晶体管放大器的设计..

晶体管放大器的设计一、实验目的1. 熟悉晶体管放大器的工作原理，体会晶体管放大器的作用。

2. 掌握晶体管放大器静态工作点的测试和调整方法以及测量晶体管放大器各项动态性能指标的方法。

3. 学习和掌握设计、调试具体晶体管放大器电路的方法与技能。

二、实验原理 (一) 设计原理1.工作原理及基本关系式 (1)工作原理。

晶体管放大器中广泛应用如图1所示的电路，该电路称为阻容耦合共射极放大器，它采用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e c b b R R R R 、、、21及电源电压CC V +所决定。

该电路利用电阻1b R 、2b R 的分压固定基极电位bQV 。

如果满足条件bQI I >>1，当温度升高时，↓↓→↓→↑→↑→cQ bQ be eQ cQ I I V V I ，结果抑制了cQI 的变化，从而获得稳定的静态工作点。

图1 阻容耦合共射极放大器(2)基本关系式。

当bQI I >>1时，才能保证bQV 恒定，这是工作点稳定的必要条件，一般取⎪⎭⎪⎬⎫==锗管）硅管）()20~10(()10~5(11bQ bQ I I I I （1） 负反馈越强，电路的稳定性越好。

所以要求bebQ V V >>，即bQV =（5~10）beV ，一般取⎪⎭⎪⎬⎫==锗管）硅管）()3~1(()5~3(V V V V bQ bQ （2）电路的静态工作点有下列关系式确定：cQeQ cQbebQ e I V I V V R =-≈（3）对于小信号放大器，一般取mAmA I cQ 2~5.0=CCeQ V V )5.0~2.0(=βcQbQ bQ b I V I V R )10~5(12=≈（4）21b bQbQCC b R V V V R -≈（5）)(e c cQ CC ceQ R R I V V +-≈ （6）2. 性能指标与测试方法晶体管放大器的主要性能指标有电压放大倍数V A 、输入电阻i R 、输出电阻0R 及通频带W B 。

对于图1所示电路，各性能指标的计算式与测试方法如下： (1)电压放大倍数beLiV r R V V A '-==•••β0（7）LR '=L c R R // ；be r 为晶体管输入电阻，即 )()(26300)()(26)1(mA I mV mA I mV r r cQ eQ b be ββ+≈++= （8） 测量电压放大倍数，实际上是测量放大器的输入电压•i V 与输出电压•0V 的值。

在波形不失真的条件下，如果测出i V （有效值）或im V （峰值）与0V （有效值）或m V 0（峰值），则imm i V V V V V A 00==（9）(2)输入电阻为be b b be i r R R r R ≈=21//// （10） 其测试电路如图2所示。

放大器的输入电阻反映了放大器本身消耗输入信号源功率的大小。

若si R R >>（信号源内阻），则从信号源获得最大功率。

用“串联电阻法”测得放大器的输入电阻i R ，即在信号源输出与放大器输入端之间串联一个已知电阻R （一般以选择R 的值接近i R 的值为宜），如图2所示。

输出波形不失真情况下，用晶体管毫伏表或示波器分别测量出s V 与i V 的值，则有图2 输入电阻的测试电路RV V V R i s ii -=（11）式中s V 为信号源的输出电压值。

(3)输出电阻为c c R R r R ≈=//00 （12） 式中0r 为晶体管的输出电阻。

放大器输出电阻的大小反映其带负载的能力，0R 越小，带负载的能力越强。

当<<0R L R 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3所示，电阻L R 应与0R 接近。

在输出波形不失真的情况下，首先测量未接入L R 即放大器负载开路时的输出电压0V 的值；然后接入L R 再测量放大器负载上的电压L V 0的值，则有LL R V V R ⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=1000 （13） (4)频率特性和通频带。

放大器的频率特性包括幅频特性()ωA 和相频特性()ωϕ。

()ωA 表示增益的幅值与频率的关系；()ωϕ表示增益的相位与频率的关系；ϕ是放大器输出信号与输入信号间的相位差。

图3 输出电阻测试电路放大器的频率特性如图4所示，影响放大器频率特性的主要因素是电路中存在的各种电容元件通频带WB =H f —L f (14)式中，H f 为放大器的上限频率，主要受晶体管的结电容及电路的分布电容的限制；L f 为放大器的下限频率，主要受耦合电容b C 、c C 及射极旁路电容e C 的影响。

fA U A .U 7070L H图4 放大器的频率特性要严格计算电容b C 、c C 及e C 同时存在时对放大器低频特性的影响，较复杂。

在实际设计中，为了简化计算，通常以每个电容单独存在时的转折频率为基本频率，再降低若干倍作为下限频率。

电容b C c C 及e C 单独存在时所对应的等效回路如图5（a ）、图5（b ）、图5（c ）所示。

如果放大器的下限频率L f 已知，则可按式（15）～式（17）进行估算b C ≥（3～10）()be S L r R f +π21（15）≥c C （3～10）()L C L R R f +π21(16)e C ≥（1～3）⎪⎪⎭⎫⎝⎛++βπ121be S e L r R R f （17）通常取b C =c C ，可在式（15）与式（16）中选电阻最小的一式求b C 或cC 。

rbe（a ）bC 等效 (b)c C 等效 (c)eC 等效图5 与电容bC 、cC 及eC 对应的等效电路放大器的幅频特性可通过测量不同频率时的电压放大倍数V A 来获得。

