单级放大器设计与实验讲座0904

单级放大器设计与实验讲座电工电子实验中心单级放大器设计与实验讲座一、概述二、单级放大器工作原理三、单级放大器的设计四、单级放大器的调试与性能测试五、单级放大器的故障分析与排除六、单级放大器的软件仿真一、概述单级放大器是用一个放大管组成的电路。放大管可以是晶体管，或是场效应管。放大器的用途很多，几乎所有的电子设备都离不开放大器。放大器的种类：按其使用的频率分：低频放大器、高频放大器、射频放大器按功能分有：电压放大器、电流放大器、功率放大器按所用器件类型分：晶体管放大器、场效应管放大器按工作状态分：曱类放大器、乙类放大器、丙类放大器按工作方式分：共射放大器、共基放大器、共集放大器（晶体管）、共源放大器、共栅放大器、（场效应管）等等。二、单级放大器的工作原理（这里介绍的是双极型晶体管放大器）分压式共射级放大器二、单级放大器的工作原理构成晶体管放大器的原则为：必须设置合适的工作点，使晶体管工作在放大区。（上图为分压式偏置电路）输入信号必须加在晶体管的B极与E极之间。iE=Is(euBE/UT-1)≈IseuBE/UT必须设置合理的信号通路。当信号源及负载与放大器相接时，不能破坏原设置的工作点，同时尽量减小信号通路中的损耗。（在多级放大器中或在与信号源及与负载相接处都加隔直电容，或称耦合电容）1、直流图解分析图解分析就是利用晶体管的输入、输出特性曲线和电路的外特性，经作图的方法来分析电路的静态工作点、工作状态、工作过程及性能的传统方法。由放大器构成的原则可知，必须有直流偏置，首先观察直流情况。直流等效电路图输入特性曲线及直流负载线Q0uBEUbbIBQUBEQiB外电路输入回路方程IB=(Ubb-UBE)/[Rb’+(1+β)Re]IB=0,UBE=UbbUBE=0,IB=(Ubb/[Rb’+(1+β)Re](Ubb/[Rb’+(1+β)Re]Rb’增大，Q点下移，即IBQ减小。QQRb’减小，Q点上移，即IBQ增大。注意：Rb‘的变化对基极电流的影响很大，对基极－发射级电压影响较小。输出特性曲线及直流负载线QQQuCEiCUCEQICQIC=(EC-UCE)/(Rc+Re)令Ic=0,UCE=EcUCE=0,Ic=Ec/(Rc+Re)ECEc/(Rc+Re)0IBQRc增大，Q点左移，UCEQ左移，ICQ基本不变Rc减小，Q点右移，UCEQ增大2、交流图解分析输入回路的交流动态电路方程：ube=ui=us’-ibRb’’Rb’’=Rs//Rb1//Rb2us’=[us/(Rs+Rb1//Rb2)]Rb1//Rb2因交流电压是叠加在静态偏置上进行传输的，所以，总的瞬时电流为：iB=IBQ+ib=IBQ+(us’-ube)/Rb’’uBE=UBEQ+ube输入回路的交流负载线方程：iB=IBQ+[us’-(uBE-uBEQ)]/Rb’’晶体管输入特性曲线及交流负载线Q0UbbIBQUBEQiB(Ubb/[Rb’+(1+β)Re]uBEiB=IBQ+[us’-(uBE-uBEQ)]/Rb’’当us’=0时：uBE=UBEQ,iB=IBQ利用求截距的方法：当us’=0时，令iB=0uBE=UBEQ+IBQRb’当us’变化时，在横轴上的截距就变化，于是得到许多平行直线。-1/Rb’交流负载线直流负载线晶体管输出特性曲线与交流负载线QuCEiCUCEQICQECEc/(Rc+Re)IBQ交流负载线直流负载线交流输出回路外电路方程：ic=-uce/RL’总瞬时电流：iC=ICQ+ic=ICQ-uce/RL’总瞬时电压：uCE=UCEQ+uceuce=uCE-UCEQ交流负载线方程：iC=ICQ-(uCE-UCEQ)/RL’当输入信号为零时，uce=0,uCE=UCEQ,iC=ICQ说明交流轨迹经过Q点。令iC=0,ICQRL’=uCE-UCEQ得到uCE轴上一个交点，连接该点与Q点，就是交流负载线。