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e c b b R R R R 、、、21及电源电压CC V +所决定。该电路利用电阻1b R 、2b R 的分压固定基极电位

bQ

V 。如果满足条件

bQ

I I >>1，当温度

升高时，↓↓→↓→↑→↑→cQ bQ be eQ cQ I I V V I ，结果抑制了cQ

I 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

bQ

I I >>1时，才能保证

bQ

V 恒定，这是工作点稳定的必要条件，一

般取

⎪⎭⎪

⎬

⎫==锗管）硅管）()20~10(()10~5(11bQ bQ I I I I （1） 负反馈越强，电路的稳定性越好。所以要求

be

bQ V V >>，即

bQ

V =（5~10）

be

V ，一般取

⎪⎭⎪

⎬

⎫==锗管）硅管）()3~1(()5~3(V V V V bQ bQ （2）

电路的静态工作点有下列关系式确定：

cQ

eQ cQ

be

bQ e I V I V V R =-≈

（3）

对于小信号放大器，一般取

mA

mA I cQ 2~5.0=

CC

eQ V V )5.0~2.0(=

β

cQ

bQ bQ b I V I V R )10~5(1

2=

≈

（4）

2

1b bQ

bQ

CC b R V V V R -≈

（5）

)

(e c cQ CC ceQ R R I V V +-≈ （6）

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V A 、输入电阻i R 、输出电阻0R 及通频带W B 。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

be

L

i

V r R V V A '-=

=••

•

β0

（7）

L

R '=L c R R // ；be r 为晶体管输入电阻，即 )

()

(26300)()(26)

1(mA I mV mA I mV r r cQ eQ b be β

β+≈++= （8） 测量电压放大倍数，实际上是测量放大器的输入电压•

i V 与输出电压•

0V 的值。在波形不失真的条件下，如果测出i V （有效值）或im V （峰值）与0V （有效值）或m V 0（峰值），则

im

m i V V V V V A 00==

（9）

(2)输入电阻为

be b b be i r R R r R ≈=21//// （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

s

i R R >>（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i R ，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i R 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s V 与i V 的值，则有

图2 输入电阻的测试电路

R

V V V R i s i

i -=

（11）

式中s V 为信号源的输出电压值。 (3)输出电阻为

c c R R r R ≈=//00 （12） 式中0r 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，0R 越小，带负载的能力越强。当<<0R L R 时，放大器可等效成一个恒压源。

放大器输出电阻的测量方法如图3所示，电阻L R 应与0R 接近。在输出波形不失真的情况下，首先测量未接入L R 即放大器负载开路时的输出电压0V 的值；然后接入L R 再测量放大器负载上的电压L V 0的值，则有

L

L R V V R ⎪⎪⎭⎫

⎝⎛-=1000 （13） (4)频率特性和通频带。

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

W

B =H f —L f (14)

式中，H f 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；L f 为放大器的下限频率，主要受耦合电容b C 、c C 及射极旁路电容e C 的影响。

f

A U A .U 7070L H

图4 放大器的频率特性

要严格计算电容b C 、c C 及e C 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b C c C 及e C 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L f 已知，则可按式（15）～式（17）进行估算

b C ≥（3～10）

()

be S L r R f +π21

（15）

≥c C （3～10）()L C L R R f +π21

(16)

e C ≥（1～3）

⎪

⎪⎭⎫

⎝⎛++βπ121

be S e L r R R f （17）

通常取b C =c C ，可在式（15）与式（16）中选电阻最小的一式求b C 或

c

C 。