实验1--阻容耦合放大器的设计与调测-------5

第三部分 模拟电子技术基础实验

实验1 阻容耦合放大器的设计与调测

3.1.1实验目的

1．能根据一定的技术指标要求设计出单级放大电路。 2．研究单级低频小信号放大器静态工作点的意义。 3．掌握放大器主要性能指标的测试方法。 4．掌握用射随器提高放大器负载能力的方法。

3.1.2实验原理与设计方法

在晶体管放大器的三种组态中，由于共射极放大器既有电流放大，又有电压放大，所以在以信号放大为目的时，一般用共射放大器。分压式电流负反馈偏置是共射放器广为采用的偏置形式，如图3.1.1.所示。它的分析计算方法，调整技术和性能的测试方法等，都带有普遍意义，并适用多级放大器。

R u 图 3.1.1单组阻容耦合放大器

电路中Rc 为晶体管的直流负载，其交流负载由Rc 与外接负载R L 组成。由R b1、R b2及R C 组成电流反馈式偏置电路，发射极交流旁路电容C e 是用来消除R e 对信号增益的影响，隔直电容C l 、C 2是将前一级输出的直流电压隔断，以免影响后一级的工作状态，同时将前一级输出的交流信号耦合到后一级。

1．静态工作点

放大器的静态工作点是指当放大器没有信号输入时，晶体管各极的直流电流和直流电压在特性曲线上所决定的点。

静态工作点选择是否合理，将直接影响放大特性的好坏，为使信号得到不失真的放大，放大器的工作点一般选在线性区的中点。但在小信号放大器中，由于输入信号小，运用范围也小，工作点可选低一些，以减少直流功耗。

通常，为了使工作点稳定，应先稳定I CQ ，而I CQ ≈I EQ ，因此，只要稳定了I EQ 也就稳定了I CQ ，如能满足I 1≥I BQ ，V B ≥V BE ，则2

12

b b b CC B R R R V V +=几乎与晶体管的参数无关，可近似值看成

是恒定的。

而 e

BQ e

BE

BQ e

EQ EQ R V R I V R V I ≈

-=

=

这样可以看成是稳定的。 在选择偏置电路元件参数时，既要考虑到满足工作点稳定的条件，同时又要兼顾电路其它方面（如放大倍数）的性能，因此，一般选取

β

CQ

BQ BQ

I I I I =

≥)10~5(1

BE BQ V V )10~5(≥ (3.1.1)

因此V BQ ≥V BE ∴V BQ ≈V EQ

I CQ =βI BQ

V CEQ ≈V CQ R C —V EQ （3.1.2）

由电路可得偏置元件的计算公式

CQ

BE

BQ EQ

EQ

e BQ

CC b BQ

BQ BQ b I V V I V R I V V R I V I V R -≈=

-=-=

=111

2)105(

实际中R b1通常用一固定电阻与电位器串联，以便调整工作点I BQ 。

电源电压V CC 的变动，负载R C 的改变都会影响静态工作点，因此，静态工作点就取决于I BQ 的选择，调节偏置电阻R b1值，从而使工作点尽量选在交流负载线的中央。

2．动态范围（最大输出幅度）

放大器的最大不失真输出信号的峰值称为放大器的动态范围，则=OPP V OM V 2

O V 22=。

动态范围的大小，与V CC 、R C 及工作点均有关系。只要选择适当，就能保证得到所需的动态范围。

（1）选择电源电压的动态范围

如设计要求有一定的动态范围，应根据R L 、V OPP 、V E 来选择放大器的工作状态。则

E CES om CC V V V V ++≥)2(5.1 （3.1.4）

因V CES 为晶体管的反向饱和压降，一般小于1V ，计算时可取为1V 。V E 为晶体管的射极电压。一般锗管取（1～3）V ，硅管取（3～5）V 。

（2）选择直流负载R C

当V CC 确定后，根据对动态范围的要求，可选定R C 值。

L om

CES

CC C R V V V R )2'(

-= (3.1.5)

