单级阻容耦合晶体管放大器课程设计_[文档在线提供]

专业班级设计题目单级阻容耦合晶体管放大器设计设计者学号指导老师组员设计时间前言言通过对模拟电子技术的学习，我对这门课程深入了解，学到许多知识，如半导体二极管，三极管的应用，放大电路的分析方法和应用，负反馈放大电路与基本运算电路性能与作用，信号产生电路等。然而，随着社会的发展，电子技术也飞快发展，对电子技术的要求越来越高，所以对动手能力要求高。而我系开设了模拟电路课程设计练习，对学生的动手能力非常重要。在实际工作中，电子技术人员需要分析器件、电路的工作原理；验证器件、电路的功能；对电路进行调试、分析，排除电路故障；测试器件、电路的性能指标；设计、制作各种实用电路的样机。所有这些都离不开实验。此外，实验还有一个重要任务，是要培养正确处理数据，分析和综合实验结果、检查和排除故障的能力。同时养成我们勤奋、进取、严肃认真、理论联系实际的作风和为科学事业奋斗到底的精神。我们要掌握晶体管放大器的设计方法，研究晶体管放大器静态工作点对输出波形的影响及静态工作调整方法,通过课程设计，我们可以提高我们的动手能力和工程设计能力，为以后走向工作岗位打好基础。课程设计为我们学生创造了一个既动脑有动手，独立开展实验的机会，理论与实践有机的结合起来，锻炼分析解决实际问题的本领，真正实现由只是到智能的转化。在本次实践中，得到了本组其他组员和老师的大力支持，也得到了其他一些宝贵意见，在此一并感谢。由于时间和经验的关系，不足之处望加以批评指正，以便提高和完善2007年11月目录1、设计课题任务书42、二、设计原理5三、通过计算选择元件10四、元件、实验设备及工具清单11五、EWB仿真、PROTEL与PCB图12六、实验内容与方法14七、误差分析与解决方法17八、心得体会18九、参考文献19一、设计课题任务书（1）设计目的1学习晶体管放大器的设计方法。2研究晶体管放大器静态工作点对输出波形的影响及静态工作调整方法。3掌握静态工作、电压放大倍数和输入电阻输出电阻的测量方法。4研究信号源内阻波形失真的影响。（2）设计要求和技术指标技术指标电源电压为12V,V110MV,外接负载RL2K，工作频率FL500HZ,高频率电路稳定性好；电压放大倍数大于30，输入电阻大于2K,RO2K。2设计要求1设计一个分压式电流负反馈偏置的单级公射极小信号放大器，输入和输出分别用电容与信号源及负载之间偶合，设置静态工作点，计算电路元件参数，拟定测试方案和步骤；2在面包板或万能板上安装好电路，测量并调整静态工作点。3测量设计电路的偏置电压和电流；4测量所设计电路的实际电压放大倍数；5测量所设计电路的实际输入，输出电阻；6给所设计的电路加上频率为20KZ，大小合适的正弦波，调节偏置电阻，用示波器预测输出波形在失真，饱和失真和截止失真三种情形下，记录相应的偏置电阻大小，ICQ和波形，并绘制表格；7用EWB对电路进行仿真，打印仿真结果；二、设计原理1、工作原理晶体管放大器中广泛应用如图1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，ICQVEQVBEIBQICQ，结果抑制了ICQ的变化，从而获得稳定的静态工作点。1）静态工作情况放大器接通电源后，若无交流输入信号输入，则放大电路中只有直流电源作用，电路中的电压和电流都是直流量，此时的工作状态称为直流工作状态或静态。晶体管各极电流与各极之间的电压分别用IBQ、ICQ和UBEQ、UCEQ四个直流参数表示。它们代表着放大器的输入、输出特性曲线上的一个点，称它们为放大器的静态工作点，用Q表示，如图2所示。IBICIBQQICQ0UBEQUBE0UCEUCE图2共发射极放大器的静态工作点2）动态工作情况放大电路接入输入信号UI后的工作状态，称为动态。在动态时，放大电路是在输入电压UI和直流电压EC的共同作用下工作，因此，电路中既有直流分量，又有交流分量，各极的电流和各极间的电压都在静态值的基础上叠加一个随输入信号作相应变化的交流分量。如图3所示。由图3可得到以下结论（A）在适当的静态工作点和输入信号幅值足够小的条件下（使晶体管工作在特性曲线的线性区），晶体管各极的电流（IB、IC）和各极间的压（UBE、UCE）都是由两个分量线性叠加而成的脉动量，其中一个是由直流电源EC引起的直流分量，另一个是随输入信号UI而变化的交流分量。