音频前置放大电路制作

项目2音频前置放大电路制作学习目标通过本项目的练习 了解三极管的结构特点 掌握三极管的电流放大作用 掌握共射放大电路的组成 原理和分析方法 了解共集放大电路的作用 掌握多级放大电路的安装 调试 测试技巧 工作任务制作分立元件组成的音频前置放大电路 输入信号约为5mV 输出信号不低于0 2V 撰写项目制作报告 参考电路图音频功率放大电路参考电路和印制电路图如图所示 图2 1音频功率放大电路原理图 图2 2音频功率放大电路印制电路图 技能训练1三极管检测 a 基极的判别 b 发射极和集电极判别图2 3模拟万用表三极管管脚判别 图2 4测穿透电流 1 管脚的判别 1 判别基极模拟万用表 先假定一个管脚为基极并把红表笔接在该管脚上 如图2 3 a 所示 用黑表笔分别接另外两个管脚 测得两个阻值 如果阻值一大一小 则所假设的不是基极 应重新假设另一管脚 直到所测两个阻值同大 或同小 将表笔对换 再测一次 阻值将变为同小 或同大 这时 所假设的管脚即为基极 在此基础上 还可判定管子是NPN型还是PNP型 若两阻值同大时 即NPN型 红表笔接基极 若两阻值同小时 即PNP型 红表笔接基极 数字万用表 对于PNP管 当黑表笔在基极上 红表笔去测另两个极时一般为相差不大的较小读数 一般0 5 0 8 如表笔反过来接则为一个较大的读数 一般为1 对于NPN表来说则是红表笔 连表内电池正极 连在基极上 2 判别发射极和集电极若管子为NPN型管 已知基极后 剩下两个电极 对于模拟万用表 假定一个管脚为集电极 用黑表笔接在该管脚上 如图2 3 b 所示 红表笔接另一管脚 再在所假设的集电极和基极之间加100k 的电阻 万用表测得的电阻阻值将变小 将两个要判别的管脚对换 用同样的方法再测一次 阻值变小幅度大的一次 则黑表笔所接的管脚为集电极 若管子为PNP型 则应调换表笔 对于数字万用表 用三极管hFE档去测 对于NPN 将三极管插入NPN的小孔上 对于PNP 将三极管插入PNP的小孔上 B极对上面的B字母 读数 再把三极管的另两脚调换位置 再读数 读数较大的那次极性就对应万用表上所标的字母 这时就对着字母去认三极管的C E极 2 管子性能的判别 1 PN结的好坏 方法同二极管 2 模拟万用表测穿透电流如图2 4所示 阻值应在几十千欧 若阻值太小 则说明穿透电流大 性能不好 若阻值慢慢变小 说明管子性能不稳定 值的检测 当对 值要求不是很高时 用万用表进行测量即可 知识点1半导体三极管1 结构和符号半导体三极管最主要的功能是电流放大和开关作用 三极管由两个PN结构成 两个PN结把一块半导体分成三部分 中间共用的部分是基区 两侧部分是发射区和集电区 从三个区引出相应的电极 分别为基极b 发射极e和集电极c 根据PN结类型可分为PNP型和NPN型两种三极管 三极管结构示意图 发射区和基区之间的PN结叫发射结 集电区和基区之间的PN结叫集电结 三极管的电气符号 2 电流控制关系要使三极管具有放大作用 必须满足以下两个条件 发射结加正向电压 一般小于1V 集电结加反向电压 一般为几伏至几十伏 为了满足上述两个条件 需要在基极加电源VBB 在集电极加电源VCC 如图2 6所示 且VCC应大于VBB a NPN三极管 b PNP三极管图2 6三极管放大工作条件 在上述条件下 三极管的三个电极电流如图2 7所示 具有如下关系 a NPN三极管 b PNP三极管图2 7三极管电流分配关系 称为三极管电流放大系数 其值近似为常数 3 三极管的特性 1 输入特性 输入特性是指在三极管集电极和发射极之间的电压UCE一定时 加在三极管的基极和发射极之间的电压UBE和它所产生的基极电流IB的关系 如图2 8 a 所示 a 输入特性电路模型 b 输入特性曲线图2 8三极管的输入特性 2 输出特性输出特性曲线是指基极电流IB为一定值时 加在三极管集电极和发射极之间的电压UCE与集电极电流IC的关系 a 输出特性电路模型 b 输出特性曲线图2 9三极管的输出特性 如果在基极与发射极间加入一个电压UBE 通过输入特性曲线 就可以得到IB 利用关系式可以求出IC 已知IC 再利用输出特性曲线 就可以求出UCE 这样 输入电压UBE和输出电压UCE的关系也就出来了 4 三极管三种工作状态由三极管的输出特性曲线可以看出三极管工作时可分成三个工作区 如图2 11所示 中间线性的区域称放大区 该区域UCE逐渐增加 IC变化很小 