1、晶體管放大器的設計一、實驗目的1. 熟悉晶體管放大器的工作原理，體會晶體管放大器的作用。2. 掌握晶體管放大器靜態工作點的測試和調整方法以及測量晶體管放大器各項動態性能指標的方法。 3. 學習和掌握設計、調試具體晶體管放大器電路的方法與技能。二、實驗原理(一) 設計原理1.工作原理及基本關系式(1)工作原理。晶體管放大器中廣泛應用如圖1所示的電路，該電路稱為阻容耦合共射極放大器，它采用分壓式電流負反饋偏置電路。放大器的靜態工作點Q主要由及電源電壓所決定。該電路利用電阻、的分壓固定基極電位。如果滿足條件，當溫度升高時，結果抑制了的變化，從而獲得穩定的靜態工作點。圖1 阻容耦合共射極放大器(2)基

2、本關系式。當時，才能保證恒定，這是工作點穩定的必要條件，一般取 （1）負反饋越強，電路的穩定性越好。所以要求，即=（510），一般取 （2）電路的靜態工作點有下列關系式確定： （3）對于小信號放大器，一般取 （4） （5） （6）2. 性能指標與測試方法晶體管放大器的主要性能指標有電壓放大倍數、輸入電阻、輸出電阻及通頻帶。對于圖1所示電路，各性能指標的計算式與測試方法如下：(1)電壓放大倍數 （7） = ；為晶體管輸入電阻，即 （8） 測量電壓放大倍數，實際上是測量放大器的輸入電壓與輸出電壓的值。在波形不失真的條件下，如果測出（有效值）或（峰值）與（有效值）或（峰值），則 （9）(2)輸入電阻

3、為 （10）其測試電路如圖2所示。放大器的輸入電阻反映了放大器本身消耗輸入信號源功率的大小。若（信號源內阻），則從信號源獲得最大功率。用“串聯電阻法”測得放大器的輸入電阻，即在信號源輸出與放大器輸入端之間串聯一個已知電阻R（一般以選擇R的值接近的值為宜），如圖2所示。輸出波形不失真情況下，用晶體管毫伏表或示波器分別測量出與的值，則有圖2 輸入電阻的測試電路 （11） 式中為信號源的輸出電壓值。(3)輸出電阻為 （12） 式中為晶體管的輸出電阻。 放大器輸出電阻的大小反映其帶負載的能力，越小，帶負載的能力越強。當 時，放大器可等效成一個恒壓源。放大器輸出電阻的測量方法如圖3所示，電阻應與接近。在

4、輸出波形不失真的情況下，首先測量未接入即放大器負載開路時的輸出電壓的值；然后接入再測量放大器負載上的電壓的值，則有 （13）(4)頻率特性和通頻帶。 放大器的頻率特性包括幅頻特性和相頻特性。表示增益的幅值與頻率的關系；表示增益的相位與頻率的關系；是放大器輸出信號與輸入信號間的相位差。 圖3 輸出電阻測試電路放大器的頻率特性如圖4所示，影響放大器頻率特性的主要因素是電路中存在的各種電容元件通頻帶 = (14)式中，為放大器的上限頻率，主要受晶體管的結電容及電路的分布電容的限制；為放大器的下限頻率，主要受耦合電容、及射極旁路電容的影響。 圖4 放大器的頻率特性要嚴格計算電容、及同時存在時對放大器低

5、頻特性的影響，較復雜。在實際設計中，為了簡化計算，通常以每個電容單獨存在時的轉折頻率為基本頻率，再降低若干倍作為下限頻率。電容及單獨存在時所對應的等效回路如圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）所示。如果放大器的下限頻率已知，則可按式（15）式（17）進行估算 （310） （15） （310） (16) （13） （17）通常取=，可在式（15）與式（16）中選電阻最小的一式求或。 （a） 等效 (b) 等效 (c) 等效 圖5 與電容、及對應的等效電路放大器的幅頻特性可通過測量不同頻率時的電壓放大倍數來獲得。通常采用“逐點法”測量放大器的幅頻特性曲線。測量時，每改變一次信號源的頻率（注意維持輸入

