晶体管放大电路设计

晶体管放大电路设计

丁炳亮

一、基础理论

具体一个晶体管电路的计算其实并不困难，真正困难的是根据要求设计出合乎要求且实际性能优良的电路。晶体管电路的计算主要是静态工作点和动态参数的估算。首先需要准备一些基础知识用于理论计算。

1、晶体管计算中用到的几个重要公式：

第一个公式是PN节伏安特性公式，公式中电流电压为直流。

第二个公式是共射接法时，BE的输入的动态电阻，经常用到的一个公式。其中rbb比较小，当电流很小时可以忽略，或者认为是200欧，一些晶体管规格书会给出。需要注意是计算交流等效电路时才有用到这个公式。

第三个公式只要记住26mV即可。

第四公式为转移电导，也就是把晶体管等效为电压控制电流源（h模型等效为CCCS，Pi模型等效为VCCS）。

第五、六个公式为考虑厄利电压时的共射直流放大倍数和CE间电阻，看作CCCS时CE间电阻应该是无穷，但是厄利电压的存在使得该值变小。

2、h等效和Pi等效（微变模型）

一般工程计算使用简化的等效模型就能满足要求了。

简化的h等效模型简化的Pi等效模型

3、共射电压增益

h等效模型计算有

Pi等效模型计算有，注意这个公式忽略了rbb，实际上在电流较大时是不能忽略的，例如β=200，ICQ=26mA，则(26mV/ICQ)* β=200欧，与rbb相近，因此BE结的电压约等于Ube/2。

利用上个公式在不考虑负载时有。

二、最简单的放大电路

1、设计需求

信号源最大幅度为50mV，三极管为9013，h=250，电源电压5V。

这里的h值是用万用表测量出来的，实际的电路设计中h值有一个较大的范围，所以需要考虑对静态工作点的影响。

2、静态工作点估算

一般情况UCQ=Vcc/2，R3是为了减小失真，应该远大于rbe，但取的过大则实际输入到晶体管的电流就很小，这里取3.3K较为合适。

ICQ的确定是关键，需要先计算出最大的输入电流幅度，这里估计rbe=1K，则

IBQ=50mV/4.3K=11.6uA，为了避免失真，另外考虑手头上现有的电阻值，所以IBQ设置为17.4uA，即R2=250K，R1=2.5V/(IBQ*h)=575欧，手头上只有510欧电阻，所以实际的UCQ=2.8V 左右。C2和C1这里不做详细计算都选择用1uF的。

3、动态参数估计

如上图是h等效电路，画出了等效电路就很容易计算动态参数。rbe≈200+26mV*β/ICQ=1.7K，则电压增益为Au=Uo/Ui=-βib(R1//R4)/Ui=-(Ui/(rbe+3.3K))βR2/Ui=-βR2/(rbe+3.3K)=-25。注：这里计算的是电压增益的绝对值，严格的需要用复数表示。

4、电路仿真

电路仿真是为了进一般验证计算的正确性。

先断开信号源测量静态工作点

和计算结构相符合。

接上信号源观察和测量输出电压（通道A红色、通道B蓝色）

输出的上下电压值不对称，说明波形有轻度的失真，按输出1.1V计算电压增益为-22。和理论计算基本相符。

5、电路搭接

这个电路非常简单，就直接用面包板搭接即可。信号源是用手机软件产生的正弦波。

6、参数测量

静态工作点ICQ=2.83V。

输入波形达到要求，实际中发现由于信号源引线太长，且信号幅度非常小，导致有很多干扰信号，上面的波形是示波器设置了低通滤波，所以幅度会偏低些。

输出波形和仿真结果类似，都要轻微失真，按46mV输入，1.02V输出计算，电压增益为-22。

把R3改为5.5K则失真将减小，电压增益也将减小。

输出的电压值已经基本上是上下对称。

对着晶体管哈气，波峰变为840mV、波谷为-860mV。说明温度对晶体管的h参数有很大影响。

三、加入直流电压串联负反馈

加入直流负反馈是为了稳定静态工作点。

1、设计需求

信号源最大幅度为50mV，三极管为9013，h=250，电源电压5V。

2、静态工作点估算

首先需要讨论UEQ的电压取值对静态工作点稳定性的影响。UEQ是反馈电压，UEQ与输入电压相减再输入到晶体管，所以是直流电压串联负反馈。设UEQ的变化量为△UEQ，则ICQ的变化百分比为|△ICQ|/ICQ=|(UEQ+△UEQ)/Re-UEQ/Re|/(UEQ/Re)= △UEQ/UEQ，即UEQ取值越大越有利于静态工作点稳定，但是同时使得UC的动态范围减小（UC=Vcc-UEQ），输出的电压最大幅度也就减小了。一般UEQ取1-2V即可，这里用的是5V电源，所以决定UEQ=1V，假设Ube对温度的变化为-2mV/℃,△T=20℃,则|△UEQ|=40mV,|△ICQ/ICQ|=|△UEQ/UEQ|=40mV/1V=4%，即ICQ变化为4%。

UCQ=(Vcc-UEQ)/2+UEQ=3V

UBQ=UEQ+0.65V=1.65V,R2、R3的选取要满足VccR3/(R2+R3)=UBQ且Vcc/(R2+R3)>>IBQ,

Vcc/(R2+R3)取1.6mA是足够的了，可解得R2=2093,R1=1031,实际取2K、1K，则UBQ=1.67V。

最大输入电流计算可以先用戴维南定律把R1、R2、R3及信号源等效为UI和RI，rbe估为1K，UI/(RI+rbe)=14.3uA,IBQ取15uA,则IEQ≈ICQ=IBQ*h=3.75mA。

R5=UEQ/IEQ=1V/3.75mA=266.7欧，实际用2个510欧并联代替，则IEQ=3.92mA。R4=(Vcc-UCQ)/ICQ=2V/3.92mA =510欧

3、动态参数估计

根据原理图容易画出等效电路如上图。

rbe≈200+26mV*β/ICQ=1858欧

Au=Uo/Ui=-βib(R4//R6)/Ui=-(UI/(RI+rbe))β(R4//R6)/Ui=21.5

4、电路仿真

先断开信号源测量静态工作点

与理论计算相符。

接上信号源观察和测量输出电压（通道A红色、通道B蓝色）