特性曲线，可以写出下面两式： （5-15）OOVCC VCEVCEQI CICQQIB=IBQVCC VBEVBEQIBQQIB （5-16）（a） (b)图5-17 图解法求静态工作点晶体管的输出特性可由已选定管子型号在手册上查找，或从图示仪上描绘，而式（5-15）为一直线方程，其斜率为tg=-1/RC，在横轴的截距为VCC，在纵轴的截距为VCC/ RC。这一直线很容易在图5-17（b）上作出。因为它是直流通路得出的，且与集电极负载电阻有关，故称之为直流负载线。由于已确定了IBQ的值，因此直流负载线与IB=IBQ所对应的那条输出特性曲线的交点就是静态工作点Q。如图5-17（b）所示，Q点的坐标就是静态时晶体管的集电极电流ICQ和集一射极间电压VCEQ。由图5-17可见，基极电流的大小影响静态工作点的位置。若IBQ偏低，则静态工作点Q靠近截止区；若IBQ偏高则Q靠近饱和区。因此，在已确定直流电源VCC集电极电阻RC的情况下，静态工作点设置的合适与否取决于IB的大小，调节基极电阻RB，改变电流IB，可以调整静态工作点。1.2.3 动态分析 图5-18 放大电路中电压、电流的波形（a）ooooovovceVCEvCEiciCICIBiBibvittttt+VCCiB = IB + ibvCEoiC1 +RB RC + C2iC = IC + ic（b）（c）（d）（e）（f）静态工作点确定以后，放大电路在输入电压信号vi的作用下，若晶体管能始终工作在特性曲线的放大区，则放大电路输出端就能获得基本上不失真的放大的输出电压信号o。放大电路的动态分析，就是要对放大电路中信号的传输过程、放大电路的性能指标等问题进行分析讨论，这也是模拟电子电路所要讨论的主要问题。微变等效电路法和图解法是动态分析的基本方法。1信号在放大电路中的传输与放大以图5-18（a）为例来讨论，图中IB、IC、VCE表示直流分量（静态值），ib、ic、vce表示输入信号作用下的交流分量（有效值用Ib、Ic、Vce），iB、iC、vCE表示总电流或总电压，这点务必搞清。设输入信号vi为正弦信号，通过耦合电容C1加到晶体管的基射极，产生电流ib，因而基极电流iB = IB + ib。集电极电流受基极电流的控制，iC = IC + ic =（IB + ib）。电阻RC上的压降为iCRC，它随iC成比例地变化。而集射极的管压降vCE = VCC - iCRC = VCC -（IC + ic）RC = VCE - ic RC，它却随iCRC的增大而减小。耦合电容C2阻隔直流分量VCE，将交流分量vce = - ic RC送至输出端，这就是放大后的信号电压vo = vce = - ic RC。vo为负，说明vi、ib、ic为正半周时，vo为负半周，它与输入信号电压vi反相。图5-18（b）（f）为放大电路中各有关电压和电流的信号波形。综上所述，可归纳以下几点：（1）无输入信号时，晶体管的电压、电流都是直流分量。有输入信号后，iB、iC、vCE都在原来静态值的基础上叠加了一个交流分量。虽然iB、iC、vCE的瞬时值是变化的，但它们的方向始终不变，即均是脉动直流量。（2）输出vo与输入vi频率相同，且幅度vo比vi大的多。（3）电流ib、ic与输入vi同相，输出电压vo与输入vi反相，即共发射极放大电路具有“倒相”作用。2微变等效电路法(1) 晶体管的微变等效电路所谓晶体管的微变等效电路，就是晶体管在小信号（微变量）的情况下工作在特性曲线直线段时，将晶体管（非线性元件）用一个线性电路代替。由图5-19（a）晶体管的输入特性曲线可知，在小信号作用下的静态工作点Q邻近的Q1 Q2工作范围内的曲线可视为直线，其斜率不变。两变量的比值称为晶体管的输入电阻，即 （5-17）式（5-17）表示晶体管的输入回路可用管子的输入电阻rbe来等效代替，其等效电路见图5-20（b）。根据半导体理论及文献资料，工程中低频小信号下的rbe可用下式估算 （5-18）Q2VCEIBICQ1VBEQ2Q1IBOOvCEVCEQi CICQQVCC vBEVBEQIBQQi B 小信号低频下工作时的晶体管的rbe一般为几百到几千欧。