晶体管放大器的设计
1. 前 言
1.1 序 言
随着人类社会步入信息化社会,电子信息科学技术正以惊人的速度发展,开辟了社会发展的新纪元。随着人类社会步入信息化社会,电子信息科学技术正以惊人的速度发展,开辟了社会发展的新纪元。从20世纪90年代开始至今,通信技术特别是移动通信技术取得了举世瞩目的成就。在通信技术日新月异的今天,学习通信专业知识不仅需要扎实的基础理论,同时需要学习和掌握更多的现代通信技术和网络技术。通信技术正向着数字化、网络化、智能化和宽带化的方向发展。全面、系统地论述了通信系统基本理沦、基本技术以及系统分析与设计中用到的基本工具和方法,并将重点放在数字通信系统上。通信系统又可分为数字通信与模拟通信。传统的模拟通信系统,包括模拟信号的调制与解调,以及加性噪声对幅度调制和角度调制模拟信号解调的影响。而模拟通信又是数字通信的基础。模拟电路是处理模拟信号的电子电路,模拟信号是时间和幅度都连续的信号(连续的含义是在某以取值范围那可以取无穷多个数值)。放大器是能把输入讯号的电压或功率放大的装置,由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成。用在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。
1.2 设计任务
在电子电路中,放大的对象是变化量,常用的测试信号是正弦波。放大电路放大的本质是在输入信号的作用下,通过有源元件(BJT或FET)对直流电源的能量进行控制和转换,使负载从电源中获得输出信号的能量,比信号源向放大电路提供的能量大的多。因此,电子电路放大的基本特征是功率放大,表现为输出电压大于输入电压,输出电流大于输入电流,或者二者兼而有之。在放大电路中必须存在能够控制能量的元件,即有源元件,如BJT和FET等。放大的前提是不失真,只有在不失真的情况下放大才有意义。本实验设计是用晶体管设计一个放大电路,掌握晶体管放大电路的三种基本接法,掌握晶体管放大器静态工作点的设置与调整方法、放大器基本性能指标的测试方法、负反馈对放大器性能的影响及放大器的安装与调试技术。 重点是阻容耦合共射极放大器的静态工作的设置;频率特性和通频带。 难点是静态工作点调整。
2.放大器与晶体管放大电路
2.1放大器
2.1.1 放大器概述
放大电路广泛应用于各种电子设备中,如音响设备、视听设备,精密仪器、自
动控制系统等。放大电路的功能是将微弱的电信号(电流、电压)放大得到所所需要的信号。一个放大器可以用一个带有输入端和输出端的方框表示。输入端结欲放大的信号源,输出端接负载,如图2—1所示。输入信号经过放大器放大后通过输出端接到负载上。如果满足下面两个条件,就说电信号已经放大。
图2—1 放大器方框图
(1) 输出信号的功率大于输入信号的功率。
(2) 力求输出到负载上的信号波形与输入源的波形一致。
2.1.2 对放大器的基本要求
(1)要有足够的放大倍数。 (2)要具有一定宽度的同频带。 (3)非线性失真要小。 (4)工作要稳定
2.2 晶体管放大器
2.2.1 基本放大电路的组成
晶体管基本放大电路如图所示。根据放大电路的组成原则,晶体管应工作再放大区,即u BE>Uon,uCE>>uBE,所以在图所示基本人共集放大电路中,晶体管的输入回路加基极电源Vbb,它与Rb、Re共同确定合适的基极静态电流;晶体管的输出回路加集电极电源
Vcc,它提供集电极电流和输出电流。画出图a所示电路的直流通路如图b所示,集电极是输入回路和输出回路的公共端。
交流信号ui输入时,产生动态的基极电流ib,驼载在静态电流上IBQ上,通过晶体管得到放大了的发射极电流iE,其交流分量ie在发射极电阻Re上产生的交流电压即为输出电压uo。由于输出电压由发射极获得,故也称共集放大电路为射极输出器。
2.2.2 静态分析
静态分析:就是求解静态工作点Q,在输入信号为零时,BJT或FET各电极间的电流和电压就是Q点。可用估算法或图解法求解。 图解法确定Q点和最大不失真输出电压
