单管放大电路的设计.docx

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1、第2章单管放大电路的设计2.1 单管放大电路方案设计2.1.1 工作原理晶体管放大器中广泛应用如图1.1.1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 要由RB1、FB2、 RE、RC&电源电压+VCM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I 1 IBQ当温度升高时，I CQf f VEQT - VBEJ - I BC 一 I CN , 结果抑制了 ICQ勺变化，从而获得稳定的静态工作点.图2.1.1阻容耦合共射极放大器2.1.2 静态工作情况：放大器接通电源后，当所输入交流信号为零时，则放大电路中只有直

2、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Ibs 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2的静态工作点，用Q表示.如图2.1.2所示图2.共发射极放大器的静态工作点 图2.1.2静态工作点2.1.3 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

3、。如图 2.1.3所示。图2.1.3信号的动态变化由图2.1.3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u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u be、i b、i c、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。(c)输出电压Uo与输入电压Ui不但

4、是同频率的正弦波，而且 Uo的幅度比 Ui的幅度大的多，由此说明，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。2.1.4 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 2.1.4a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 2.1.4a静态工

5、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3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214b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。图5图2.1.4b输入特性曲线的非线性引起的失真2)由于输出特性曲线的间隔不均匀引起的失真

6、；图2.1.4c是一个N P N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B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Ib30n A, ib=20sincot (A),因此，iB在50A 到10pA之间变化，工作点在 Q与Q之间移动，从图6中可以看出，Q点到Q 点间的B值大于Q点至I Q点间的B值，这样，i b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 2.1.4c中阴影所示。图214c输出特性曲线的间隔不均匀引起的失真图214d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

7、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，止匕时 ib 可能不失真，如图2.1.4d所示，当ib沿正半周方向增大时，工作点从 Q点移动 到Q,进入了饱和区。在饱和区内，B值很小，且不存在ic=Bib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i b又恢复了 i c= B i b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(b)5图2.1.4e截止失真如图1.4.5 (a)所示，

8、当静态偏置电流Ib4艮小时，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iB=0,晶体管 在截止区工作，ib的负半周出现了平顶。对应到晶体管的输出特性曲线上，如图 2.1.4e (b)所示，此时工作点移到 Q点后的一段时间内，ib、ic、Uce (u。)不随 Ui而变化，i b和i c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

9、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I BQ i bm.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Ri的值 使Q点适当地离开饱和区， 也可以减小R的值 使晶体管离开饱和区。如图2.1.4e (b)所示，当R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 2.1.4 (b)中虚线) 而Ib不变，静态工作点便由Q点移到Q点。从图中可以看出，当同样的ib作用 _ _ . . .

10、 . . . 、 .一 、.一 . .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。2.2 参数计算与元件选择：1)直流参数共发射极放大器的直流参数主要有Ib6 Icq及UCeq UBeq如图2.1.1电路所示， 这些直流参数的关系式如下：UEq = Ubq-Ubeq 忠 Ubq= Ec Rb2 / ( R b1+Rb2 )、I CQ= PI BQ= Ueq/R e(2.2.1)U CEQ= Ec -I cQR： - U eq : E C - I cQRd - U BQ -将已知的Ec、R1、

11、R2、R、R及P值代入(1),即可算出Ibqs I CQ及UCeE个7直流参数。2）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A。、输入电阻R与输出电阻R、最大输出电压幅度 Um等：1）电压放大倍数Ao：(2.2.2)式中负号表示输出电压与输入电压的相位是相反的。其中 Rl= Rc / R lr be称为三极管的动态输入电阻：rbe(2.2.3)3）元件的选择：通过万用表直接测得B =75由于要求 R=r be=300+(1+ B )26mv/I EQmA24所以，I cq (26 0 / (2000- 3 0)mA=1.14mA取 I c产 0.9mA, I bq=I X 0 =12

12、pA,I 1=(5 10) I bq=120 A,Rbi = (Vcc Mq) / I =若取Veq= 0.25, VCC = 3V,则R E = V EQ/ I CQ= 3.33 K Q若我们把R e取3.3KQ ,Rb2=WI i=(Vbe+VE训 1=31 KQ ,取33 KQ 89K Q ,用2.2 K Q的电阻与100 Kq的电位器用连（实验结束时，应测量电位器的具体值）要求Au 30.根据人=U = _pRL 可得 R=2kQ ,WJR=2.2k Q oUirbe ,CB= Cc= 10/2 兀 f l Rc+R)=10 p FCe= 1 /2 Ttf l (Re/Rs = rbe