特性曲线近似水平 在此区域 图2 11三极管的三种工作状态 三极管的三种工作状态是指三极管工作在三个区域的状态 截止状态 放大状态和饱和状态 三极管当作开关来使用时 就是工作在截止状态和饱和状态的 5 三极管主要参数 1 电流放大系数三极管的电流放大系数分直流电流放大系数和交流电流放大系数两种 用和表示 其中 共射极 射极作为公共输入输出端 直流电流放大系数为 当三极管输入交流量时 共射极交流电流放大系数为 2 极间反向电流三极管的极间反向电流指集电结反向电流ICBO和集电极 发射极间的穿透电流ICEO 如图2 13所示 ICBO定义为发射极开路 在集电极和基极间加反向电压时 流过集电结的电流 它的大小反映集电结质量的好坏 ICBO越小越好 ICEO定义为基极开路 在集电极与发射极间加上一定反向电压时的集电极电流 该电流从集电区穿过基区到达发射区 所以称穿透电流 穿透电流是反映管子质量的重要参数 ICEO越小越好 a 集电结反向电流 b 穿透电流图2 13三极管的极间反向电流 3 三极管的极限参数三极管的极限参数就是当三极管正常工作时 最大的电流 电压 功率等的数值 集电极最大允许电流 当集电极的电流过大时 晶体管的电流放大系数将下降 一般把下降到规定的允许值时的集电极最大电流叫集电极最大允许电流 集电极 发射极间击穿电压 基极开路时 加于集电极和发射极间的反向电压逐渐增大 当增大到某一电压值时开始击穿 其电压叫集电极 发射极间击穿电压 集电极最大允许耗散功率 根据管子工作时允许的集电结最高温度 从而定出集电极的最大允许耗散功率 使用时应满足 否则管子将因发热而损坏 技能实训2放大电路测试测试电路图 知识点1基本共射放大电路1 组成基本共射放大电路的原理图如图所示 2 工作过程基本共射放大电路是由直流电源和交流信号共同作用的 在分析其工作过程时 可以把直流电源和交流信号分开单独分析 静态工作情况直流电源单独作用 输入交流信号为0时的工作状态叫静态 为了使放大电路能够正常工作 在静态时三极管的发射结必须处于正偏 集电结必须处于反偏 此时 在电源VCC作用下 三极管各极的直流电压 直流电流分别为 如图2 17所示的波形 实际上就是一个直流的电压或电流 图2 17直流电源单独作用 动态工作情况放大电路有交流信号输入时的工作状态叫动态 如果放大电路满足放大条件 则在交流信号作用下单独电压 电流波形如图2 18所示 放大电路满足放大条件就需要静态工作时的直流电源 因此 动态工作情况下的各极电压 电流是在直流量的基础上叠加交流量 它们的动态波形都是一个直流量和一个交流量的合成 即交流量驮载在直流量上 如图2 19 图2 19动态工作 等于直流电源叠加交流信号 结论 放大电路要正常工作 必须给三极管提供合适的静态电压和电流值 即合适的静态工作点 信号在放大过程中 其频率不变 交流信号的输入和输出波形的极性相反 或者说 共射放大电路具有反相的作用 3 静态工作点三极管放大电路的静态工作点是指没有信号输入 只在直流电源的作用下 三极管各极的直流电压和直流电流的数值 因为这些数值在输入输出特性上表现为一点 故称静态工作点 为了确定静态工作点 可以先画出直流通路 图2 20共射放大电路的直流通路 根据以上各式 可以估算出放大电路的静态工作点 静态工作点选取不合适 将使波形产生严重失真 基极电阻RB 集电极电阻RC 电源电压VCC三者决定了静态工作点的位置 在实际的放大电路中 一般情况下 VCC和集电极电阻RC是不可调的 因此设置静态工作点实际上是由基极电阻RB来调节的 为了使静态工作点处于直流负载线中点附近 基极电阻RB的近似阻值可设为 知识点2分压式偏置共射放大电路三极管构成的放大电路有很多形式 分压式偏置共发射极放大电路是最常见的一种形式 电路如图2 22所示 图2 22分压式偏置电路 1 静态工作点三极管的参数都会随着环境温度的改变而发生变化 温度对静态工作点的影响如图2 23所示 T 20 T 60 图2 23温度对静态工作点的影响 分压式偏置共发射极放大电路与前述基本共射放大电路相比 不同之处在于基极的偏置采用电阻RB1和RB2的分压形式 而且发射极接一个反馈电阻RE 该结构能使电路有稳定的静态工作点 分压式偏置共发射极放大电路从两个方面稳定静态工作点 利用电阻固定基极电位UB 利用发射极电阻RE起负反馈作用 实现静态工作点的稳定 2 电压放大倍数Au输入交流信号ui 经过放大电路放大后得到输出交流信号uo 