晶体管放大器的设计
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晶体管放大器的设计
1 1. 前 言
1.1 序 言
随着人类社会步入信息化社会，电子信息科学技术正以惊人的速度发展，开辟了社会发展的新纪元。随着人类社会步入信息化社会，电子信息科学技术正以惊人的速度发展，开辟了社会发展的新纪元。从20世纪90年代开始至今，通信技术特别是移动通信技术取得了举世瞩目的成就。在通信技术日新月异的今天，学习通信专业知识不仅需要扎实的基础理论，同时需要学习和掌握更多的现代通信技术和网络技术。通信技术正向着数字化、网络化、智能化和宽带化的方向发展。全面、系统地论述了通信系统基本理沦、基本技术以及系统分析与设计中用到的基本工具和方法，并将重点放在数字通信系统上。通信系统又可分为数字通信与模拟通信。传统的模拟通信系统，包括模拟信号的调制与解调，以及加性噪声对幅度调制和角度调制模拟信号解调的影响。而模拟通信又是数字通信的基础。模拟电路是处理模拟信号的电子电路，模拟信号是时间和幅度都连续的信号（连续的含义是在某以取值范围那可以取无穷多个数值）。放大器是能把输入讯号的电压或功率放大的装置，由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成。用在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。
1.2 设计任务
在电子电路中，放大的对象是变化量，常用的测试信号是正弦波。放大电路放大的本质是在输入信号的作用下，通过有源元件（BJT或FET）对直流电源的能量进行控制和转换，使负载从电源中获得输出信号的能量，比信号源向放大电路提供的能量大的多。因此，电子电路放大的基本特征是功率放大，表现为输出电压大于输入电压，输出电流大于输入电流，或者二者兼而有之。在放大电路中必须存在能够控制能量的元件，即有源元件，如BJT和FET等。放大的前提是不失真，只有在不失真的情况下放大才有意义。本实验设计是用晶体管设计一个放大电路，掌握晶体管放大电路的三种基本接法，掌握晶体管放大器静态工作点的设置与调整方法、放大器基本性能指标的测试方法、负反馈对放大器性能的影响及放大器的安装与调试技术。 重点是阻容耦合共射极放大器的静态工作的设置；频率特性和通频带。 难点是静态工作点调整。
晶体管放大器的设计
2 2.放大器与晶体管放大电路
2.1放大器
2.1.1 放大器概述
放大电路广泛应用于各种电子设备中，如音响设备、视听设备，精密仪器、自动控制系统等。放大电路的功能是将微弱的电信号（电流、电压）放大得到所所需要的信号。一个放大器可以用一个带有输入端和输出端的方框表示。输入端结欲放大的信号源，输出端接负载，如图2—1所示。输入信号经过放大器放大后通过输出端接到负载上。如果满足下面两个条件，就说电信号已经放大。
图2—1 放大器方框图
（1） 输出信号的功率大于输入信号的功率。
（2） 力求输出到负载上的信号波形与输入源的波形一致。
2.1.2 对放大器的基本要求
（1）要有足够的放大倍数。
（2）要具有一定宽度的同频带。
（3）非线性失真要小。
（4）工作要稳定
2.2 晶体管放大器
2.2.1 基本放大电路的组成
晶体管基本放大电路如图所示。根据放大电路的组成原则，晶体管应工作再放大区，即u BE>Uon,uCE>>uBE,所以在图所示基本人共集放大电路中，晶体管的输入回路加基极电源Vbb，它与Rb、Re共同确定合适的基极静态电流；晶体管的输出回路加集电极电源信号源
放大器
负载 晶体管放大器的设计
3 Vcc，它提供集电极电流和输出电流。画出图a所示电路的直流通路如图b所示，集电极是输入回路和输出回路的公共端。
交流信号ui输入时，产生动态的基极电流ib，驼载在静态电流上IBQ上，通过晶体管得到放大了的发射极电流iE,其交流分量ie在发射极电阻Re上产生的交流电压即为输出电压uo。由于输出电压由发射极获得，故也称共集放大电路为射极输出器。
2.2.2 静态分析
静态分析：就是求解静态工作点Q，在输入信号为零时，BJT或FET各电极间的电流和电压就是Q点。可用估算法或图解法求解。
图解法确定Q点和最大不失真输出电压
（1）用图解法确定Q点的步骤：已知晶体管的输出特性曲线族→由直流通路求得IBQ →列直流通路的输出回路电压方程得直流负载线→在输出特性曲线平面上作出直流负载线→由IBQ所确定的输出特性曲线与直流负载线的交点即为Q点。
（2）输出波形的非线性失真
非线性失真包括饱和失真和截止失真。饱和失真是由于放大电路中三极管工作在饱和区而引起的非线性失真。截止失真是由于放大电路中三极管工作在截止区而引起的非线性失真。
放大电路要想获得大的不失真输出，需要满足两个条件：一是Q点要设置在输出特性曲线放大区的中间部位；二是要有合适的交流负载线。
（3）直流负载线和交流负载线
