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Rb1、Rb2、Rc、Re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1 阻容耦合共射极放大器

(2)基本关系式。

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

I1=(5~10)IbQ(硅管）⎫⎪⎬I1=(10~20)IbQ(锗管）⎪⎭ （1）

负反馈越强，电路的稳定性越好。所以要求VbQ>>Vbe，即VbQ=（5~10）Vbe，一般取

VbQ=(3~5)V(硅管）⎫⎪⎬VbQ=(1~3)V(锗管）⎪⎭ （2）

电路的静态工作点有下列关系式确定：

Re≈VbQ-Vbe

IcQ=VeQIcQ （3）

对于小信号放大器，一般取

IcQ=0.5mA~2mA VeQ=(0.2~0.5)VCC

Rb2≈VbQ

I1=VbQ(5~10)IcQ

Rb2β （4） Rb1≈VCC-VbQ

VbQ （5）

（6） VceQ≈VCC-IcQ(Rc+Re)

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AV、输入电阻Ri、输出电阻R0及通频带BW。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

'-βRLAV=∙=rbeVi∙V0∙ （7）

'=Rc//RL ；rbe为晶体管输入电阻，即 RL

rbe=rb+(1+β)26(mV)26(mV) （8） ≈300+βIeQ(mA)IcQ(mA)

∙

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的值。在波形不失真的条件下，如果测出Vi（有效值）或Vim（峰值）与V0（有效值）或V0m（峰值），则

AV=

∙V0V0m=ViVim （9）

(2)输入电阻为

Ri=rbe//Rb1//Rb2≈rbe （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Ri>>Rs（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Ri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Vs与Vi的值，则有

图2 输入电阻的测试电路

Ri=ViRVs-Vi （11）

式中Vs为信号源的输出电压值。

(3)输出电阻为

R0=r0//Rc≈Rc （12）

式中r0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，R0越小，带负载的能力越强。当R0

放大器输出电阻的测量方法如图3所示，电阻RL应与R0接近。在输出波形不失真的情况下，首先测量未接入RL即放大器负载开路时的输出电压V0的值；然后接入RL再测量放大器负载上的电压V0L的值，则有

⎛V0⎫⎪R0= -1 V⎪RL⎝0L⎭ （13）

(4)频率特性和通频带。

放大器的频率特性包括幅频特性A(ω)和相频特性ϕ(ω)。A(ω)表示增益的幅值与频率的关系；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。

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

BW=fH—fL (14)

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Cb、Cc及射极旁路电容Ce的影响。

AU0.707AULHf

图4 放大器的频率特性

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CbCc及Ce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fL已知，则可按式（15）～式（17）进行估算 Cb≥（3～10）12πfLRS+rbe1 （15） 2πfR+RL Cc≥（3～10）LC (16)

1

⎛RS+rbe2πfL R e1+βC⎝ e≥（1～3）⎫⎪⎪⎭ （17）

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。

rbe

（a）

Cb 等效 (b) Cc 等效 (c) Ce等效

Cb、Cc及Ce对应的等效电路 图5 与电容

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，并计算增益，然后将测试数据fi、Av(201gAv) 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，首先测出放大器中频区（如f0=1kHz）出电压V。然后升高频率直到输出电压降到0.707V0为止（维持Vs不变），此时所对应的信号源的频率就是上限频率fH。同理，维持Vs不变降低频率直到输出电压降到0.707 V0为止，此时所对应的频率为下限频率fL，放大器的通频带BW=fH-fL。 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Cb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VBQ、VEQ及VCQ。如果出现VCQ≈VCC，说明晶体管工作在截止状态；如果VCEQ

（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f0上，（例如使f0=1kHz，幅值调到放大器所要求的电压值，例如Vi=10mV有效值），然后按照放大器性能指标的测试方法分别测量AV、Ri、R0、BW。

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fL低，但这些要求很难同时满足。例如，要提高电压放大倍数AV，由式（7）可以有3种途径实现，即

'↑→R0↑⎧→RL⎪AV↑⎨→rbe↓→Ri↓

⎪⎩→β↑→rbe↑

'会使输出电阻R0增加，增大RL减小rbe会使输入电阻Ri减小。如果R0及Ri离指标要求还有充分余地，则可以通过实验调整Rc或IcQ，但改变Rc

或IcQ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VbQ固定即IcQ亦基本固定。即 VbQ=Rb2VCCRb1+Rb2 （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fL，根据式（15）和式（17），也可以有3种途径实现，即

