单级放大器设计与实验讲座0904

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单级放大器设计与实验讲座,电工电子实验中心,单级放大器设计与实验讲座,一、概述,二、单级放大器工作原理,三、单级放大器的设计,四、单级放大器的调试与性能测试,五、单级放大器的故障分析与排除,六、单级放大器的软件仿真,一、概述,单级放大器是用一个放大管组成的电路。放大管可以是晶体管，或是场效应管。放大器的用途很多，几乎所有的电子设备都离不开放大器。放大器的种类：,按其使用的频率分,：,低频放大器、高频放大器、射频放大器,按功能分有：,电压放大器、电流放大器、功率放大器,按所用器件类型分：,晶体管放大器、场效应管放大器,按工作状态分：,曱类放大器、乙类放大器、丙类放大器,按工作方式分：,共射放大器、共基放大器、共集放大器（晶体管）、共源放大器、共栅放大器、（场效应管）等等。,二、单级放大器的工作原理,（这里介绍的是双极型晶体管放大器）,分压式共射级放大器,二、单级放大器的工作原理,构成晶体管放大器的原则为：,必须设置合适的工作点，使晶体管工作在放大区。（上图为分压式偏置电路）,输入信号必须加在晶体管的,B,极与,E,极之间。,i,E,=Is(e,uBE/UT,-1),Is,e,uBE/UT,必须设置合理的信号通路。当信号源及负载与放大器相接时，不能破坏原设置的工作点，同时尽量减小信号通路中的损耗。（在多级放大器中或在与信号源及与负载相接处都加隔直电容，或称耦合电容）,1,、直流图解分析,图解分析就是利用晶体管的输入、输出特性曲线和电路的外特性，经作图的方法来分析电路的静态工作点、工作状态、工作过程及性能的传统方法。,由放大器构成的原则可知，必须有直流偏置，首先观察直流情况。,直流等效电路图,输入特性曲线及直流负载线,Q,0,u,BE,U,bb,I,BQ,U,BEQ,i,B,外电路输入回路方程,I,B,=(Ubb-UBE)/Rb+(1+,)Re,I,B,=0,U,BE,=,Ubb,U,BE,=0,I,B,=(Ubb/Rb+(1+,)Re,(Ubb/Rb+(1+,)Re,Rb,增大，,Q,点下移，即,IBQ,减小。,Q,Q,Rb,减小，,Q,点上移，即,IBQ,增大。,注意：,Rb,的变化对基极电流的影响很大，对基极发射级电压影响较小。,输出特性曲线及直流负载线,Q,Q,Q,u,CE,i,C,U,CEQ,I,CQ,I,C,=(E,C,-U,CE,)/(,Rc+Re,),令,Ic,=0,U,CE,=,Ec,U,CE,=0,Ic=,Ec/(Rc+Re,),E,C,Ec/(Rc+Re,),0,I,BQ,Rc,增大，,Q,点左移，,U,CEQ,左移，,I,CQ,基本不变,Rc,减小，,Q,点右移，,U,CEQ,增大,2,、交流图解分析,输入回路的交流动态电路方程：,ube,=,ui,=us-,ib,Rb,Rb,=Rs/Rb1/Rb2,us=us/(Rs+Rb1/Rb2)Rb1/Rb2,因交流电压是叠加在静态偏置上进行传输的，所以，总的瞬时电流为：,iB,=,I,BQ,+i,b,=,I,BQ,+(us-u,be,)/Rb,u,BE,=,U,BEQ,+ube,输入回路的交流负载线方程：,i,B,=,I,BQ,+us-(u,BE,-u,BEQ,)/Rb,晶体管输入特性曲线及交流负载线,Q,0,U,bb,I,BQ,U,BEQ,i,B,(Ubb/Rb+(1+,)Re,u,BE,i,B,=,I,BQ,+us-(u,BE,-u,BEQ,)/Rb,当,us=0,时：,u,BE,=,U,BEQ,i,B,=,I,BQ,利用求截距的方法：,当,us=0,时，令,i,B,=0,u,BE,=,U,BEQ,+I,BQ,Rb,当,us,变化时，在横轴上的截距就变化，于是得到许多平行直线。