BJT单管放大器设计仿真及实验

信
号 源
+ V&s
―
放
大 器
+ V&oRo
―
S+ V&oL RL
―
Ro = ( Vo − 1)RL VoL
(2 -16)
图 2.5 Ro测量电路
4． 放大器通频带的测量及幅频特性绘制
放大器的通频带是指放大器能够正常放大信号的频率范围，它是由上、下限频率fH和 fL之差决定的，即 BW=fH−fL 。因此测出上、下限频率fH和fL就能计算出通频带BW，再结合 测出的中频增益AV就可近似绘制幅频特性曲线。
对放大器的仿真内容主要有以下几方面： 1． 静态工作点的测试； 2． 正弦稳态响应分析及相关性能指标的测试； 3． 频率特性的测试。
五、电路安装与调试
1． 电路布局与安装技巧 在多孔实验板上装配电路时，首先应熟悉其结构。正确选择连接导线，一般选直径为 0.6mm 的单股线。为了保证导线与插孔接触可靠，导线长度应尽量短，导线两端的绝缘皮 不能剥去太长或过短，一般以（7～8）mm 长为宜，所有导线都应弯成弧形而不要成直角。 利用导线弧形的张力可以确保与插孔间的接触良好。 电路的布局应与主要元器件为中心，按信号流向从左至右合理设计。电路与外接仪器
RB2
RC
CB
+VCC CC
用硅管；
I1
由放大器上限频率fH确定管子的频率参数（fT）； Vi 根据放大器的负载大小选择管子的最大功率PCM 和最大电流ICM参数；
RB1
RE1 RE2
RL Vo CE
根 据 放 大 器 的 电 源 VCC 选 择 管 子 的 耐 压 参 数 V(BR)CEO。
图 2.2 设计的 BJT 共射放大器
的连接端、测试端要布置合理，便于操作。 为防止各种干扰，放大器的输入端应与元件直接相连，最好不要引线。而其输出线、
高频线、大电流线都要远离放大器的输入端，以免分布参数影响电路性能。合理布置地线 更是抑制干扰产生的重要方法。
2． 放大器的调试方法 电路安装前，要先检测元器件是否好坏，参数能否满足设计要求。安装完成后，要用 万用表检测电路接触是否可靠、电源端有否短路。一切正常后才能通电调试。 放大器的调试应按先静态后动态的顺序进行。静态调试主要是测量静态工作点。其方 法是不加输入信号，将放大器输入端（CB左B 端）接地。用万用表分别测量晶体管的各极对 地的电压VBQ、VEQ、VCQ。通过这些测量数据，分析、判断晶体管的工作状态（放大、饱 和、截止等）。例如，若出现VCQ ≈ VCC，说明管子工作在截止状态；如果出现VCQ<VBQ, VCEQ<0.5V说明管子已经饱和。当测量表明管子工作在放大状态，但与所设计的静态工作 点偏离较大时，都需要调整静态工作点。调整方法一般是改变放大器的上偏置电阻RB2的 阻值。为了便于实验调试，RB2应由固定电阻和电位器串联构成。 放大器静态工作点的设置是否合理，必须进行动态测试。即给放大器送入规定的正弦 波（如Vi =10mV, fi =1kHZ ），用示波器观察放大器输出电压波形是否失真。若出现波形顶部 或底部削波失真（顶部削波为截止失真，底部削波为饱和失真），说明静态工作点Q偏低或 偏高；若波形不失真，再逐步加大输入信号Vi的幅度直至输出波形顶部和底部同时出现失 真，这说明静态工作点设置得比较合适，可以获得最大的不失真动态范围。最后纪录测量 值（VCC、VBQ、VEQ、VCQ），确定放大器电路合理的静态工作点Q（VBQ、ICQ、VCEQ）值和 输出最大不失真动态范围Vop-p。
态范围。
二、课题分析及设计思路
用BJT可以构成三种基本放大器：共射、共基和共集放大器。根据性能指标要求，共
集放大器不能满足AV指标，共基放大器具有低的Ri，而共射放大器可以实现各项指标的要 求，故选择后者。
要求放大器的温度特性好，就意味着放大器的静态工作点Q要稳定。影响Q稳定的主
要因素是BJT的特性、电源+VCC的变化及放大器的偏置电路结构。VCC的变化可采用稳压的 方法来解决，决定BJT特性的参量几乎都与温度有关，但主要是VBE和ICO，因此可采用如 图 2.1 所示的分压式电流负反馈偏置电路来稳定Q。
RE1
≤ ( RL' AV
− re )
(2 - 7)
