晶体管放大器的设计

设计任务书一、设计目的1、学习晶体管放大器的设计方法；2 、研究静态工作点对输出波形的影响及静态工作点的调整方法；3 、掌握静态工作点电压放大倍数的输入电阻、输出电阻的测试方法；4 、研究信号源内阻对波形失真的影响。

二、设计要求与技术指标1、技术指标：+Vcc=12V，外接负载Rl=2k,Vi=10mv,Rs=50Ω，工作频率100Hz-500 Hz,电压放大倍数大于30，输入电阻大于2K，输入电阻小于3K，电路稳定性好。

2、设计要求：（1）设计一个分压式电流负反馈偏置的单级共射极的小信放大器，输入和输出分别用电容和信号源及负载隔直流，设计静态工作点，计算电路元件参数，拟定测试方案和步骤。

（2）在面包板或万能板上安装好电路，测量并调整静态工作点。

（3）测量设计好的电路的偏置电压和电流。

（4）测量所设计电路的实际电压放大倍数。

（5）测量所设计电路的实际输入、输出电阻。

（6）给所设计的电路加上频率为20KHZ，大小适合的正弦波，调节偏置电阻，用示波器预测输出波形在无失真、饱和失真和截止三种情况下，记录相应的偏置电阻大小、I和波形，并CQ绘制表格；（7）用EWB对电路进行防真，打印防真结果。

（8）写出设计报告。

三、电路设计原理及工作原理说明1、设计原理由NPN型三极管构成的共发射极放大电路如下图所示；待放大的输入信号源接到放大电路的输入端，通过电容C1与放大电路相耦合，放大后的输出信号通过电容C2的耦合，输送到负载RL，C1、C2，起到耦合交流的作用，称为耦合电容。

为了使交流信号顺利通过，要求它们在输入信号频率下的容抗很小，因此它们的容量均取得较大，在低频放大电路中，常采用有极性的电解电容器，这样，对于交流信号，C1、C2可视为短路。

为了不使信号源及负载对放大电路直流工作点产生影响，则要求C1、C2的漏电流应很小，即C1、C2还具有隔断直流的作用，所以C1、C2也可称为隔直流电容器。

共发射极放大电路直流电源VCC 通过RB1、RB2、RC、RE使三极管获得合适的偏置，为三极管的放大作用提供必要的条件，RB1、RB2称为基极偏置电阻，RE称为发射极电阻，RC称为集电极负载电阻，利用RC的降压作用，将三极管集电极电流的变化转换成集电极电压的变化，从而实现信号的电压放大。

电路中所有电容均断开即可得到该放大电路的直流通路，三极管的基极偏置电压是由直流电源V CC 经过R B1、R B2的分压获得所以又叫做“分压偏置式工作点稳定直流通路”。

BQU =CC B B B V R R R ⨯+212EBEQBQ BQ R U U I -=CQ I ≈EQ I ， BQ I ≈βEQICEQ U =E EQ C CQ CC R R R I V ⨯-⨯-≈)(E C CQ CC R R I V +⨯-由于三极管的β、CBQ I 和BE U 等β和CBQ I 增大，而管压降BE U 下降。

这些变化都将引起放大电路静态工作电流CQ I 的增大；反之，若温度下降，CQ I 将减小。

由此可见，放大电路的静态工作点会随工作温度的变化而漂移，这不但会影响放大倍数等性能，严重时还会造成输出波形失真，甚至使放大电路无法正常工作。

分压式偏置电路可以较好地解决这一问题。

2、工作原理阻容偶合共射极放大器晶体管放大器中广泛应用如上所示的电路，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R B1、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，单温度身高时，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。

四、电路设计与调试1.选择电路形式及晶体管采用如原理图所示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,其β值为60.2. 设置静态工作点并计算元件参数由于是小信号放大器，故采用分压式设置静态工作点Q，计算如下：要求Ri (Ri≈rbe)>2kΩ，根据式：r be=r b+(1+β) ２６mv{I EQ}mA·mA≈300Ω+β２６mv ,得：{I CQ} mA·mA若取V BQ=4V，由式R E≈V BQ－ＶBE/I CQ,得:R E≈4－0.7/0.9 =3.67 KΩ,取标称值3.5 KΩ.由式R B2=V BQ/I1=V BQ·β/(5～10)I CQ，得：R B2=4β/（6×0.9）=44 KΩ由式R B1≈（V CC－V BQ）ＲB2/V BQ，得：R B1≈（12－4）×44/4 =88 KΩ为使静态工作点调整方便，R B1 由30KΩ固定电阻和100KΩ电位器相串联而成。