13、+R/1 + B ) = 100uf.19第3章、实验仿真与调试3.1 EWB仿真图：按照图3.1.1电路给出的元件值和电路图接线一个单级放大器。00k OhCihm12 V图 3.1.1静态工作点的测量接线图如下：2.2 k Ohm3DG1 12LRJ/1 00 k Ohm33 k Ohm3.3 k Ohm图 3.1.2由图 3.1.2可读出：Ubq=3.794VJ j Duy VIRjnookQhm2.2 kOhm1 k Ohm %33 k Ohm3.3 kOhmFlMOOkOhm2 2k Ohm图 2.1.3由图 3.1.3可读出：UEQ=3.099V图 2.1.4由图 3.1.4可知

14、UceQ=7.969V0工10 uF2 k OlliuFr iooRjnoo kOh2.2 k Ohm3DG11233 kOhm3.3 k OhmTC；7%22kOhm:5.口口7 mU1 0 rtvnKHzJrb Dvu输入Ui为F/100 kJhmI22 kOhnjiQuF12 V367 3m V图 3.1.6- 2 O_LW175.1m图 3.1.51KHz,10mv,改变 R 使 U2=Ui/2，测得 Ri=R=2.7K图 3.1.7在波形不失真的情况下（如图16所示），测得Ro=2.18K Q图 3.1.83.2 电路的调试过程与方法按照图3.2.1分压式共射极偏置放大器电路图以及所

15、给出的元件值安装UiRwRcRb1十RuoceCeRe+Vcc-ocl出Rb2一个单级放大器图中：Rbi =2.2k Q ,Rw=100k Q ,Ro2=33kQ, Rc=2.2k QCi=10 妤，C2=10 妤，C3=100 尸）图i7.分压式共射极叫哭卞照顾！I射极偏置放大器D静态工作点的测量与调整：静态点由管子的Ibq、Icq UCeq UBeq确定，IbQ很小（NA数量级）一般不测 它。测量步骤：a）不接输入信号，调节直流电源至 选定的直流 电压Ec,接通电源。b）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17分压式共射极偏置放大 器电路图e对地

16、的电压，如果UCq= Ec或UEq= 0则说明Icq= 0,晶体管工作在截 止区；如果UC从小，例如UCq UEq= Uceq R （信号源内阻），放大器从信号源获取较大电压；若 R Rs,放大器从信号源吸取 较大电流；若R = Rs,放大器从信号源获取最大功率。Ri = r be / R bi/ R b2 : r be用“串联电阻法”测量放大器的输入电阻R ,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 R （R值的数量级应接近于R的值），如图20 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U的值，则Ri =UiUs-Ui(3.2.1 )式中，US 一

17、一信号源的输出电压如表2.2.3表 3.2.3UsUiRi=UiR/(Us-Ui)5.5mV3mV2.76 Kb）测量输出电阻R放大器输出电阻的大小反映了它带负载的能力， R愈小，带负载能力愈强。 当Rvv Rl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21所示，电阻R的值应接近于R。在输出波形 不失真的情况下，首先测量未接入 R之前（即放大器负载开路时）的输出电压 U0值；然后接入R再测量放大器负载上的电压 E值，则UoUolRo180 mV86mV2.18KRo -(3.2.2信号据s图32K0图3.2.4输制蒯即崛的测量3）观察由于静态工作点选择不合理而引起的输出波形失真

18、：将频率f = 1000Hz , U =10mV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u）描下失真波形和测量此时的静态工作点电流1。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FW）,描下失真波形和测量此时静态工作点电流 I cq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2.2.4中。表2.2.4 失真波形与 Icq工作点Q的变化截止时 Icq= UE Q R. =0.43饱和时 I cq= UEq/ R=1.17输出波形2.3误差分析与解决方法a) .

19、BJT参数IBCO,VBE,B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的影响，可设法使基极电流 旧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。b) .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：表2.3.1 各测量值静态工作占八、UBqVcQUE qUCeqI CQ3.5V10.1V2.8V7.3V0.85mA电压放大倍数ViV0一，Auo= -BRUibe10mV333.1mV33.1输入电阻ViVs测试电阻=2.76K3mV5.5mVRi=UsU：UiR输出电阻Ro日Rl=2.18KVoVol凡几-1%180mV86mV所以误差为：T Av=(33.1-31)/33.1 % = 6.3%T Ri=(2.76-2.7)/2.76 %=2.2%Y Ro=(2.18-2)/2.18 %=8%所以误差较小符合设计的技术指标.