(1)用图解法确定Q点的步骤:已知晶体管的输出特性曲线族→由直流通路求得
IBQ →列直流通路的输出回路电压方程得直流负载线→在输出特性曲线平面上作出直流负载线→由IBQ所确定的输出特性曲线与直流负载线的交点即为Q点。
(2)输出波形的非线性失真
非线性失真包括饱和失真和截止失真。饱和失真是由于放大电路中三极管工作在饱和区而引起的非线性失真。截止失真是由于放大电路中三极管工作在截止区而引起的非线性失真。
放大电路要想获得大的不失真输出,需要满足两个条件:一是Q点要设置在输出特性曲线放大区的中间部位;二是要有合适的交流负载线。
(3)直流负载线和交流负载线
由放大电路输出回路电压方程所确定的直线称为负载线。由直流通路确定的负载线为直流负载线;由交流通路确定的负载线为交流负载线,可通过Q、[UCEQ+ICQ(Rc//RL),0]两点作出。对于放大电路与负载直接耦合的情况,直流负载线B
与交流负载线是同一条直线;而对于阻容耦合放大电路,只有在空载情况下,两条直线才合二为一。
(3) 最大不失真输出电压有效值 (4) UOM (5)
UOM=
1
'R=Rc//RL L 式中:
2
MinUCEQ-UCES,ICQ⋅RL
{
'
}
说明:当放大电路带上负载后,在输入信号不变的情况下,输出信号的幅度变小。 放大电路静态工作点和动态范围的确定。 等效电路法求解静态工作点
即利用直流通路估算静态工作点
UBEQ
、
IBQ
U=0.7vIU
、CQ和CEQ。其中硅管的BEQ;
锗管的UBEQ=0.5v,无须求解;其余三个参数的求解方法为:
(1)列放大电路输入回路电压方程可求得IBQ;
(2)根据放大区三极管电流方程ICQ=βIBQ可求得ICQ; (3)列放大电路输出回路电压方程可求得UCEQ; 1、静态工作点稳定的必要性
静态工作点不但决定了电路是否产生失真,而且还影响着电压放大倍数和输入电阻等动态参数。实际上,电源电压的波动、元件老化以及因温度变化所引起的晶体管参数变化,都会造成静态工作点的不稳定,从而使动态参数不稳定,有时甚至造成电路无法正常工作。在引起Q点不稳定的诸多因素中,温度对晶体管的影响是最主要的。 2、温度变化对静态工作点产生的影响
温度变化对静态工作点的影响主要表现为,温度变化影响晶体管的三个主要参数:ICBO、β和UBE。这三者随温度升高产生变化,其结果都使ICQ值增大。
硅管的ICBO小,受温度影响小,故其β和UBE受温度影响是主要的;
锗管的ICBO大,受温度影响是主要的。 3、稳定静态工作点的原则和措施
为了保证输出信号不失真,对放大电路必须设置合适的静态工作点,并保证工作点的稳定。(1)采用不同偏置电路稳定静态工作点的原则是:
当温度升高使IC增大时,IB要自动减小以牵制IC的增大。 (2)稳定静态工作点可以归纳为三种方法: (1)温度补偿; (2)直流负反馈;
(3)集成电路中采用恒流源偏置技术;
4、典型静态工作点稳定电路——分压式偏置电路的分析 1)Q点稳定原理
分压偏置电路。
稳定静态工作点的条件为:I1>>IB和VB>>UBE;此时
UBQ≈
Rb1
⨯VCC
Rb1+Rb2
,即当温度变化时,
UBQ
基本不变。
当温度降低时,各物理量向相反方向变化。这种将输出量(IC)通过一定的方式(利用Re将IC的变化转化为电压UE的变化)引回到输入回路来影响输入量UBE的措施称为反馈。可见,在Q点稳定过程中,Re作为负反馈电阻起着重要的作用。典型静态工作点稳定电路利用直流负反馈来稳定Q点。
2)分压式偏置电路的静态分析
分压式偏置电路的静态分析有两种方法:一是戴维南等效电路法;二是估算法,这种方法的使用条件为I1>>IBE,或者(1+β)Re>>Rb。 3)分压式偏置电路的动态分析
动态分析时,射极旁路电容应看成短路。画放大电路的微变等效电路时,要特别注意射极电阻有无被射极旁路电容旁路,正确画出“交流地”的位置,根据实际电路进行计算即可。
3.设计原理
3.1电路工作原理及基本关系式