通常采用“逐点法”测量放大器的幅频特性曲线。

测量时，每改变一次信号源的频率（注意维持输入信号S V 的幅值不变且输出波形不失真），用晶体管毫伏表或示波器测量一个输出电压值，并计算增益，然后将测试数据i f 、)201(v v gA A 表，整理并标于坐标纸上，再将其连接成曲线，如图4所示。

如果只要求测量放大器的通频带W B ，首先测出放大器中频区（如kHzf 10=）出电压V 。

然后升高频率直到输出电压降到0.7070V 为止（维持s V 不变），此时所对应的信号源的频率就是上限频率H f 。

同理，维持s V 不变降低频率直到输出电压降到0.707 0V 为止，此时所对应的频率为下限频率L f ，放大器的通频带L H W f f B -=。

根据设计题目绘制实际电路图， 电路的安装与调试。

(二)电路的安装与调试 1. 静态工作点的测量与调整根据设计计算所得的元件参数组装电路（应尽量按照电路的形式与顺序布线）。

通电前，先用万用表检测连接导线是否接触良好，然后接通电源，测量电路的静态工作点。

测量方法是不加输入信号，将放大器输入端（耦合电容b C 左端）接地。

用万用表分别测量晶体管的基极、发射极和集电极对地的电压BQV 、EQV 及CQV 。

如果出现CCCQ V V ≈，说明晶体管工作在截止状态；如果VV CEQ 5.0<，说明晶体管已经饱和。

遇到上述两种情况，或者测量值与所设置的静态工作点偏离较大时，都需要调整静态工作点。

调整方法是改变放大器上偏置电阻1B R 的大小，即调节电位器的阻值，同时用万用表分别测量晶体管各极的电位BQV 、EQV 及CQV ，并由式（6）计算CEQV 及由式（3）计算CQI 。

如果CEQV 为正几伏，说明晶体管工作在放大状态，但并不说明放大器的静态工作点设置在合适的位置，所以还要进行动态波形观测。

给放大器送入规定的输入信号，如i V =10m V ，i f =1kHz 的正弦波。

若放大器的输出0V 的波形的顶部被压缩（见图4-6（b ），这种现象称为截止失真），说明静态工作点Q 偏低，应增大基极偏流BQI 。

如果输出波形的底部被削波（见图4-6（a ），这种现象称为饱和失真），说明静态工作点Q 偏高，应减少BQI 。

如果增大输入信号时，输出波形的顶部和底部差不多同时开始畸变，说明静态工作点设置得比较适合。

此时移去信号源，分别测量放大器的静态工作点BQV 、EQV 、CQV 及CQI 。

（a ）饱和失真 （b ）截止失真图6 波形失真2. 性能指标测试与电路参数修改按照图7所示的测量系统的接线方式来测量放大器的主要性能指标。

示波器用于观测放大器的输入、输出电压波形，晶体管毫伏表用于测量放大器的输入、输出电压。

当频率改变时，信号发生器的输出电压可能变化，应及时调整，以维持输入电压始终不变。

所有仪器的图7 观测放大器性能指标接线图接地端都应与放大器的地线相连接。

测量前，首先使信号发生器的频率调到放大器中频区的某个频率0f 上，（例如使0f =1kHz ，幅值调到放大器所要求的电压值，例如i V =10mV 有效值），然后按照放大器性能指标的测试方法分别测量V A 、i R 、0R 、W B 。

对于一个低频放大器，要求电路的稳定性好、非线性失真小、电压放大倍数大、输入阻抗高、输出阻抗低、低频响应L f 低，但这些要求很难同时满足。

例如，要提高电压放大倍数V A ，由式（7）可以有3种途径实现，即⎪⎩⎪⎨⎧↑↑→→↓↓→→↑↑→'→↑be i be LV r R r R R A β0增大L R '会使输出电阻0R 增加，减小be r 会使输入电阻i R 减小。

如果0R 及iR 离指标要求还有充分余地，则可以通过实验调整c R 或cQI ，但改变cR或cQI 又会影响电路的静态工作点。

可见只有提高晶体管的放大倍数β，才是提高放大器电压放大倍数的有效措施。

对于图1分压式直流负反馈偏置电路，由于基极电位bQV 固定即cQI 亦基本固定。

即CCb b b bQ V R R R V 212+=（18）所以，改变β不会影响放大器的静态工作点。

若要降低放大器的下限频率L f ，根据式（15）和式（17），也可以有3种途径实现，即⎪⎩⎪⎨⎧↑↑→→↓↑→→↓↑→↑↑→↓0c ,,R R A r C C C f V be c b e L 电路的性能价格比无论哪一种途径都会影响放大器的性能指标，故只能根据具体指标要求，综合考虑。

设计出满足要求的放大器，根据实验调整后的元件参数与设计计算值会有些差别，应根据测量结果验算并进行误差分析。

3. 测量结果与误差分析(1) 静态工作点测量。

(2) 性能指标测量。

(3) 电路参数讨论及误差分析。

*(三)负反馈对放大器性能的影响引入负反馈后，放大器的电压放大倍数将下降，其表达式为••••+=FA A A V V Vf 1 （19）式中，•F 为反馈网络的传输系数；•V A 为无负反馈时的电压放大倍数。