由于放大器输入电阻 Ri ≈ rbe + βRE1 ≈ rbb' + β (re + RE1 ) ，故管子的β可由下式估算：
β ≥ Ri re + RE1
分压电阻RB2、RB1可由选定的ICQ、VBQ和β来计算，
(2 - 8)
RB1 = VBQ =
管子β值的选择应考虑放大器的增益要求，一般要大于AV值。β值越大，β的变化对
放大器增益的影响就越小。但应注意，β值过大也会导致放大器的工作不稳定。通常选β
在 100 左右为宜。
2.静态工作点 Q 的确定
放大器静态工作点最重要的参量是ICQ，ICQ小电路静态功耗小、噪声低。对于小信号 放大器，一般取ICQ=(0.5～2)mA。
幅频特性的近似绘制方法：将AV化成以分贝（dB）为单位的表达形式，横坐标频率按 对数刻度取值。先在横坐标上分别过fH和fL作直线，再过AV(dB)作水平线（中频段）分别交 于直线fH和fL，最后分别过两交点作斜率为+20 dB /十倍频（低频段）和−20 dB /十倍频（高 频段）的直线即可。
A& V
=
−
βRL' rbe
若不接CE，则
(2 - 3)
RB2
RC
CB
I1
Vi
RB1
RE
+VCC CC
RL Vo CE
图 2.1 分压式电流负反馈偏置共射放大器
A& V
≈ − βRL' rbe + βRE
≈− rbb'
βRL' + β (re + RE )
≈ − RL' re + RE
(2 - 3)
上、下限频率fH和fL的测量方法是，先测出放大器中频区（如fi =1kHZ ）的输出电压Vo， 然后升高信号源频率（保持Vs不变）直至输出电压降到 0.707Vo为止，此时所对应的信号源 频率就是上限频率fH。同理，维持Vs不变降低信号源频率直至输出电压降到 0.707Vo为止， 此时所对应的信号源频率就是下限频率fL。
要求。RC小动态范围宽，但增益低。一般可取RC≥RL。
RE（= RE1+ RE2）的选择应先满足静态偏置条件，由下式确定,
RE
≈ VBQ − VBE I CQ
= VEQ I CQ
(2 - 6)
然后，分出一部分RE1来满足放大器输入电阻Ri和增益AV的要求。故可用下式确定RE1
值：
式中 re = 26mV 。 I EQ (mA)
要忽略β对放大器增益的影响，只要满足条件 β (re + RE ) >> rbb' 即可。 RE的接入，还可以提高放大器的输入电阻Ri，降低下限频率fL，但会减小其不失真动 态范围。权衡放大器的各项性能指标要求，可采用图 2.2 所示改进后的电路来实现。
三、电路元件选择及参数计算
1． BJT 的选择 根据温度特性要求选择管子的类型（硅或锗管）。 由于硅管的温度特性一般优于锗管，在低频下通常选
该电路的静态工作点Q主要由RB1、RB2、RE、RC、及+VCC所决定。理论分析证明，Q 的稳定最终取决于ICQ是否稳定。而ICQ稳定的条件是：
VBQ恒定→
I1>> IBQ
→VBQ ≈
RB2 RB1 + RB2
VCC
(2 -1)
VBQ>>VBE → VBQ ≈ VEQ
要忽略BJT的β参数对放大器性能影响，且具有最
六、放大器性能指标测试
放大器静态调试完成后就可对放大器的各项性能指标进行测试。测量系统可按图 2.3 组成。示波器用于观测放大器的输入、输出电压波形及各种电压值的测量、时间和频率的 测量。毫伏表用于测量电压信号的有效值。信号发生器为放大器提供频率、幅度可变的不 同波形的电压信号。应注意，当频率改变时，信号发生器的输出电压值可能变化，应实时 观测和调整，以保持给定的值不变。所有仪器的接地端都应与放大器的地线相连接。
―
式中，Vs为信号源的输出电压值。 3． Ro的测量
图 2.4 Ri测量电路
放大器的输出电阻反映了它带负载的能力。Ro愈小，放大器带负载的能力愈强。当Ro
<<RL时，放大器可等效成一个恒压源。Ro的测量方法如图 2.5 所示，选定负载电阻RL（一
般取Ro ≈ RL），在输出波形不失真情况下，先测量RL 未接入（即放大器开路）时的输出电压V&o 的值；再 接入RL，测量放大器负载上的电压V&oL 的值，则