3.1.1工作原理
晶体管放大器中广泛应用如图3-1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I1>>IBQ,当温度升高时,ICQ↑→VEQ↑→VBE↓→IBQ↓→ICQ↓,结果抑制了ICQ的变化,从而获得稳定的静态工作点。
图3-1 阻容耦合共射极放大器
只有当I1>>IBQ时,才能保证VBQ恒定。这是工作点稳定的必要条件,一般取(1)
负反馈愈强,电路的稳定性愈好。所以要求VBQ>>VBE,即VBQ=(5~10)VBE,一般取
电路的静态工作点由下列关系式确定:
对于小信号放大器,一般取ICQ=0.5mA~2mA,VEQ=(0.2~0.5)VCC
3.1.2 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vA、输人电阻iR、输出电阻及通频带。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
式中R′L=RC∥RL,;rbe为晶体管输入电阻,即
测量电压放大倍数,实际上是测量放大器的输入电压Vi与输出电压V0值。在波形不失真的条件下,如果测出Vi (有效值)或Vim (峰值)与Vo (有效值)或Vom (峰值),则
2、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。
图3-2 串联电阻法测量放大器的输入电阻Ri
若Ri>>Rs (信号源内阻),则放大器从信号源获取较大电压;若Ri
用“串联电阻法”测量放大器的输入电阻Ri,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的值接近的值为宜),如图3-2所示。在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Vs与Vi的值,则
式中,Vs为信号源的输出电压值。 输出电阻
式中,r0为晶体管的输出电阻。
放大器输出电阻的大小反映了它带负载的能力,Ro愈小,带负载的能力愈强。当Ro
图3-3 放大器输出电阻的测量
放大器输出电阻的测量方法如图3-3所示, 电阻应RL与接近。在输出波形不失真的情况下,首先测量RL未接人即放大器负载开路时的输出电压的V0值;然后接入RL再测量放大器负载上的电压的值,则
3、频率特性和通频带
放大器的频率特性包括幅频特性和相频特性A(ω)。A 表示增益的幅度与频率的关系:ϕ(ω)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。放大器的频率特性如图3-4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。通频带为
、
图3-4放大器的频率特性
式中,fH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;fL为放大器的下限频率,主要受耦合电容容 CB、CC 及射极旁路电容 CE 的影响。
图3-5 电容CB、CC及CE单独存在时所对应的等效回路
要严格计算电容CB、CC及CE同时存在时对放大器低频特性的影响,较为复杂。在工程设计中,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CB、CC及CE单独存在时所对应的等效回路如图3-5所示。如果放大器的下限频率fL已知,则可按下列表达式估算:
通常取 CB=CC,可在式(15)与式(16)中选电阻最小的一式求 CB 或 CC。