（a） （b）图5-19从晶体管的特性曲线求rbe、和rce由图5-19（b）晶体管的输出特性曲线可知，在小信号作用下的静态工作点Q邻近的Q1 Q2工作范围内，放大区的曲线是一组近似等距的水平线，它反映了集电极电流IC只受基极电流IB控制而与管子两端电压基本VCE无关，因而晶体管的输出回路可等效为一个受控的恒流源，即IC = IB 及 ic = ib （5-19） rbe ic icib ic c e b c e c b ib vbe vce vbe vceibrce （a） （b） 图5-20 三极管的微变等效电路 实际晶体管的输出特性并非与横轴绝对平行。当IB为常数时，VCE变化会引起变化这个线性关系就是晶体管的输出电阻rce，即 （5-20） rce和受控恒流源ib并联。由于输出特性近似为水平线，rce又高达几十千欧到几百千欧，在微变等效电路中可视为开路而不予考虑。图5-20(b)为简化了的微变等效电路。（2）共射放大电路的微变等效电路放大电路的直流通路确定静态工作点。交流通路则反映了信号的传输过程并通过它可以分析计算放大电路的性能指标。图5-21（a）是图5-16（a）共射放大电路的交流通路。RL RC RL RC RS RB RS RB rbe C1、C2的容抗对交流信号而言可忽略不计，在交流通 （a）交流通路 (b)微变等效电路图5-21 共射放大电路的交流通路及微变等效电路路中视作短路，直流电源VCC为恒压源两端无交流压降也可视作短路。据此作出图5-21（a）所示的交流通路。将交流通路中的晶体管用微变等效电路来取代，可得如图5-21（b） 所示共射放大电路的微变等效电路。3动态性能指标的计算（1）电压放大倍数AV电压放大倍数是小信号电压放大电路的主要技术指标。设输入为正弦信号，图5-21（b）中的电压和电流都可用相量表示。由图5-21（b）可列出 （5-21）其中，RL=RC / RL ；A v 为复数，它反映了输出与输入电压之间大小和相位的关系。式(5-21)中的负号表示共射放大电路的输出电压与输入电压的相位反相。当放大电路输出端开路时，（未接负载电阻RL ），可得空载时的电压放大倍数（AVo ）， (5-22) 比较式（5-21 ）和（5-22），可得出：放大电路接有负载电阻RL时的电压放大倍数比空载时降低了。RL愈小，电压放大倍数愈低。一般共射放大电路为提高电压放大倍数，总希望负载电阻RL大一些。输出电压输入信号源电压 之比，称为源电压放大倍数（），则 （5-23）式（5-23）中ri = RB/rberbe （通常RB rbe）。可见RS愈大，电压放大倍数愈低。一般共射放大电路为提高电压放大倍数，总希望信号源内阻RS小一些。（2）放大电路的输入电阻ri一个放大电路的输入端总是与信号源（或前一级放大电路）相联的，其输出端总是与负载（或后一级放大电路）相接的。因此，放大电路与信号源和负载之 ro RSRL ri 间 （a）前级放大电路 (b)本级放大电路 (c) 后级放大电路图5-22 放大电路与信号源及前后级电路的联系（或前级放大电路与后级放大电路），都是互相联系，互相影响的。图5-22（a）、（b）表示为它们之间的联系。输入电阻ri也是放大电路的一个主要的性能指标。放大电路是信号源（或前一级放大电路）的负载，其输入端的等效电阻就是信号源（或前一级放大电路）的负载电阻，也就是放大电路的输入电阻ri。其定义为为输入电压与输入电流之比。即 （5-24）图5-16（a）共射放大电路的输入电阻可由图5-23所示的等效电路计算得出。由图可知 （5-25）一般输入电阻越高越好。原因是：第一，较小的ri 从信号源取用较大的电流而增加信号源的负担。第二，电压信号源内阻RS和放大电路的输入电阻ri分压后，ri上得到的电压才是放大电路的输入电压（如图5-23所示），ri越小，相同的使放大电路的有效输入减小，那么放大后的输出也就小。第三，若与前级放大电路相联，则本级的ri就是前级的负载电阻RL，若ri较小，则前级放大电路的电压放大倍数也就越小。总之，要求放大电路要有较高的输入电阻。(3) 输出电阻ro放大电路是负载（或后级放大电路）的等效信号源，其等效内阻就是放大电路的输出电阻ro，它是放大电路的性能参数。