（B）当输入信号UI是正弦波时，电路中的各交流分量都是与输入信号UI同频率的正弦波，其中UBE、IB、IC、与UI同相，而UCE、UO与UI反相。输出电压与输入电压相位相反，是共发射极放大器的一个重要特性。UIICIC0TICUBEUBE0TUBEUCEUCE0TUCEIBIBIB0T0TUO（C）输出电压UO与输入电压UI不但是同频率的正弦波，而且UO的幅度比UI的幅度大的多，由0T此说明，UI经过电路后被线性放大了。从图3中还可以看出，只有输出信号的交流分量才能反映输入信号的变化。因此，放大器的放大作用，只图3是指输出信号的交流分量与输入信号的关系，并不包含直流分量。1放大电路的非线性失真信号通过放大器后，如果输出信号的波形与输入信号的波形不完全一致，则称为波形失真。由于晶体管特性曲线的非线性所引起的波形失真称为非线性失真。产生非线性失真的原因与放大器静态工作点选择的是否合适有关。如图4所示，由于静态工作点选择恰当，输入电压的正负半周在放大过程中得到了同等的放大。图4静态工作点Q、和IB、IC、UCE的波形如果静态工作点选择不当，而输入信号UI的幅度又较大，使得放大器的工作范围超出了晶体管特性曲线的线性区，就会产生波形失真。在放大电路中常见的失真有以下四种1）由于输入特性曲线的非线性引起的失真如图5所示，静态工作点Q选择在输入特性曲线的较低位置，而输入信号UI的幅度又较大，因此工作点Q在晶体管输入特性曲线上非线性显著的线段上移动，虽然输入信号UI是正弦波，但IB却是一个正负半周不对称的失真了的波形，如图中阴影所示，这样就导致了放大器输出信号的失真。2）由于输出特性曲线的间隔不均匀引起的失真图5图6是一个NPN型晶体管的输出特性曲线，由于特性曲线的间距不均匀，因此各点的值不相等。此时，虽然IB是不失真的正弦波，但放大电路的输出波形也会失真。假设IBQ30A，IB20SINT（A），因此，IB在50A到10A之间变化，工作点在Q1与Q2之间移动，从图6中可以看出，Q点到Q1点间的值大于Q点到Q2点间的值，这样，IB的正负半周就得到了不同程度的放大，结果造成了输出电压波形的失真，如图6中阴影所示。图6输出特性曲线的间隔不均匀引起的失真图7饱和失真3饱和失真当静态工作点Q的位置偏高，接近输出特性曲线的饱和区时，若输入电压UI的幅度较大，则在UI正半周的部分时间内，晶体管进入饱和区工作，此时IB可能不失真，如图7所示，当IB沿正半周方向增大时，工作点从Q点移动到Q1，进入了饱和区。在饱和区内，值很小，且不存在ICIB的关系。因此，虽然IB继续增大，但IC却不增加，结果IC的正半周出现了平顶，相应地UCE（UO）的负半周也出现了平顶。以后，随着IB的减少，工作点又退回到放大区内，IC与IB又恢复了ICIB的正比关系。这种由于放大电路的工作点在部分时间内进入饱和区而引起的波形失真称为饱和失真。4）截止失真图8截止失真如图8（A）所示，当静态偏置电流IBQ很小时，静态工作点Q的位置偏低，接近输入特性曲线的截止区，因此在输入电压UI的幅度较大时，在UI进入负半周的部分时间内出现UBE小于发射结导通电压的情况，此时IB0，晶体管在截止区工作，IB的负半周出现了平顶。应到晶体管的输出特性曲线上，如图8（B）所示，此时工作点移到Q1点后的一段时间内，IB、IC、UCE（UO）不随UI而变化，IB和IC的负半周出现了平顶，UCE（UO）的正半周出现了平顶。这种由于晶体管进入截止区而引起的失真称为截止失真。由以上分析，可以看出静态工作点设置不当和输入电压幅值较大是引起非线性失真的根本原因。因此，只要适当地调整静态工作点的位置使它与输入电压的幅值相适应，做到在放大过程中晶体管不进入饱和或截止状态，就可以减少或避免非线性失真。例如，要消除截止失真，就必须提高静态工作点Q的位置，使IBQIBM。这样在放大过程中工作点就不会进入截止区，这可以通过减小RB1的值来达到。如果要消除饱和失真，可以通过增大RB1的值使Q点适当地离开饱和区，也可以减小RC的值使晶体管离开饱和区。