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AV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Vs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,计算其益。然后将测试数据fi、AVI(20lgAV)列表,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BW,则首先测出放大器中频区(如f0 =1kHz)时的输出电压 V0,然后升高频率直到输出电压降到 O.707V0 为止Vs 维持不变,此时所对应的信号源的频率就是上限频率。同理,Vs维持不变降低频率直到输出电压降到O.707V0为止,此时所对应的频率为下限频率fL,则放大器的通频带BW=fH – fL。
3.2 具体实验设计步骤及结果分析
3.2.1单极阻容耦合晶体管放大器的设计
⏹ 已知条件
● +VCC=+12V ● RL=2kΩ
● Vi=10mV(有效值) ● Rs=50Ω ⏹ 技术指标要求
● AV>30 ● Ri>2kΩ ● Ro<3kΩ ● fL<20Hz ● fH>500kHz ● 电路稳定性好
1.拟定电路方案
⏹ 选择电路形式及晶体管
⏹ 采用分压式射极,可以获得稳定的静态工作点。
⏹ 因放大器上限频率fH>100 kHz,要求较高,故选用高频小功率管3DG100,其特性参数 ICM=20mA,V(BR)CEO≥20V,fT ≥ 150MHz
⏹ 通常要求β 的值大于AV的值,故选 β=60
2.设置Q点并计算元件参数
⏹ 依据指标要求、静态工作点范围、经验值进行计算
Ri≈rbe≈300Ω+β⏹ 要求Ri>1kΩ,而 {I
26mV
CQ}mA⋅mA
∴ICQ
26β
mA=2.2mA
1000-300
取ICQ = 1.5 mA
VBQ-VBE
R≈= 1 .53若取VBQ = 3V,得 E I k Ω
CQ
I
因 I BQ = CQ I 1=(5~10)IBQ
取标称值,RE=1.5 kW
∴RB2=
β
VBQI1
=
VBQ(5~10)ICQ
β=24kΩ
RB1≈
VCC-VBQ
VBQ
RB2=72kΩ
为使静态工作点调整方便,RB1由30kW固定电阻与100kW电位器相串联而成。
因 ICQ=1.5mA r=300Ω+β
be
26mV
=1340Ω
{ICQ}mA⋅mA
综合考虑,取标称值,RB=1.5 kW。
计算电容为: C B ≥ ( 3 ~ ) 1 = 8 .2 μ F 取标称值,CC = CB = 10mF 10
R
600s 2πfL(Rs+rbe)
C E ≥ (1 ~ 3 )= 98 . 5 取标称值,CE = 100mF μF
2πfL(RE//
Rs+rbe)1+β
1
3.根据上述设计,得到放大器的电路图如下:
RL Ω
图3-6放大器的电路图
3.2.2 .电路安装与调试
图3-7电路图
首先在面包板上组装好电路,参考上图搭接好实验测试平台。然后进行电路调试: 静态调试、动态调试。
a. 接通电源,将电路输入端接地,测量电路的静态工作点。
b.用万用表直流电压档,分别测量晶体管的B、E、C极对地电压VBQ、VEQ及VCQ。
c.一般VBQ=(3~5)V,VCEQ=正几伏。
如果出现VCQ ≈ VCC,说明晶体管工作在截止状态;如果出现VCEQ
管已经饱和。
d.调节电位器RP1,使VCEQ=正几伏,此时说明晶体管基本工作在线性放大状态。但Q点不一定是最佳的,还要进行动态波形观测。
e.给放大器送入规定的输入信号,如ViPP =30mV,fi = 1kHz的正弦波。 f.用示波器观察放大器的输出vo。
若vo波形的顶部被压缩,这种现象称为截止失真,说明Q点偏低,应增大基极偏流IBQ,即增大ICQ。若vO波形的底部被削波,这种现象称为饱和失真,说明Q点偏高,应减小IBQ ,即减小ICQ 。
g.调节RB1,使放大器的输出vo不失真。
h.增大输入信号(如ViPP =120mV), vo无明显失真,或者逐渐增大输入信号时, vo顶部和底部差不多同时开始畸变,说明Q点设置得比较合适。
e.此时移去信号源,分别测量放大器的静态工作点VBQ、VEQ、VCQ,并计算VCEQ 、ICQ。