其中，V CC ′=V CC －V E

3.1.5或适用于多级放大器，对于单级放大器的直流负载电阻R C ，可按给定的R L 、β、R S 值算出。

（3.1.3）

bc

S L r R R AV +-=

'

β

（3）确定静态工作点Q

C

om CES CC CQ

CES om CEQ R V V V I V V V )'(-=

+= 计算出V CEQ 及I CQ 后，应作直流与交流负载线，如果选择的Q 点不符合要求，可在V CC 的选择上作出修改，若按3.1.5式计算出的R C 也要作相应的修改。

3．频率特性

阻容耦合放大器，由于耦合电容C 1、C 2及旁路电容C e 的存在，以及分布电容，分布电感及晶体管结合电容存在等因素，将直接影响放大器的增益A V ，使A V 随信号频率而变化，其变化曲线称为频率响应曲线。如图3.1.2。

f

图3-1-2 频率特性曲线

对于低频放大器的设计，高频特性的考虑只要在选择晶体管时，满足f β≥f H 就可以了。重点考虑低频特性满足技术的要求。因此，在计算耦合电容和旁路电容时，可按下列公式计算。（在R b ≥r be 的情况下）

)10~3()

(1

1?+=be S L r R C ω (3.1.6) )10~3()

(1

2?+=

L C L R R C ω (3.1.7)

)

(1

)

1(be S L e r R C ++=ωβ (3.1.8)

4．放大倍数

放大倍数是反映放大电路对信号放大能力的一个参数，有电压放大倍数、电流放大倍数之分，电压放大倍数是指输入，输出电压的有效值（或峰值）之比：

i

o

V V AV =

由图3.1.1的等效电路可得

be

S L r R R AV +=

'

β (3.1.9)

放大倍数为测量，实际上是交流电压的测量，对于低频弦电压，可用晶体管毫伏表直接测量u i 及u o 。而对非正弦电压可通过示波器比较法进行测量，测量仪器连接如图3.1.3所示。

图 2.1.3 测量放大倍数的方框图

为了避免不必要的机壳间的感应和干扰，必须将所有仪器的接地端连接在一起。

示波器接在放大器的输出端，用于观察输出信号是否有失真（对于正弦波电压，应无明显的削波现象），因而，测量放大倍数，必须是在输出信号不失真条件下的放大倍数。知信号波形已经失真，再测量放大倍数就毫无意义了。

5．设计步骤

通常是根据技术指标的要求，选择晶体管；确定电路形式；确定静态工作点；电源电压和电路元件数值；进行复核验算；直到达到要求，然后通过实验调试修改电路参数来达到指标要求。其具体步骤如下：

1）选择晶体管。首先要考虑两点，其一，晶体管的f β≥f H ,（可在手册上查找）其二，根据对动态范围的要求，应保证晶体管BV CED >2V om ,最大的集电极电流I CM >2I CQ ，若为我级放器，则末级的最大耗散功率P CM >P O 。

2）确定电路形式。一般选取容易满足主要技术指标要求的某种类型的电路。

3）根据放大倍数的公式，估算放大倍数，能满足要求就用单级，否则可考虑用多极。 4）根据输出动态范围和发射极电压V E ，按（3.1.4）式来确定电源电压V CC ，在确定时注意规格化。通常用的有6、9、12、15、21、24、30伏等几种。