它的大小影响本级和后级的工作情RL RC RB rbe RC RS RB rbe 图5-23 放大电路的输入电阻 图5-24放大电路的输出电阻况。放大电路的输出电阻ro，即从放大电路输出端看进去的戴维宁等效电路的等效内阻，实际中我们采用如下方法计算输出电阻：将输入信号源短路，但保留信号源内阻，在输出端加一信号，以产生一个电流，则放大电路的输出电阻为 （5-26）图5-16（a）共射放大电路的输出电阻可由图5-24所示的等效电路计算得出。由图可知，当VS = 0时，Ib = 0，Ib = 0，而在输出端加一信号，产生的电流就是电阻RC中的电流，取电压与电流之比为输出电阻。 （5-27）计算输出电阻的另一种方法是，假设放大电路负载开路（空载）时输出电压为，接上负载后输出端电压为Vo，则 （5-28）由此可见，输出电阻越小，负载得到的输出电压越接近于输出信号，或者说输出电阻越小，负载大小变化对输出电压的影响越小，带载能力就越强。一般输出电阻越小越好。原因是：第一，放大电路对后一级放大电路来说, 相当于信号源的内阻，若ro较高，则使后一级放大电路的有效输入信号降低，使后一级放大电路的AVs降低。第二，放大电路的负载发生变动，若ro较高，必然引起放大电路输出电压有较大的变动，也即放大电路带负载能力较差。总之，希望放大电路的输出电阻ro越小越好。1.3 放大电路其它性能指标的介绍输入信号经放大电路放大后，输出波形与输入波形不完全一致称为波形失真，而由于晶体管特性曲线的非线性引起的失真称为非线性失真。下面我们分析当静态工作点位置不同时，对输出波形的影响。1.3.1 波形的非线性失真如果静态工作点太低，如图5-25所示点，从输出特性可以看到，当输入信号vi在负半周时，晶体管的工作范围进入了截止区。这样就使的负半周波形和的正半周波形都严重失真（输入信号vi为正弦波），如图5-25所示。这种失真称为截止失真，消除截止失真的方法是提高静态工作点的位置，适当减小输入信号vi的幅值。对于图5-16的共射极放大电路，可以减小R B阻值，增大IBQ，使静态工作点上移来消除截止失真。如果静态工作点太高，如图5-25所示点，从输出特性可以看到，当输入信号vi在正半周时，晶体管的工作范围进入了饱和区。这样就使的正半周波形和的负半周波形都严重失真，如图5-25所示。这种失真称为饱和失真，消除饱和失真的方法是降低静态工作点的位置，适当减小输入信号vi的幅值。对于图5-16的共射极放大电路，可以增大R B阻值，减小IBQ，使静态工作点下移来消除饱和失真。总之，设置合适的静态工作点，可避免放大电路产生非线性失真。如图5-25所示Q点选在放大区的中间，相应的ic和vo都没有失真。但是，还应注意到即使Q点设置合适，若输入v i的信号幅度过大，则可能既产生饱和失真又产生截止失真。vCEB vCEIB=0OttiCAOO截止区饱和区iC图5-25 静态工作点与非线性失真的的关系1.3.2 通频带由于放大电路含有电容元件（耦合电容C1、C2及布线电容、PN结的结电容），当频率太高或太低时，微变等效电路不再是电阻性电路，输出电压与输入电压的相位发生了变化，电压放大倍数也将降低，所以交流放大电路只能在中间某一频率范围（简称中频段）内工作。通频带就是反映放大电路对信号频率的适应能力的性能指标。BWAvAvm0.707AvmffLfHOBWAv(dB)3dBf(Hz)fLfH100 101 102 103 40302010图5-26（a）为电压放大倍数Av与频率f的关系曲线，称为幅频特性。可见在低频段Av有所下降，这是因为当频率低时，耦合电容的容抗不可忽略，信号在耦合电容上的电压降增加，因此造成Av下降。在高频段Av下降的原因，是由于高频（a） （b）图5-26 放大电路通频带时三极管的值下降和电路的布线电容、PN结的结电容的影响。图5-26（a）所示的幅频特性中，其中频段的电压放大倍数为Avm。当电压放大倍数下降到时，所对应的两个频率分别称为上限频率fH和下限频率fL，fH - fL的频率范围称为放大电路的通频带（或称带宽）BW。BW = fH - fL由于一般fL fH，故BWfH。通频带越宽，表示放大电路了的工作频率范围越大。对于频带的放大电路，如果幅频特性的频率坐标用十进制坐标，可能难以表达完整。