⎧→Ce↑,Cb↑,Cc↑→电路的性能价格比↓⎪fL↓⎨→rbe↑→AV↓

⎪⎩→Rc↑→R0↑

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

AVf=∙AV

1+AVF∙∙∙

（19）

∙

式中，F为反馈网络的传输系数；AV为无负反馈时的电压放大倍数。 在引入负反馈后，虽然电压放大倍数下降，但可以改善放大器的性能。

1. 提高放大器增益的稳定性。

由式（19）可见，1+AVF越大负反馈越强，若∙∙∙+ AVF∙∙

>>1，则深度负

反馈放大器的电压增益仅与反馈网络有关，而与电路的其他参数无关。

2. 扩展放大器的通频带。

负反馈放大器的上限频率与下限频率的表达式分别为

1

∙∙∙∙fL

fH⋅f=+ AVFfH fL⋅f=+ AVF （20） 可见，引入负反馈后通频带加宽。

3. 改变放大器的输入电阻和输出电阻。

一般并联负反馈能降低输入阻抗，串联负反馈能提高输入阻抗。电压负反馈使输出阻抗降低，电流负反馈使输出阻抗升高。

图8所示的电路为电流串联负反馈放大器，与图1相比，仅增加了一只射极电阻 ，分析表明，电路的反馈系数

F=∙Vf

V0∙∙=IeRf'-IcRL≈Rf'RL

电压放大倍数 （21）

AVf=∙'-βRL

rbe+βRf （22）

图8 电流串联负反馈放大器

分析表明，Rf取几欧姆时，可以明显提高放大器的输出阻抗，降低放大器的下限频率，即放大器要求不高时，采取图8所示的电路较多，若采用图1所示的电路，则电容Ce必须增大很多，才能使fL明显下降，对图4-8所示的参数fL较低。

三、实验内容

1.设计题目：单级晶体管阻容耦合放大器的设计

设计任务：

（1）已知条件VCC=+12V,RL=3kΩ，Vi=10mV，Rs=60Ω

（2）性能指标要求Av>60，Ri>2kΩ，Ro50kHz

2.设计举例

设计一阻容耦合单级晶体管放大器。

已知条件VCC=+12V ，RL=3kΩ，Vi=10mV，Rs=600Ω。

Ri>1kΩ ，R0100kHz。性能指标要求AV>40 ，

首先，选择电路形式级晶体管。

采用如图9所示的分压式电流负反馈偏置

电路，可以获得稳定的静态工作点。因放大器的上限频率要求较高，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 。其次，设置静态工作点并计算元件参数。

图9 分压式电流负反馈偏置电路

由于是小信号放大器，故采用公式法设置静态工作点Q，计算如下： 要求Ri（Ri≈rbe）>1k ，根据公式（8）得

若取VbQIcQ

IcQ=1.53kΩ 取标称值1.5kΩ

β=24kΩ （这里IcQ的值取5）

Rb2=72kΩ由式（4）得 Rb2=VbQ(5 10)IcQVbQ由式（5）得 Rb1≈VCC-VbQ

Rb1由30kΩ固定电阻与100kΩ电位器相串为使静态工作点调整方便，

联而成。

rbe=300Ω+β

AVrbe26mV=1.34kΩ(IcQ)mA=0.89kΩ 由式（7）得 '≈RLβ

'RLRLRc==1.27kΩ'R-RLL则

综合考虑，取标称值1.5kΩ

由于（Rs+rbe）

Cb≥(3~10)1=8.2μF2πfL(Rs+rbe) 取标称值10μF 取Cc=Cb=10μF 由式（17）得

Ce≥(1~3)1

R+r2πfL(Re//sbe)1+β=98.5μF 取标称值100μF

最后，验算测量结果并进行误差分析。

如图10所示的电路，其静态工作点的测量值为

VbQ=3.4V VeQ=2.7V

IcQ=1.8mA VcQ=9.3V

性能指标的测量值为

AV=47 Ri=1.1kΩ R0=1.5kΩ

fL=100Hz fH>999kHz

图10 设计举例的实验电路

根据图10所示的电路参数，进行理论计算为

VbQ=Rb2VCC=3.4VRb1+Rb2

VeQ=VbQ-0.7V=2.7V

IcQ≈UeQRe=108mA 26mV≈1.2kΩ(IcQ)mARi≈rbe=300Ω+β

R0≈Rc=1.5kΩ

AV=-'βRLrbe=-50 fL=10=88Hz2πCb(Rs+rbe)

从而得测量误差（理论值为上述计算值）如下：

rAV=∆AV⨯100%=-6%AV

∆Ri⨯100%=-8%Ri

∆RO⨯100%=0R0 rRi=rR0=

rfL=∆fL⨯100%=14%fL

产生测量误差的主要原因如下：

测量仪器及测量读数误差。

元器件本身参数的取值误差。

工程近似计算式引入的理论计算误差。

四、设计步骤及要求

（1）认真阅读本课题介绍的设计方法与测试技术，写出设计预习报告

（2）根据已知条件及性能指标要求，确定电路以及器件（晶体管选硅管），设置静态工作点，计算电路元件参数。

（3）在虚拟实验环境下搭建实验电路，调整并测量静态工作点，使其满足设计计算值的要求，测试性能指标，调整与修改元件参数值。使其满足放大器性能指标的要求，将修改后的元件参数值标在所设计的电路图上。

（4）在实验线路板上安装电路。调整并测量静态工作点，使其满足设计计算值的要求，测试性能指标，调整与修改元件参数值。使其满足放大器性能指标的要求，将修改后的元件参数值标在所设计的电路图上。

（5）对实验结果进行综合分析。

（6）所有实验完成之后，写出设计性试验报告。

五、实验总结

1.列表整理测量结果，并把实测得各项性能指标与设计题目中的性能

指标要求比较（取一组数据进行比较），分析产生误差原因。

2.分析讨论在调试出现的问题。