5）选择基级电流I BQ ，I BQ 的选择应考虑不使放大器产生截止失真。因为晶体管的输入特性曲线下面部分弯曲得很厉害，会产生严重失真。因此最小电流应不小（10～20）μA 。I BQ 应满足I BQ >I Bm +（10～20）μA 。I bm 为基极交流i b 的最大幅值。

be

i

m B r V I =

6）根据温度稳定性的要求，计算偏置电路元件，R b1、R b2、R e 等。

7）选择直流负载电阻R C ，R C 对放大倍数，动态范围，通频带都有影响。可根据主要指标来选择。

8)根据下限频率的要求，确定C 1，C 2及C e 等。 9)所计算出的电阻值，电容值应取标称系列值。 10)复核验算

根据放大倍数公式有及Vcc=V om +V CES +I CQ (Rc+Re)，验算A V 和V CC 是否符合给定要求。

3.1.3、设计电路技术指标

1.基本要求 : 设计一个工作点稳定的阻容藕合放大器。 要求：A V ≥50，动态范围V OPP =3V ，通频带B W 为50H Z ～10KH Z 。

已知：R L =3.6K Ω，R S =600Ω，u 1=10mV ，r be =1K Ω.晶体管用9013β≥50

电位器：100K Ω、、47K Ω

2．扩展要求

在单级放大器中，若负载电阻太小，共发射极放大器的增益和动态范围将会变小，因此

需要加一共集电极电路进行隔离（缓冲）。

1) 设计共集电极电路晶体管用9013，负载电阻R L =500Ω，要求总增益不变。 2）按设计参考电路进行计算机仿真实验，调整元件差值达到设计要求。

3）在单级放大器输出端加上共集电极电路组成两级放大器，在实验板上搭建电路，实际测试两极放大总的增益A V 以及R i 、R 0

3.1.4、实验内容

1.静态工作点的调试

用万用表的直流电压档测量所设计电路中集电极对地，发射极对地的电压时，如果Vc=Vcc 或VE=0，则说明Ic=0，晶体管工作在截止区；如果Vc 太小，即Vc —VE=VCE ≤0.5V ，则说明Ic 太大，使R C 上降压过大，晶体管工作在饱和区。上述两种情况都是静态工作点选择不合理，应调整R b1,，使I CQ ，V CEQ 符合规定值。

在判明放大器不截止，也不饱和后，调节Rb1值，使工作点达到计算值，测量晶体管各极电压值。

V 按图3.1.3接好线路，调节低频信号发生器，使输入f=1000Hz ，u 1=10mV 的信号，将此信号接至放大器的输入端，用示波器观察输出波形，在波形不失真的情况下，用晶体管毫伏表测量出u 0。

3L 将外接载R L 分别换成1K Ω和27K Ω，在波形不失真的情况下，测量V 0，得出结论。

4只改变C C R R 2

1

'≈

，观察输出波形，并测量V E 、V B 、V C 用晶体管毫伏表测量u o ，计算Av ，与设计的Rc 值所测试的结果相比较，得出结论。

5．观察静态工作点的变化，对放大器输出波形的影响，保持Vcc 、Rc 及u i 不变，改变R bi 值，使工作点偏低(引起截止失真)和偏高(引起饱和失真)，用示波器观察并绘下放大器输出的波形，并用测试数据说明是何种失真波形。

相比较。

3.1.5、实验仪器

1．直流稳压电源 1台 2．函数信号发生器 1台

3．双踪示波器 VP--M5220A--1型 1台

4．晶体管毫伏表 1台

5．万用表 500型 1只

3.1.6、预习与实验报告

1．根据技术指标设计好电路，写出设计过程并绘出电路图。

2．用EDA技术对电路进行仿真，打印出仿真结果以备与实验测试结果相比较。

3．整理和计算测量效据，并列成表格。

4．将设计值与测试结果放大器的输出电压有什么影响?在何种情况下，可近似认为对输出电压没有影响?

3.1.7实验研究与思考题

1．在测量过程中，为什么所有仪器的公共端(接地端)要连接在一起?

2．在计算放大倍数Av时，输入信号u i用低频信号发生器输出端开路测量得的值和用低频信号发生器输入接入放大器测得的值，有什么不同?在什么条件下，可以近似看成一样?

3．单管放大器，在输入正弦信号不变的条件下：

1)使其有最大不失真输出波形，应调整什么元件．

2)R b1变大，工作点如何变化?

3)V CC升高，工作点如何变化?

4．判别放大器工作在截止或饱和的方法有哪些?

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