如图7所示，当RC减小时，直流负载线和交流负载线都变陡。由于直流负载线变陡（图7中虚线）而IBQ不变，静态工作点便由Q点移到QA点。从图中可以看出，当同样的IB作用时，工作点在Q点与Q点之间移动，放大器工作在放大区内，从而避免了饱和失真。另外在静态工作点确定后，适当地减小输入电压的幅值，也可以避免波形失真。4晶体三极管共发射极放大器的直流与交流参数（1）共发射极放大器的直流参数共发射极放大器的直流参数主要有IBQ、ICQ及UCEQ、UBEQ。如图1电路所示，这些直流参数的关系式如下UEQUBQUBEQUBQECRB2/RB1RB2ICQIBQUEQ/RE（1）UCEQECICQRCUEQECICQRCUBQ将已知的EC、RB1、RB2、RC、RE及值代入（1），即可算出IBQ、ICQ及UCEQ三个直流参数。（2）共发射极放大器的交流参数共发射极放大器的交流参数主要有电压放大倍数AUO、输入电阻RI与输出电阻RO、最大输出电压幅度UOM等1电压放大倍数AUO2BELIOURR式中负号表示输出电压与输入电压的相位是相反的。其中RLRC/RL，RBE称为三极管的动态输入电阻326130MAIVRCBE三、通过计算选择元件根据3DGL12的输出特性曲线。测得70。由于要求RIR1RBERWRB1/RB2/RBE2，其中RW取0所以带入数据可的ICQ26（1）/（720）MA3611MA取ICQ47MA,IBQICQ/0031MA,I1510IBQ018MA,若取47，则/ICQ2137取22，RB2Q/（Q）/30取，（）/ICQ3，用3的电阻与104的电位器串连（实验结束时，应测量电位器的具体值）要求U，根据,可得BELIOURRA2K,则RC3KCBCC10/2F（RCRL10/2F（/RBERS/1）四、设计元件及工具清单元件清单元器件单位数量大小电位器个个0三极管个112一个电阻个62个K、个22K、1个30、1个2K,1个112K电容个2个F；个F万能板块1其它导线若干，熔断丝若干，松香实验设备名称数量示波器1直流稳压电源1函数信号发生器1晶体管毫伏表2万用表1元件、面包板或印刷电路板工具清单尖嘴钳、斜口钳、镊子、刀子；烙铁、烙铁架；万用表。五、EWB仿真、PROTEL与PCB图EWB仿真图图9接线图图10UB的大小图11ICQ的大小图12调节RW使UI的电压值UI等于64V图13接入负载RL时VOL值因为断开RL时所以RI640/92642285KUO250所以R0（250/1021）RL2902K。图14EWB仿真图15波形图图16PROTEL原理图图17放大电路PCB板六实验内容与方法按照图18电路给出的元件值和电路图安装EC一个单级放大器。RW1静态工作点的测量与调整RC静态工作点由管子的IBQ、ICQ、UCEQ、UBEQRB1C2确定，IBQ很小（A数量级）一般不测它。C13DG6测量步骤RL（1）不接输入信号，调节直流电源至选定的UIRB2UO直流电压EC，接通电源。RECE（2）检查放大器各级电压，判断其是否正常工作。用万用表的直流电压档测量图18中C对地与图18分压式共射极偏置放大器电路图E对地的电压，如果UCQEC或UEQ0，则说明（图中RB13K，RW100K，ICQ0，晶体管工作在截止区；如果UCQ太小，RB230K，RC3K，例如UCQUEQUCEQ05V，则说明ICQ太大，RE24K，RL2K，使RC上压降过大，晶体管工作在饱和区。C110F，C210F，C3100F）直接测量图9中B对E的电压，对硅管来说正常的UBEQ值约为07V，锗管约为02V。当各极电压都处在正常值时，说明晶体管工作正常。（3）调整工作点用万用表的直流电压档测量UEQ，若测出的UEQ不等于47V，说明静态工作电流ICQ不等于22MA，由于ICQIBQUEQ/RE，因此可调节电位器RW的大小来改变IBQ的值，使UEQ等于47，此时由EEQCQI可计算出ICQ的值。从而达到调整静态工作点电流ICQ及电压UCEQ的目的。当调整好静态工作点后，再测量各直流电压值，将测量结果填入表1中。表1各直流电压值项目UEQ（V）UBQ（V）UCQ（V）UCEQ（V）ICQUEQ/RE测量数据4745415590552136MA2性能指标的测试按照图10所示框图连接毫伏表稳压电源毫伏表测量系统。