由放大电路输出回路电压方程所确定的直线称为负载线。由直流通路确定的负载线为直流负载线；由交流通路确定的负载线为交流负载线，可通过Q、B0),//(LcCQCEQRRIU两点作出。对于放大电路与负载直接耦合的情况，直流负载线与交流负载线是同一条直线；而对于阻容耦合放大电路，只有在空载情况下，两条直线才合二为一。
（3） 最大不失真输出电压有效值
（4） OMU
（5） LCQCESCEQOMRIUUMinU,21
式中：LcLRRR//
说明：当放大电路带上负载后，在输入信号不变的情况下，输出信号的幅度变小。
放大电路静态工作点和动态范围的确定。
等效电路法求解静态工作点
即利用直流通路估算静态工作点BEQU、BQI、CQI和CEQU。其中硅管的vUBEQ7.0； 晶体管放大器的设计
4 锗管的vUBEQ5.0，无须求解；其余三个参数的求解方法为：
（1）列放大电路输入回路电压方程可求得BQI；
（2）根据放大区三极管电流方程BQCQII可求得CQI；
（3）列放大电路输出回路电压方程可求得CEQU；
1、静态工作点稳定的必要性
静态工作点不但决定了电路是否产生失真，而且还影响着电压放大倍数和输入电阻等动态参数。实际上，电源电压的波动、元件老化以及因温度变化所引起的晶体管参数变化，都会造成静态工作点的不稳定，从而使动态参数不稳定，有时甚至造成电路无法正常工作。在引起Q点不稳定的诸多因素中，温度对晶体管的影响是最主要的。
2、温度变化对静态工作点产生的影响
温度变化对静态工作点的影响主要表现为，温度变化影响晶体管的三个主要参数：CBOI、β和BEU。这三者随温度升高产生变化，其结果都使CQI值增大。
硅管的CBOI小，受温度影响小，故其β和BEU受温度影响是主要的；
锗管的CBOI大，受温度影响是主要的。
3、稳定静态工作点的原则和措施
为了保证输出信号不失真，对放大电路必须设置合适的静态工作点，并保证工作点的稳定。（1）采用不同偏置电路稳定静态工作点的原则是：
当温度升高使CI增大时，BI要自动减小以牵制CI的增大。
（2）稳定静态工作点可以归纳为三种方法：
（1）温度补偿；
（2）直流负反馈；
（3）集成电路中采用恒流源偏置技术；
4、典型静态工作点稳定电路——分压式偏置电路的分析
1）Q点稳定原理
分压偏置电路。
稳定静态工作点的条件为：I1＞＞IB和VB＞＞UBE；此时
，即当温度变化时，BQU基本不变。
当温度降低时，各物理量向相反方向变化。这种将输出量（CI）通过一定的方式（利用eR将CI的变化转化为电压EU的变化）引回到输入回路来影响输入量BEU的措施称为反馈。可见，在Q点稳定过程中，eR作为负反馈电阻起着重要的作用。典型静态工作点稳定电路利用直流负反馈来稳定Q点。
2）分压式偏置电路的静态分析 CCbbbBQVRRRU211晶体管放大器的设计
5 分压式偏置电路的静态分析有两种方法：一是戴维南等效电路法；二是估算法，这种方法的使用条件为I1＞＞IBE，或者beRR)1(。
3）分压式偏置电路的动态分析
动态分析时，射极旁路电容应看成短路。画放大电路的微变等效电路时，要特别注意射极电阻有无被射极旁路电容旁路，正确画出“交流地”的位置，根据实际电路进行计算即可。
晶体管放大器的设计
6 3.设计原理
3.1电路工作原理及基本关系式
3.1.1工作原理
晶体管放大器中广泛应用如图3-1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RB1、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，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3-1 阻容耦合共射极放大器
只有当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（1）
负反馈愈强，电路的稳定性愈好。所以要求VBQ>>VBE，即VBQ=（5~10）VBE，一般取
电路的静态工作点由下列关系式确定： 晶体管放大器的设计
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对于小信号放大器，一般取ICQ=0.5mA~2mA，VEQ=(0.2~0.5)VCC
3.1.2 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vA、输人电阻iR、输出电阻及通频带。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
式中R′L=RC∥RL，；rbe为晶体管输入电阻，即
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值。在波形不失真的条件下，如果测出Vi (有效值)或Vim (峰值)与Vo (有效值)或Vom (峰值)，则
2、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。