,-1/Rb,交流负载线,直流负载线,晶体管输出特性曲线与交流负载线,Q,u,CE,i,C,U,CEQ,I,CQ,E,C,Ec/(Rc+Re,),I,BQ,交流负载线,直流负载线,交流输出回路外电路方程：,ic,=-,uce,/RL,总瞬时电流：,i,C,=,I,CQ,+ic,=I,CQ,-,uce,/RL,总瞬时电压：,u,CE,=,U,CEQ,+uce,uce,=,u,CE,-U,CEQ,交流负载线方程：,i,C,=I,CQ,-(,u,CE,-U,CEQ,)/RL,当输入信号为零时，,uce,=0,u,CE,=,U,CEQ,i,C,=I,CQ,说明交流轨迹经过,Q,点。,令,i,C,=0,I,CQ,RL=,u,CE,-U,CEQ,得到,u,CE,轴上一个交点，连接该点与,Q,点，就是交流负载线。,1/RL,放大器图解分析,Q,0,U,bb,I,BQ,U,BEQ,i,B,u,BE,u,CE,i,C,U,CEQ,Q,I,CQ,直流负载线,交流负载线,单级放大器的工作原理,用图解法说明外偏置电路对工作点的影响以及直流与交流之间的关系：,单级放大器的工作原理,放大器各极电流和电压波形如右图所示,从波形中可见：,输入交流信号时，各极电压、电流在各自的工作点附近变化。,只有交流分量随输入信号变化。但直流必不可少。,输入与输出波形倒相,单级放大器的工作原理,共射放大器的性能指标：,Au电压放大倍数,Au=-,RL/rbe,rbe=rbb+(1+,)26(mV)/I,eQ,(mA),rbb很小，Au,RLI,eQ,(mA),/,26(mV),Au几乎与,无关，要提高Au可增大RL或I,cQ。,单级放大器的工作原理,输入电阻,Ri,Ri=Ui/Ii=Rb1,|Rb2|rbe,rbe,输出电阻,Ro,Ro=Rc,三、单级放大器的设计,电路结构要求：,采用分压偏置共射放大电路，如下图所示,单级放大器的设计,电路指标:,电压放大倍数Au,50,输入阻抗Ri1K,输出阻抗Ro=3K,输出电压峰峰值Uopp2V,幅频特性：fL500Hz;fH200kHz,设计条件：,电源电压12V,RL3K,单级放大器的设计,1、确定Rc、UceQ,因Ro=Rc，Ro=3K,，Rc=3K,因Uopp,2V，饱和压降为1V，则,UceQ=1/2Uopp+Uces,=1+1=2V,取3V。,单级放大器的设计,2、确定I,cQ,、R,E,一般取U,BQ,（1/51/3）E,C,取1/3E,C,4V,U,EQ,=U,BQ,-0.7=3.3V,I,CQ,=(E,C,-U,CEQ,-U,EQ,)/R,C,=(12-3-3.3)/3=1.9mA,R,E,U,E,/I,CQ,=1.7K,（取标称值2K或1.5K）,第二种求,ICQ,的方法,因UCEQUCESICQ,*,RL,ICQ=(3-1)/1.5=1.33mA（与上述计算有差异，一般小信号放大器工作电流在0.5mA2mA最终依靠调试的结果）。,两种数据可核算一下指标是否满足要求,输入电阻Ri:,Ri=rbe/Rb1/Rb2=rbe=rbb+,26/ICQ,=200+1400=1600,(ICQ=1.9mA时),单级放大器的设计,3、确定Rb1、Rb2的值,I,BQ,=I,CQ,/,(,取100),R,b2,=U,BQ,/I=U,BQ,/10I,BQ,4/0.19mA=21K(取22K),Rb1=(E,C,-U,BQ,)/I=8/0.19=42K(取22K为固定电阻，68K为可变电阻)。,单级放大器的设计,4、核算指标：,AU-(,RL)/rbe,I,CQ,(mA)RL/26(mV),=(1.9*1.5*1000)/26=109,Ri=Rb1|Rb2|rbe,rbe=rbb+(1+,)26(mV)/I,CQ,=300+1368 1.7K,单级放大器的设计,U,OPP,:,U,OPP,=2I,CQ,*R,L,=2*1.9*1.5=5.7V,Ro=Rc=3K,单级放大器的设计,5、,为什么要设置直流工作点,：,为了使放大电路能正常工作,必须给放大电路设置合适的静态工作点,以保证信号在基本上不失真的条件下，能顺利地输入、输出。