示波器用来观测放大器的输入、输出电压波形，晶体管毫伏表用来测量放大器EC的输入、输出电压。信号UI放大器UO示波器（1）测量电压放大倍数AUO发生器调节信号发生器，使输出频率F1000HZ，UI10MV，用毫图19测试放大器性能指标的接线图伏表测量UO，并记入表2中。表2AU的测量UIUOAUOUO/UI961MV3602MV3748（2）输入电阻和输出电阻的测试1）测量输入电阻RI放大器的输入电阻反映了它消耗输入信号源的功率的大小。若RIRS（信号源内阻），放大器从信号源获取较大电压；若RIRS，放大器从信号源吸取较大电流；若RIRS，放大器从信号源获取最大功率。RIR1RBE/RB1/RB2R1RBE用“串联电阻法”测量放大器的输入电阻RI，在信号源的输出端与放大器的输入端之间，串联一个已知电阻R1K，如图11所示。在输出波形不失真的情况下，用晶体管毫伏表或示波器分别测量出US与UI的值，则6RISI式中，US信号源的输出电压。USUIRIUIR/USUI920MV640MV640/926402285K2）测量输出电阻RO放大器输出电阻的大小反映了它带负载的能力，RO愈小，带负载能力愈强。当RORL时，放大器可等效成一个恒压源。放大器输出电阻的测量方法如图12所示，电阻RL的值为2K。在输出波形不失真的情况下，首先测量未接入RL之前（即放大器负载开路时）的输出电压UO值；然后接入RL再测量放大器负载上的电压UOL值，则7）LOR1UOUOLR0250MV102MV2902KRS信放信放RO号USUIRI大号大UOLRL源器源器UO图20输入电阻的测量图21输出电阻的测量（）观察由于静态工作点选择不合理而引起的输出波形失真。将频率F1000HZ，UI10MV的信号接入放大器后1）将RW的阻值调到最大，观察输出波形是否失真（若失真不明显，可增大UI），描下失真波形和测量此时的静态工作点电流ICQ。并说明该波形属于什么失真波形2）将RW的阻值调到最小，观察输出波形是否失真（若波形为一直线，可增大RW），描下失真波形和测量此时静态工作点电流ICQ。并说明该波形属于什么失真波形将所观察到的波形与ICQ的测量值记入表4中。表4失真波形与ICQ工作点Q的变化截止时ICQUEQ/RE饱和时ICQUEQ/RE输出波形七、误差分析与解决方法BJT参数IBCO,VBE,随温度变化对Q点的影响，都表现在使Q点电流IC增加，可在两方面使IC维持稳定（1）针对ICBO响，可设法使基极电流IB随温度的升高而自动减小。（2）针对VBE的影响，可设法使发射结的外加电压随着温度的增加而自动减小。电阻大小在实际购买的时候与计算值稍有偏差，可通过串联与并联的方式减少误差。误差分析、UBEVCQUEQUCEICQ静态工作点541559V474V075V2136VIV0BELIOURRA电压放大倍数96MV36023748VIVS输入电阻测试电阻R1K920MV640MV2285KUISIVOVOL输出电阻RO负载RL2K250MV102MV29021KLOR1所以误差为AV37483677/374819RI22852284/2285004RO329/333所以误差较小符合设计的技术指标八、设计体会通过这次实验，我好好的锤炼了我的耐性。通过了几个星期的努力，我终于完成了这次设计，在设计过程中由于自己的耐心缺乏，导致设计多次终止，而且遇到的问题也不少。通过这次实验，让我深刻体会到做实验得认真仔细。做实验买元件时自己要对元件非常了解，以确保买来的元件的好坏。焊接元件时要细心，不有要把元件焊坏。测试时也要细心，在没有通电时，要检查电路是否有错误；通点时，应先观察有无异常现象，然后在进行测量。虽然做到了上面几点，但是在实际与理论还是有差异。通过这次的设计实验，更进一步地增强了实验的动手能力，让我加深了对各种电子元件功能和性能的了解。通过着次的课程设计，我意识到了自己在很多方面的不足。学习上的不足都是由于自己上课不够认真听讲及课后没有再去巩固引起的。这门课程，就我自己学习情况而言，我是一个容易学懂的同时也是一个容易忘记的我，所以在学习后面的章节的时候，前面的东西忘