则该放大电路的电压放大倍数为分压式偏置共发射极放大电路的电压放大倍数为 对分压式偏置共发射极放大电路进行改进的电路如图2 24所示 添加发射极电阻RE1的作用是 一方面其与电阻RE2一起稳定三极管的静态工作点 另一方面 使该放大电路的输入电阻ri增加了 可以从输入信号源获取更多的信号 图2 24分压式偏置共发射极放大电路改进型电路 分压式偏置共发射极放大电路改进型电路的电压放大倍数为 可见 改进型电路的电压放大倍数减小了 知识点3基本共集放大电路 a 共射接法 b 共集接法图2 25三极管在放大电路中的三种接法 共集接法 由三极管组成的输入输出端口电路中 集电极是输入信号ui和输出信号uo的公共极 与共射接法相同的是 采用共集接法也必须满足三极管电流放大的基本条件 即 发射结加正向电压 集电结加反向电压 图2 26是采用共集接法的基本共集电极放大电路 静态工作点为 图2 26基本共集电极放大电路 分压式偏置的共集电极放大电路如图2 27所示 该电路的静态工作点为 图2 27分压式偏置的共集电极放大电路 共同特点是 输入信号和输出信号相位一致 输入电阻大 输出电阻小 因此能有效地接收信号源的输入信号 又有利于把输出信号传送给负载 放大倍数小于1而近似等于1 因此共集电极电路又称电压跟随器 或称射极跟随器 技能实训3放大电路性能参数仿真测试测试电路图 知识点放大电路性能参数1 电压放大倍数Au电压放大倍数是表示放大电路对电压放大能力的参数 它定义为输出波形不失真时输出电压与输入电压的比值 即有时 放大倍数也可用 分贝 来表示 给放大倍数取自然对数再乘以20倍 即为放大倍数的分贝值 当输出电压大于输入电压时 叫增益 dB取正值 当输出电压小于输入电压时 叫衰减 dB取负值 当输出电压等于输入电压时 dB为0 2 输入电阻ri 图2 29放大器的等效模型 输入电阻即从放大器的输入端看进去的交流等效电阻 也即信号源的负载电阻ri 如图2 29所示 输入电阻为 图中us为信号源信号电压 Rs为信号源内阻 ui为输给放大器的信号电压 其大小为 由上式可知 ri越大 放大电路从信号源获得的信号电压越大 同时从信号源获取的信号电流ii越小 在放大电路中一般要求ri越大越好 3 输出电阻ro输出电阻是从放大器的输出端看进去的交流等效电阻r0 使输入端短路 负载u0 0 输出开路 RL 时 在输出端加信号uo 从输出端流进放大器的电流为io 则输出电阻为 输出电阻是衡量放大器带负载能力的性能参数 ro越小 输出电压uo随负载电阻RL的变化就越小 即输出电压越稳定 带负载的能力越强 所以 通常要求放大器的输出电阻越小越好 4 通频带fBW放大倍数随频率变化称频率响应 仅讨论幅值而不考虑相移时称幅频特性 当放大器的放大倍数随频率下降到中频时的0 707倍时 它对应的两个频率分别为上限截止频率fH与下限截止频率fL fH与fL之差则称放大电路的通频带fBW 知识拓展图解分析法和微变等效电路法放大电路的基本分析方法除了有近似估算法 实验测量法外 图解分析法和微变等效电路法是分析放大电路性能的基本方法 1 图解分析法所谓图解分析法 就是利用晶体管的伏安特性曲线 通过作图的方法 对放大电路的静态工作点进行分析的方法 a 直流通路的输出回路 b 输出回路的图解分析法图2 33静态工作点的图解分析法 1 静态分析 用下列步骤来确定静态工作点 由特性图示仪获得三极管的输出特性曲线 在的坐标系中作出直流负载线 直流负载线方程为 在输入回路中确定 的值一般通过估算的方法求得 对于基本共射极放大电路 确定静态工作点Q 所对应输出特性曲线与直流负载线的交点 即为所求的静态工作点 量取坐标上的值 就是所求的和的值 2 动态分析动态分析主要得到输入和输出的电压 电流量的传输关系 得出放大器所能输出的最大动态范围 图2 34输出回路的交流等效电路 动态的分析可以通过下列步骤求得 作交流负载线 由于交流负载线要通过静态工作点 又知其斜率为 根据点斜式可作出交流负载线如图2 35所示 画出iB波形 在输入特性曲线上 由输入信号ui叠加到UBE上得到uBE 而对应画出基极电流iB的波形 如图2 36 a 所示 画出的波形 在输出特性曲线上 根据的波形 可对应得到及集电极电流的变化波形 如图2 36 b 所示 综上所述 可以得到如下的结论 用图解分析方法可一目了然地看出 输出波形的三种失真和电路的静态工作点及波形的幅值有关 选取静态