单管放大电路的设计

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Q主要由R B1、R B2、R E、R C及电源电压+V CC所决定。该电路利用电阻R B1、R B2的分压固定基极电位V BQ。如果满足条件I1>>I BQ，当温度升高时，I CQ↑→V EQ↑→V BE↓→I BQ↓→I CQ↓，结果抑制了I CQ的变化，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I

BQ 、I

CQ

和U

BEQ

、U

CEQ

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2.1.2所示。

I BE

U BEQ

CE

CE

I CQ

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u i 后的工作状态，称为动态。在动态时，放大电路是在输入电压u i 和直流电压E c 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2.1.3所示。

（2）

I

wt

I C

(3)

(4)

(5)

(6)

wt

U CE

图3.动态分析

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（I

B 、I

C

）和各极间的压（u

BE

、u

CE

）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E

C

引起的直流分

量，另一个是随输入信号u

i

而变化的交流分量。

（b）当输入信号u

i 是正弦波时，电路中的各交流分量都是与输入信号 u

i

同频率的正弦波，其中 u

be 、i

b

、i

c

、与 u

i

同相，而u

ce

、u

o

与u

i

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u

o 与输入电压u

i

不但是同频率的正弦波，而且u

o

的幅度比

u i 的幅度大的多，由此说明，u

i

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 静态工作点Q、和i B、i C、u CE的波形

如果静态工作点选择不当，而输入信号u

i

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2.1.4b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u

i

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u

i 是正弦波，但i

b

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；

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β值不相等。此时，虽然i

b

是不失真的正弦波，但放大电路

的输出波形也会失真。假设I

BQ =30μA，i

b

=20sinωt （μA），因此，i

B

在50μA

到10μA之间变化，工作点在Q

1与Q

2

之间移动，从图6中可以看出，Q点到Q

1

点间的β值大于Q点到Q

2点间的β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2.1.4c输出特性曲线的间隔不均匀引起的失真图2.1.4d 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

u i 的幅度较大，则在u

i

正半周的部分时间内，晶体管进入饱和区工作，此时i

b

可能不失真，如图2.1.4d所示，当i

b

沿正半周方向增大时，工作点从Q点移动

到Q

1，进入了饱和区。在饱和区内，β值很小，且不存在i

c

=βi

b

的关系。因此，

虽然i

b 继续增大，但i

c

却不增加，结果i

c

的正半周出现了平顶，相应地u

ce

（u

o

）

的负半周也出现了平顶。以后，随着i

b 的减少，工作点又退回到放大区内，i

c

与i

b 又恢复了i

c

=βi

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

图2.1.4e 截止失真

如图1.4.5（a）所示，当静态偏置电流I

BQ

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u

i 的幅度较大时，在u

i

进

入负半周的部分时间内出现u

BE 小于发射结导通电压的情况，此时i

B

=0，晶体管

在截止区工作，i

b

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

1点后的一段时间内，i

b

、i

c

、u

ce

（u

o

）不随

u i 而变化，i

b

和i

c

的负半周出现了平顶，u

ce

（u

o

）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R b1的值来达到。如果要消除饱和失真，可以通过增大R b1的值 使Q 点适当地离开饱和区，也可以减小R c 的值 使晶体管离开饱和区。如图2.1.4e （b ）所示，当R c 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I BQ 不变，静态工作点便由Q 点移到Q A 点。从图中可以看出，当同样的i b 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。

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I BQ 、I CQ 及U CEQ 、U BEQ 。如图2.1.1电路所示，这些直流参数的关系式如下：

U EQ = U BQ -U BEQ ≈ U BQ = E C R b2 / ( R b1+R b2 )

I CQ = βI BQ = U EQ /R e (2.2.1) U CEQ = E C -I CQ R C - U EQ ≈ E C - I CQ R C - U BQ

将已知的E C 、R b1、R b2 、R c 、R e 及β值代入（1），即可算出I BQ 、I CQ 及U CEQ 三个直流参数。 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 uo 、输入电阻R i 与输出电阻R o 、最大输出电压幅度U om 等： 1) 电压放大倍数A uo ：

be

L

i o uo r R u u A '

β-== (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R 'L = R c // R L ， r be 称为三极管的动态输入电阻：

)()

(26)(300mA I mV r c

be

β+Ω≈ (2.2.3) 3）元件的选择：

通过万用表直接测得β=75。

由于要求R i=r be =300+(1+β)26mv/I EQ mA>2k Ω所以，I CQ （26β/（2000-３0）mA=1.14mA ，取I CQ ＝0.9mA, I BQ =I CQ / β＝12μA,I 1=(5～10) I BQ =120μA ， 若取ＶＥＱ＝ ０.25 ，ＶＣＣ＝3Ｖ，则ＲＥ＝ＶＥＱ/ I CQ ＝3.33ＫΩ若我们把 ＲＥ取3.3K Ω,R B2=V BE /I 1=(V BE +V EQ )/I 1=31 K Ω,取33 K Ω,R Ｂ１＝（V ＣＣ－V ＢＱ）/Ｉ＝89ＫΩ，用2.2ＫΩ的电阻与100 K Ω的电位器串连（实验结束时，应测量电位器的具体值）要求Au ＞30.