在这种情况下，可用对数坐标来扩大视野，对数幅频特性如图5-26（b）所示。其横轴表示信号频率，用的是对数坐标；其纵轴表示放大电路的增益分贝值。这种画法首先是由波特（H.W.Bode）提出的，故常称为波特图。在工程为了便于计算，常用分贝（dB）表示放大倍数（增益）。因此，在工程上通常把fH - fL的频率范围称为放大电路的“-3dB”通频带（简称3dB带宽）。1.3.3 最大输出幅度最大输出幅度是指输出波形的非线性失真在允许限度内，放大电路所能供给的最大输出电压（或输出电流），一般指有效值，以Vomax（或Iomax）表示。图解法能直观地分析放大电路的工作过程。估算电压放大倍数、清晰地观察到波形失真情况、估算出不失真时最大限度的输出幅度。但图解法也有局限性，作图过程繁琐，误差大，且不能计算输入、输出电阻、多级放大电路及反馈放大电路等。图解法适合于分析大信号下工作的放大电路（功率放大电路），对小信号放大电路用微变等效电路则简便得多。1.4 静态工作点的稳定前面的讨论已明确：放大必须有个合适的静态工作点，以保证较好的放大效果，并不引起非线性失真。下面讨论影响静态工作点变动的主要原因以及能够稳定工作点的偏置电路。图5-27 温度对Q点影响Q2VCE80A60A40A20AIB=080A60A40A20AIB=0IC 0Q1.4.1 温度对静态工作点的影响静态工作点不稳定的主要原因是温度变化和更换晶体管的影响。下面着重讨论温度变化对静态工作点的影响。图5-16（a）的共发射极放大电路，其偏置电流为可见，当VCC及RB一经选定IB就被确定，故称为固定偏置放大电路。此电路简单，易于调整，但温度变化导致集电极电流IC增大时，输出特性曲线族将向上平移，如图5-27中虚线所示。因为当温度升高时，ICBO要增大。由于ICEO=（1+）ICBO， 故ICEO也要增大。又因为IC= IB + ICEO, 显见ICEO的增大将使整个输出特性曲线族向上平移。如图5-27所示，这时静态工作点将从Q点移到Q2点。ICQ增大，VCEQ减小，工作点向饱和区移动。这是造成静态工作点随温度变化的主要原因第2章 单级阻容耦合晶体管放大器设计2.1 设计要求与指标1、设计要求设计一个分压式电流负反馈（电流串联负反馈放大）偏置的单级共射极小信号放大器，输入和输出分别用电容与信号源及负载之间耦合2、技术指标：电源电压为12V，Vi=10mV，外接负载RL=2K，工作频率fL500KHz，电路稳定性好；电压放大倍数大于30，输入电阻大于2K，Ro,又 3V, =,图（2-1）实际电路中取(以下计算中也取这个值)，二、小信号： (1-1) (1-2) (1-3)注：式（1-2）中为、和的并联等效电阻；式（1-1）中为与负载的并联电阻，由于共射输出级为一个电压跟随器，由虚断可知.,将各数据代入式（1-3）中可解得：,同样实际电路中取,均合设计要求。三、 频率： 因为是影响低频响应的主要因素 (1-4) ， ,因为此电路中共射输出处相当于开路，所以，取因为，解得代入式（1-4）中得，又因为式（1-4）成立的前提条件是，我们可以取,代入不等式中发现满足条件，电路的上限截止频率，由于电路本身输入输出级为高通电路所以只要BJT的特征频率大于5KHZ即可，而本设计中选择BJT型号为9014其特征频率约为150MHZ，所以可以满足要求。另外，输出级用集成运放组成的电压跟随器，为了提高带负载能力。至于温度补偿的话，通过电阻的反馈作用可以做到，因为当温度升高时导致的升高会使也升高，而升高会使升高，由于基本不变所以会致使减小，从而又使减小，实现反馈补偿。2.3 电路仿真测试一、静态图（2-1）为电路在静态时不接信号源的仿真测试图（2-1）二、 动态下面是电路在工作状态下外接信号源的的仿真测试结果由图（2-2）可知，在动态情况下=6/1.886=3.18K=331.1/6.622=50；由图（2-3）可知，动态情况下信号放大倍数约为57倍；由图（2-4）、（2-5）可知，电路的图（2-2）图（2-3）图（2-4）图（2-5）第3章 实际产品介绍3.1 功能介绍 本电路是一个分压式电流负反馈（电流串联负反馈放大）偏置的单级共射极小信号放大器，输入和输出分别用电容与信号源及负载之间耦合，具有合适的静态工