第一节__晶体管放大器设计.ppt

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 一 电路工作原理及基本关系式 图3 1 1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 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 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Ro RL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 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 1k 有 取ICQ 1 5mA 26mV ICQ mA mA 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IBQ ICQ 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的理论计算式及设Av 40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 3 7 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 4VVEQ 2 7VICQ 1 8mAVCQ 9 3V性能指标的测量值为AV 47Ri 1 1k Ro 1 5k fL 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 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AV 30 Ri 2k Ro 3k fL 20Hz fH 500kHz 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 P496 实验与思考题 3 1 1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 3 1 2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 3 1 4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 3 1 5一般情况下 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 3 1 6测量静态工作点时 用万