由式r be≈300Ω+26mV·β/{I CQ} mA·mA,得：r be=300Ω+26×60/0.9 =2033 Ω由式Àv=V o/V i=－βR L＇／r be ，得：R L＇＝Ａv r be ／β＝30×2000/60=1KΩ R C=R L＇R L/ R L－R L＇=1×2 / 2－1 =2KΩ比较式:①C B≥(3～10)/2πf L(R S+r be)②C C≥(3～10)/ (R C+R L)，由于(R S+r be)＜(R C+R L)，故由C B≥(3～10)/ 2πf L(R S+r be)计算C B，即 C B≥(3～10)/ 2πf L(R S+r be)=6/2×3.14×400（50+2000）=11.6μF，取标称值12μF取C C=C B=12μF，由式C E≥（1～3）/ 2πf L（R E∥R S+r be /1+β），得： C E≥2 / 2×3.14×400（3.5∥500+2000/1+60）=251μF取标称值300μF3、根据以上计算内容确定电路所需参数，得出总电路图见附录A4、 电路的调试根据设计计算的元件参数组装电路。

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，将方法器输入端接地。

用万用表分别测量晶体管的B 、E 、C 极对地电压V BQ 、V EQ 、V CQ 。

若出现V CQ ≈V CC ，说明晶体管工作在截止状态；若V CEQ <0.5V ，说明晶体管已经饱和，遇上上诉两种情况，或者测量值与所设置的静态工作点偏离较大时，都需调静态工作点，调整方法是改变放大器上偏置电阻R B1的大小，即阻值同时用万用表分别测量晶体管的各极的电位V BQ 、V CQ 、V EQ 并由V CEQ ≈V CC -I CQ （R C +R E ） 求V CEQ ;I CQ =(V BQ -V BE )/R E 计算I CQ ;若V CEQ 为正几伏,则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输入规定的输入信号，若放大器的输出Ｖo 的波形顶部被压缩，这种现象称为截止失真，说明静态工作点Q 偏低，应增 Vi Vo(t)基极偏流I BQ ，如果输出波形的底部被削波则称为饱和失真，说明静态工作点Q 偏高，应减小I BQ 。

如果增大输入信号，输出波形无明显失真，或者逐渐增大输入信号时 截止失真 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的比较合适。

此时移去信号源，分别测量放大器的静态工作点V BQ 、V EQ 、V CEQ 及I CQ 。

五、主要技术指标测量及误差分析1、主要技术指标的测量⑴ 用万用表测得静态工作点如下表:⑵ 测量电压增益V A在放大器输入端加上f=1KHZ,mV p p V i 28=-正弦波，在输出波形不失真时，测得V i 和V o 的波形如图5-1所示t图5-1输入输出波形由图可知：P O P V V A -=/P iP V -=7.72V/234mV=33根据电路参数，理论计算为：V BQ =R B2V CC /(R B1+R B2)=4 V V EQ =V BQ -0.7V=3.3 VI CQ ≈V EQ /R E =0.9mAR i ≈r be =300Ω+β26 mV/I CQ mA=2K ΩR 0≈R C =2.21K Ω A V =-ΒL /r be =302、整理与误差分析误差分析： （1）电压增益V A理论计算值V A 取30，相对误差AV γ=（33-30）/30×100%≈10% （2）输入电阻i R理论值i R ≈be r =2.05ＫΩ，实测值i R =2K Ω 相对误差%5.22/)05.22(-=-=Ri γ （3）输出电阻O R理论值,2Ω=≈K R R C O 实测得O R =2.21K Ω 相对误差%5.10%1002/)221.2(=⨯-=RO γ误差产生的原因：（1）各计算公式为近似公式；（2）元件的实际值与标称值不尽相同；（3）在频率不太高时，B E C C ,的容抗不能忽视；（4）测量仪器仪表的读数误差。

六、总结和体会1、通过本次实验掌握了单级阻容耦合放大器的工程设计估算法和如何调整放大器的静态工作点，掌握了放大器的主要性能指标及其测量方法。

尤其是对如何提高放大器的电压增益和扩展通频带的体会较深。

2、进一步熟悉了示波器、信号发生器和万用表的使用方法，以及如何来检查晶体管的好坏。

3、在实验时应保持冷静，测试有条理，遇到问题要联系书本知识积极思考，同时一定要做好实验前的预习和实验中的数据记录，这样才能够在实验后有数据进行分析和总结，写出合格的实验报告。

七、参考文献1 康华光编．电子技术基础·模拟部分．第四版．北京：高等教育出版社2 郭培安编．电子电路及电子器件.北京：育出版社3 李桂安编．电工电子实践初步.东南大学出版社4 金波编．电路分析实验教程.西安-安科技大学出版社5 谢自美编．电子线路设计．实验·测试.第二版.武汉：华中科技大学出版社6 孙胜麟，郭照南．电子技术基础实验与仿真．中南大学出版社7 王丽敏．电路仿真与实验．哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社8 Adel S．Sedra and Kenneth C．Smith．Microelectronic Circuits．3rd ed．CBSCollege Publishing,New York9 Mark N．Horenstein．Microelectronic Circuits and Devices．2nd ed．, Prentice-HallInc,New Jersey10 Jacob Millman and Arvin Grabel．Microelectronics．2nd ed．,McGraw-Hill Book Company,New York八、谢词通过为期两星期的课程设计使我初步掌握了电子电路的设计方法、增强了我理论联系实际的能力，真正感受到了成为一名电子设计师的艰辛。