－1/RL’放大器图解分析Q0UbbIBQUBEQiBuBEuCEiCUCEQQICQ直流负载线交流负载线单级放大器的工作原理用图解法说明外偏置电路对工作点的影响以及直流与交流之间的关系：单级放大器的工作原理放大器各极电流和电压波形如右图所示从波形中可见：输入交流信号时，各极电压、电流在各自的工作点附近变化。只有交流分量随输入信号变化。但直流必不可少。输入与输出波形倒相单级放大器的工作原理共射放大器的性能指标：Au－电压放大倍数Au=-βRL’/rberbe=rbb’+(1+β)26(mV)/IeQ(mA)rbb’很小，Au≈RL’IeQ(mA)/26(mV)Au几乎与β无关，要提高Au可增大RL或IcQ。单级放大器的工作原理输入电阻RiRi=Ui/Ii=Rb1||Rb2||rbe≈rbe输出电阻RoRo=Rc三、单级放大器的设计电路结构要求：采用分压偏置共射放大电路，如下图所示单级放大器的设计电路指标:电压放大倍数Au≥50输入阻抗Ri≥1KΩ输出阻抗Ro=3KΩ输出电压峰峰值Uopp≥2V幅频特性：fL≤500Hz;fH≥200kHz设计条件：电源电压＋12VRL＝3KΩ单级放大器的设计1、确定Rc、UceQ因Ro=Rc，Ro=3KΩ，Rc=3KΩ因Uopp≥2V，饱和压降为1V，则UceQ=1/2Uopp+Uces=1+1=2V取3V。单级放大器的设计2、确定IcQ、RE一般取UBQ＝（1/5~1/3）EC取1/3EC＝4VUEQ=UBQ-0.7=3.3VICQ=(EC-UCEQ-UEQ)/RC=(12-3-3.3)/3=1.9mARE＝UE/ICQ=1.7KΩ（取标称值2K或1.5K）第二种求ICQ的方法因UCEQ－UCES＝ICQ*RL‘ICQ=(3-1)/1.5=1.33mA（与上述计算有差异，一般小信号放大器工作电流在0.5mA~2mA最终依靠调试的结果）。两种数据可核算一下指标是否满足要求输入电阻Ri:Ri=rbe//Rb1//Rb2=rbe=rbb’+β26/ICQ=200+1400=1600Ω(ICQ=1.9mA时)单级放大器的设计3、确定Rb1、Rb2的值IBQ=ICQ/β(β取100)Rb2=UBQ/I=UBQ/10IBQ＝4/0.19mA=21K(取22K)Rb1=(EC-UBQ)/I=8/0.19=42K(取22K为固定电阻，68K为可变电阻)。单级放大器的设计4、核算指标：AU＝-(βRL’)/rbe≈[ICQ(mA)RL’]/26(mV)=(1.9*1.5*1000)/26=109Ri=Rb1||Rb2||rbe≈rbe=rbb’+(1+β)26(mV)/ICQ=300+1368≈1.7K单级放大器的设计UOPP:UOPP=2ICQ*RL’=2*1.9*1.5=5.7VRo=Rc=3K单级放大器的设计5、为什么要设置直流工作点：为了使放大电路能正常工作,必须给放大电路设置合适的静态工作点,以保证信号在基本上不失真的条件下，能顺利地输入、输出。换句话来讲，设立直流工作点就是要减小放大电路的非线性失真，而非线性失真包括两种：饱和失真和截止失真。单级放大器的设计6、为什么要考虑放大器的输出信号动态范围主要是指:工作点的选择不可偏高或者偏低。工作点偏高：会出现饱和失真；工作点偏低：会出现截止失真。单级放大器的调试与性能测试1、单级放大器静态工作点的测量UEQ、UCQ、UBQ、UCEQ、ICQ直流工作点可用万用表直接测量，但要考虑万用表内阻的影响。ICQ间接测量：ICQ≈UEQ/RE；UBQ≈UEQ＋0.7V或用示波器（输入耦合放置DC档）直测UBQ。工作点偏离正常值时，可调上偏电阻Rb1。若不起作用，则说明电路出现故障，要排除。排除方法后面介绍直流工作点测试：2.7V2V2mA2mA4V测UeQ测UcQ单级放大器的调试与性能测试2、交流参数的测量（1）观察输入输出波形，确定静态工作电压输入信号：Ui=5~10mV，fi=1KHZ观察输入输出波形应不失真，且相位相差180度。