根据be

L

i o uo

r R u u A '

β-==,可得R Ｌ＝2k Ω,则R C =2.2k Ω C B = C C >= 10/2πf Ｌ Rc+R L )=10μF

C Ｅ＞＝１/2πf Ｌ（R Ｅ/R Ｓ＝r be +R S /1＋β）＝100uf.

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。

图3.1.1

静态工作点的测量接线图如下：

图3.1.2

由图3.1.2可读出：U BQ=3.794V

图2.1.3 图2.1.4

由图3.1.3可读出:U EQ=3.099V由图3.1.4可知U CEQ=7.969V

图3.1.5

输入Ui为1KHz,10mv,改变R使U2=U i/2,测得R i=R=2.7KΩ

图3.1.6

图3.1.7

在波形不失真的情况下(如图16所示)，测得R O=2.18KΩ

图3.1.8

3.2 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给出的元件值安装一个单级放大器。

图17.分压式共射极偏置放大器电路图图中：R b1=2.2kΩ，R w=100kΩ，

R b2=33kΩ，R c=2.2kΩC1=10μF，C2=10μF，C3 =100μF）

图3.2.1 分压式共射极偏置放大器

1）静态工作点的测量与调整：

静态点由管子的I BQ 、I CQ 、U CEQ 、U BEQ 确定，I BQ 很小（μA 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E C ，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 对地的电压，如果U CQ = E C 或U EQ = 0则说明I CQ = 0，晶体管工作在截止区；如果U CQ 太小，例如U CQ －U EQ = U CEQ ≤ 0.5V ，则说明I CQ 太大，使R c 上压降过大，晶体管工作在饱和区。直接测量图9中b 对e 的电压，对硅管来说正常的U BEQ 值约为0.7V ，锗管的值为0.2V 。当各极电压都处在正常值时，说明晶体管工作正常。

c)调整工作点:用万用表的直流电压档测量U EQ ，若测出的U EQ 不等于2.4V ，说明静态工作电流I CQ 不等于1.0mA ，由于I CQ = βI BQ = U EQ / R e ，因此可调节电

位器R W 的大小来改变I BQ 的值，使U EQ 等于 2.4V ，此时由：

e

EQ

EQ CQ R U I I =≈可计算出I CQ 的值。从而达到调整静态工作点电流I CQ 及电压

U CEQ 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3.2.1中。

表3.2.1 各直流电压值

2)性能指标的测试：

按照图2.2.2所示框图连接测量系统。用示波器用来观测放大器的输入、输出电压波形，用晶体管毫伏表用来测量放大器的输入、输出电压。

图19测试放大器性能指标的接线图图3.2.2 测量系统接线图

（1）测量电压放大倍数A

uo ：调节信号发生器，使输出频率f = 1000Hz，U

i

=10mV，

用毫伏表测量U

o

，并记入表2中。

表3.2.2 A u的测量

（2）输入电阻和输出电阻的测试：

a)测量输入电阻R i

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R

i >> R

s

（信

号源内阻），放大器从信号源获取较大电压；若R

i << R

s

，放大器从信号源吸取

较大电流；若R

i = R

s

，放大器从信号源获取最大功率。

R

i = r

be

// R

b1

// R

b2

r

be

用“串联电阻法”测量放大器的输入电阻R

i

，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

i

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U

s

与

U

i

的值，则

R U U U R i s i

i

-= （3.2.1） 式中，U s ??信号源的输出电压如表2.2.3

表3.2.3

b)测量输出电阻R o

放大器输出电阻的大小反映了它带负载的能力，R o 愈小，带负载能力愈强。当R o << R L 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 L 的值应接近于R o 。在输出波形不失真的情况下，首先测量未接入R L 之前（即放大器负载开路时）的输出电压U o 值；然后接入R L 再测量放大器负载上的电压U oL 值，则

L oL o

o R U U R ???? ??-=1 (3.2.2）

图20 输入电阻的测量

图21 输出电阻的测量

图3.2.3 输入电阻的测量 图3.2.4 输出电阻的测量

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：

将频率f = 1000Hz，U

i

=10mV的信号接入放大器后：

(1)将R

W

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

i ）描下失真波形和测量此时的静态工作点电流I

CQ

。并说明该波形属于什么

失真波形？

(2)将R

W

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R

W ），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I

CQ

的测量值记入表2.2.4中。

表2.2.4 失真波形与 I CQ

2.3 误差分析与解决方法

a)．BJT参数IBCO,VBE,β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。

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

所以误差为：γAv=(33.1-31)/33.1 % = 6.3% γRi=(2.76-2.7)/2.76 %=2.2%

γRo=(2.18-2)/2.18 %=8%

所以误差较小符合设计的技术指标.