,换句话来讲，设立直流工作点就是要减小放大电路的非线性失真，而非线性失真包括两种：饱和失真 和 截止失真。,单级放大器的设计,6、,为什么要考虑放大器的输出信号动态范围,主要是指,:,工作点的选择不可偏高或者偏低。,工作点偏高：会出现饱和失真；,工作点偏低：会出现截止失真。,单级放大器的调试与性能测试,1,、单级放大器静态工作点的测量,U,EQ,、,U,CQ,、,U,BQ,、,U,CEQ,、,I,CQ,直流工作点,可用万用表直接测量，但要考虑万用表内阻的影响。,I,CQ,间接测量：,I,CQ,U,EQ,/R,E,；,U,BQ,U,EQ,0.7V,或用示波器（输入耦合放置,DC,档）直测,U,BQ,。,工作点偏离正常值时，可调上偏电阻,Rb1,。若不起作用，则说明电路出现故障，要排除。排除方法后面介绍,直流工作点测试：,2.7V,2V,2mA,2mA,4V,测,U,eQ,测,U,cQ,单级放大器的调试与性能测试,2,、交流参数的测量,（,1,）观察输入输出波形，确定静态工作电压,输入信号：,Ui=510mV,，,fi=1KHZ,观察输入输出波形应不失真，且相位相差,180,度。加大输入电压幅度，直至出现失真。若出现上削顶或下削顶，则调整,Rb1,，使上下同时出现削顶，说明工作点在中点，重新测试静态电压，并作好记录。,仪表的接,“,地,”,要求：,仪表与被测电路必须接在同一,“,地,”,上。注意仪表,“,地,”,线的正确接入与撤出。接入：先,“,地,”,线后信号线；,撤出：先信号线后,“,地,”,线。,单级放大器的调试与性能测试,（,2,）电压放大倍数,Au,的测量：,Au=,Uo/Ui,Ui,：电压取值为输出波形不失真，一般为,510mV,（有效值）,fi,:,频率取值为频带内的中段。一般为,1KHz,。,用示波器监测输出波形不失真。,单级放大器的调试与性能测试,（3）幅频特性的测量,测量接线框图如上图,记下中频时的Uim和Uom,改变输入频率（保证电压幅度不变）,记下0.707Uom时的最低频率f,L,和最高频率f,H,频带宽度,ff,H,-f,L,用对数表示的幅频特性见书P29（图226）,注意：所用电压表的频率范围必须大于被测信号的频率范围。可用扫频仪测频率特性。,单级放大器的调试与性能测试,（,4,）最大不失真输出动态范围的测量,输入信号频率为,fm,Ui,Uo,失真,用示波器观察,（调整工作点，使同时,出现截止和饱和失真）,非线性失真是晶体管的,非线性造成。,单级放大器的调试与性能测试,（,5,）输入电阻,Ri,的测量,串联电阻法：,取,RRi,Ri=Ui/Ii=(Ui R)/(Us-Ui),注意事项：,电压表分别测,Us,、,Ui,电压表在同一档测试,高输入电阻不能用此法,保证输出波形不失真时测量,单级放大器的调试与性能测试,替代法测量,Ri,：,取,RRi,，,R,W,（,1.21.5,）,Ri,使,U,RW,Ui,则,R,W,Ri,注意事项：,同串联电阻法,单级放大器的调试与性能测试,半电压法测量,Ri,取,R,W,（,1.21.5,）,Ri,，先将,K1,、,K2,置“,1”,，得,Uo,再将,K1,、,K2,置“,2”,，得,Uo/2,，测,R,W,值为,Ri,。,此法可用于高输入电阻的测量,单级放大器的调试与性能测试,（,6,）开路电压法测,Ro,取,RRo,K,打开时测得,Uo,，,合上时,测得,Uo,Ri=(Uo,/Uo-1,）,R,注意事项：,测量输出电阻时，不接,RL,被测电路的输出电阻很小时，,R,可取得大些。,单级放大器的调试与性能测试,半电压法测,Ro:,取,R,W,=(1.2,1.5,)Ro,断开,K,，测得,Uo,；,合上,K,，调,R,W,，使,U,RW,=1/2Uo,则测得,R,W,的值为,Ro,。,以上测试均在输出波形不失真的情况下进行。,