加大输入电压幅度，直至出现失真。若出现上削顶或下削顶，则调整Rb1，使上下同时出现削顶，说明工作点在中点，重新测试静态电压，并作好记录。仪表的接“地”要求：仪表与被测电路必须接在同一“地”上。注意仪表“地”线的正确接入与撤出。接入：先“地”线后信号线；撤出：先信号线后“地”线。单级放大器的调试与性能测试（2）电压放大倍数Au的测量：Au=Uo/UiUi：电压取值为输出波形不失真，一般为5~10mV（有效值）fi:频率取值为频带内的中段。一般为1KHz。用示波器监测输出波形不失真。单级放大器的调试与性能测试（3）幅频特性的测量测量接线框图如上图记下中频时的Uim和Uom改变输入频率（保证电压幅度不变）记下0.707Uom时的最低频率fL和最高频率fH频带宽度Δf＝fH-fL用对数表示的幅频特性见书P29（图2－26）注意：所用电压表的频率范围必须大于被测信号的频率范围。可用扫频仪测频率特性。单级放大器的调试与性能测试（4）最大不失真输出动态范围的测量输入信号频率为fmUiUo失真用示波器观察（调整工作点，使同时出现截止和饱和失真）非线性失真是晶体管的非线性造成。单级放大器的调试与性能测试（5）输入电阻Ri的测量串联电阻法：取R≈RiRi=Ui/Ii=(UiR)/(Us-Ui)注意事项：电压表分别测Us、Ui电压表在同一档测试高输入电阻不能用此法保证输出波形不失真时测量单级放大器的调试与性能测试替代法测量Ri：取R≈Ri，RW≈（1.2~1.5）Ri使URW＝Ui,则RW＝Ri注意事项：同串联电阻法单级放大器的调试与性能测试半电压法测量Ri取RW≈（1.2~1.5）Ri，先将K1、K2置“1”，得Uo再将K1、K2置“2”，得Uo/2，测RW值为Ri。此法可用于高输入电阻的测量单级放大器的调试与性能测试（6）开路电压法测Ro取R≈RoK打开时测得Uo’，合上时,测得Uo,Ri=(Uo’/Uo-1）R注意事项：测量输出电阻时，不接RL被测电路的输出电阻很小时，R可取得大些。单级放大器的调试与性能测试半电压法测Ro:取RW=(1.2~1.5)Ro断开K，测得Uo’；合上K，调RW，使URW=1/2Uo’则测得RW的值为Ro。以上测试均在输出波形不失真的情况下进行。交流参数测试：单级放大器的调试与性能测试（7）Ro实际意义：对负载来说，放大器相当于它的信号源，Ro正是该信号源的内阻。Ro是一个表征放大器带负载能力的参数。对于电压输出，Ro越小，带负载能力越强，即负载变化时放大器输出给负载的电压基本不变。而对于电流输出，Ro越大，则带负载能力越强，即负载变化时，放大器输出给负载的电流基本不变。Ri实际意义：对信号源来说，放大器相当于它的负载，Ri则表示该负载能从信号源获取多大的信号。由于实际信号源均有内阻，对于低阻电压源，Ri越大，放大器从该信号源获取的电压就越大。而对高阻电流源，Ri越小，则放大器从该信号源获取的电流也越大。否则信号源内阻的消耗将增大，而输出给放大器的信号减小。单级放大器的故障分析与排除1、静态工作点不正常现象原因措施UCQ＝12VICQ＝0，偏置电路有故障UCEQ＝1V以下ICQ太大饱和状态调整上偏电阻，增大其值UBQ＝0V上下偏置电阻未接好检查Rb1和Rb2单级放大器的故障分析与排除2、交流参数有问题现象原因措施波形成矩形输入信号电压太大减小输入电压幅度波形下削顶饱和失真增加上偏电阻AU太小ICQ太小发射极电容没接或没接好调整偏置接上Ce电容波形上削顶截止失真减小上偏电阻单级放大器的软件仿真在实验前，先用软件Multisim进行仿真仿真注意：1、调用的晶体管为标准器件：2N22222、按所设计电路接好仿真。3、用软件中的仪表进行仿真。4、可进行DC、AC、瞬态仿真。三、模拟电路的装配1、装配前检查所有的元件。2、先安装元件，后连接导线。3、按照电路图中信号传输方向逐个