3.2.3 主要性能指标及测试方法
晶体管放大器的主要性能指标有
a. 电压放大倍数AV b. 输入电阻Ri c. 输出电阻Ro d. 通频带BW=fH-fL 1、电压放大倍数AV
在波形不失真的条件下,用示波器测量放大器输入电压与输出电压的值。 测出Vi (有效值)或Vim(峰值)及Vip-p(峰-峰值)与Vo(有效值)或Vom(峰值) Vop-p(峰-峰值),则
图3-8饱和失真、截止失真
2、输入电阻Ri
串联一个已知电阻R 在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Vi与Vs的值,则
2、频率特性和通频带
采用“逐点法”测量放大器的幅频特性曲线。测试条件:Vi=10 mV (Vip-p= 28 mV)
表3-1
画出放大器的幅频特性曲线,计算通频带。 BW = fH – fL=500 k-40≈ 500 k 负反馈对放大器性能有何影响
引入负反馈会改变放大器的输入电阻与输出电阻:
串联负反馈能提高输入阻抗 并联负反馈能降低输入阻抗 电压负反馈使输出阻抗降低; 电流负反馈使输出阻抗升高。
实验表明,RF取几十欧姆,可以明显地提高放大器的输入阻抗,降低放大器的下限频率,改善非线性失真。
心得体会
放大电路是基本的模拟电路,本次设计使我进一步了解了放大器的工作原理以及晶体管发达器设计的基本方法。这次毕业设计使我得以把所学的理论知识付诸实践,通过亲自设计和操作进一步加深了对理论的理解和掌握。晶体管放大器设计最关键的一点我认为是静态工作点的设置,静态工作点不但决定了电路是否产生失真,而且还影响着电压放大倍数和输入电阻等动态参数。求解的过程有公式可循,在测量的时依然要小心谨慎,耐心和细心是获得正确数值的保证。
接下来我注意较多的就是性能指标的测量及调试。了解重要的参数和性能指标是做实验前要完成的首要功课,在实验过程中我遇到的问题是测量值和理论值之间有差距,又经过多次调试发现时电阻选择出现错误。这次错误的出现让我更加认识到理路知识是实践的指导只有彻底理解和掌握了理论知识才能更好的进行实践操作,而在实践中更不能放松,要密切关注测量结果并和理论值进行比较,及时发现问题并想办法改正。 这次的设计课程,更引发了我继续进行探索的兴趣,看着完成设计对自己也生出些许自豪感。相信只要认真努力的学习踏实的进行实验,定会做出一番成绩。
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[16] Leon W.Couch,II著,邵怀宗、李晓峰和刘镰斧改编. 数字与模拟通信系统[M].北京:电子工业出版社,2007:45-54.
致 谢
时光匆匆如流水,转眼便是大学毕业时节,春梦秋云,聚散真容易。离校日期已日趋临近,毕业论文的的完成也随之进入了尾声。从开始进入课题到论文的顺利完成,一直都离不开老师给我热情的帮助,还有许许多多同学、朋友们的帮助,在这里请接受我诚挚的谢意!
本学位论文是在我的指导老师的亲切关怀与细心指导下完成的。从课题的选择到论文的最终完成,老师始终都给予了细心的指导和不懈的支持,并且在耐心指导论文之余,老师仍不忘拓展我们的视野,让我们感受到了学习的美妙与乐趣。为我将来步入学术研究的殿堂打开了不可多得的方便法门。值得一提的是,老师随和没有架子,经常与学生交流沟通,对学生认真负责,在她的身上,我们可以感受到一个学者的严谨和务实,这些都让我们获益菲浅,并且将终生受用无穷。毕竟“经师易得,人师难求”,希望借此机会向老师表示最衷心的感谢!
此外,本文最终得以顺利完成,也是与信息工程系其他老师的帮助分不开的,虽然他们没有直接参与我的论文指导,但在开题时也给我提供了不少的意见,提出了一系列可行性的建议,在此向他们表示深深的感谢!
还有感谢我们学校提供了实验原件和实验室使我可以顺利完成毕业设计。 “不经一番寒彻骨,哪得梅花扑鼻香。”就用这句话作为我这篇论文的一个结尾,也是一段生活的结束。希望自己能够记取少年时的梦想,永不放弃。