放大器从信号源获取最大功率。Ri的测量方法是选择一个已知电阻R(一般可令R ≈ Ri)，将
其串联在放大器和信号源之间（如图 2.4 所示），在输出波形不失真情况下，用示波器或毫
伏表分别测出V&s 和V&i 的值，则
Ri
=
Vi Vs − Vi
R
(2 -15)
信 号 源
+R V&s
―
+
放
V&i
Ri
大 器
BJT 单管放大器设计、仿真及实验
学习目标： 学会用 BJT 构造交流电压放大器，掌握其工程设计方法；学会用 EDA 软 件（Proteus）仿真放大器的工作状态；掌握放大器的安装、实验调试及基本性能 RC 耦合的单管电压放大器。 1． 给定条件： VCC = +12V, RL = 3KΩ, Vi = 10mV, Rs = 50Ω。 2． 性能指标： AV > 20, Ri > 3kΩ, Ro < 5kΩ, fL < 20HZ, fH > 500kHZ。 3． 其它要求：温度特性好；BJT 的β参数对放大器性能影响小；具有最大的不失真动
大的不失真动态范围，射极偏置电阻RE和ICQ的选择十分
重要。在上述偏置条件下，ICQ基本恒定，即
I CQ
≈ I EQ
≈ VBQ RE
=
RE
RB2 (RB1 +
RB2
)
VCC
(2 - 2)
由此可见，BJT的β参数变化不会影响放大器的静
态工作点，但β参数变化会影响放大器的增益AV。在图
2.1 中，电容CE将RE交流旁路，故有
β VBQ
I1 (5 ~ 10)ICQ
RB2 ≈ VCC − VBQ RB1 VBQ
(2 - 9) (2 -10)
耦合电容CB、B CC、和旁路电容CE的参数主要根据放大器的下限频率fL指标来计算。 工程设计中，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。各电容的计算如下：
AV = Vo = Vom = Vop-p Vi Vim Vip-p
(2 -14)
如果放大倍数达不到要求，可合理调整RE1或RC来实现。但要注意其对Ri和Ro指标的影
响。
2． Ri的测量
放大器的输入电阻反映了放大器消耗信号源功率的大小。若Ri >>Rs（信号源内阻），则
放大器从信号源获取较大电压；若Ri <<Rs，则放大器从信号源获取较大电流；Ri = Rs，则
为了稳定放大器静态工作点，VBQ和I1一般按以下关系式选取：
VBQ = (3 ~ 5)V (硅管) VBQ = (1 ~ 3)V (锗管) I1 = (5 ~ 10)IBQ (硅管) I1 = (10 ~ 20)IBQ (锗管)
（2-4） （2-5）
3.元件参数计算
RC的选择在满足放大器输出电阻Ro和增益AV的条件下，应考虑最大不失真动态范围的
这里应强调的是，工程中 R、C 的最终取值都必须是标称系列值，而不是上述式中的 计算值。即根据计算值选择与其相近的标称系列值。
四、原理图绘制与电路仿真
用 proteus 软件绘制电原理图，并对所设计的电路进行仿真（虚拟实验），模拟电路的 实际工作状态。通过仿真测试，了解所设计的电路是否满足各项性能指标要求。这样可以 实时修改自己的设计，提高工作效率，降低设计成本。
晶体管毫伏表 信号发生器
直流稳压电源
+
―
+
+VCC
+
vi 被测放大器
vo
―
―
双踪示波器 CH1 CH2
图 2.3 测试放大器性能指标的接线图
下面介绍放大器主要指标的测量方法:
1． AV的测量 在不失真的条件下，用示波器测出输入电压V&i 和输出电压V&o 的值（有效值V、峰值Vm或 峰-峰值Vp-p），若用毫伏表则只能测量电压的有效值。由下式计算AV
CB
≥
(3
~ 10)
2πfL (Rs
1 + rbe
+
βRE1 )
CC
≥
(3
~ 10)
1 2πfL (RC
+
RL )
CE
≥ (1 ~
3) 2πf L [ RE2
1 //( Rs
+ rbe β
+
RE1 )]
(2 -11) (2 -12) (2 -13)
通常取CB=B CC，可在两式中选电阻最小的一式求CBB或CC。比较以上关系式可知，CE是决定 放大器下限频率的关键元件。RE1的接入可以使CB、B CE的取值减小。