6、信號的幅值不變且輸出波形不失真），用晶體管毫伏表或示波器測量一個輸出電壓值，并計算增益，然后將測試數據、 表，整理并標于坐標紙上，再將其連接成曲線，如圖4所示。 如果只要求測量放大器的通頻帶，首先測出放大器中頻區（如）出電壓V。然后升高頻率直到輸出電壓降到0.707為止（維持不變），此時所對應的信號源的頻率就是上限頻率。同理，維持不變降低頻率直到輸出電壓降到0.707 為止，此時所對應的頻率為下限頻率，放大器的通頻帶。 根據設計題目繪制實際電路圖， 電路的安裝與調試。(二)電路的安裝與調試1. 靜態工作點的測量與調整根據設計計算所得的元件參數組裝電路（應盡量按照電路的形式與順序布線）。通電前，

7、先用萬用表檢測連接導線是否接觸良好，然后接通電源，測量電路的靜態工作點。測量方法是不加輸入信號，將放大器輸入端（耦合電容左端）接地。用萬用表分別測量晶體管的基極、發射極和集電極對地的電壓、及。如果出現，說明晶體管工作在截止狀態；如果，說明晶體管已經飽和。遇到上述兩種情況，或者測量值與所設置的靜態工作點偏離較大時，都需要調整靜態工作點。調整方法是改變放大器上偏置電阻的大小，即調節電位器的阻值，同時用萬用表分別測量晶體管各極的電位、 及，并由式（6）計算及由式（3）計算。如果為正幾伏，說明晶體管工作在放大狀態，但并不說明放大器的靜態工作點設置在合適的位置，所以還要進行動態波形觀測。給放大器送入規定

8、的輸入信號，如=10m V，=1kHz的正弦波。若放大器的輸出的波形的頂部被壓縮（見圖4-6（b），這種現象稱為截止失真），說明靜態工作點Q偏低，應增大基極偏流。如果輸出波形的底部被削波（見圖4-6（a），這種現象稱為飽和失真），說明靜態工作點Q偏高，應減少。如果增大輸入信號時，輸出波形的頂部和底部差不多同時開始畸變，說明靜態工作點設置得比較適合。此時移去信號源，分別測量放大器的靜態工作點、及。 （a）飽和失真 （b）截止失真圖6 波形失真 2. 性能指標測試與電路參數修改 按照圖7所示的測量系統的接線方式來測量放大器的主要性能指標。示波器用于觀測放大器的輸入、輸出電壓波形，晶體管毫伏表用于測

9、量放大器的輸入、輸出電壓。當頻率改變時，信號發生器的輸出電壓可能變化，應及時調整，以維持輸入電壓始終不變。所有儀器的 圖7 觀測放大器性能指標接線圖 接地端都應與放大器的地線相連接。測量前，首先使信號發生器的頻率調到放大器中頻區的某個頻率上，（例如使=1kHz，幅值調到放大器所要求的電壓值，例如=10mV有效值），然后按照放大器性能指標的測試方法分別測量、。對于一個低頻放大器，要求電路的穩定性好、非線性失真小、電壓放大倍數大、輸入阻抗高、輸出阻抗低、低頻響應低，但這些要求很難同時滿足。例如，要提高電壓放大倍數，由式（7）可以有3種途徑實現，即 增大會使輸出電阻增加，減小會使輸入電阻減小。如果及

10、離指標要求還有充分余地，則可以通過實驗調整或，但改變或又會影響電路的靜態工作點?？梢娭挥刑岣呔w管的放大倍數，才是提高放大器電壓放大倍數的有效措施。對于圖1分壓式直流負反饋偏置電路，由于基極電位固定即亦基本固定。即 （18）所以，改變不會影響放大器的靜態工作點。若要降低放大器的下限頻率，根據式（15）和式（17），也可以有3種途徑實現，即 無論哪一種途徑都會影響放大器的性能指標，故只能根據具體指標要求，綜合考慮。設計出滿足要求的放大器，根據實驗調整后的元件參數與設計計算值會有些差別，應根據測量結果驗算并進行誤差分析。3. 測量結果與誤差分析(1) 靜態工作點測量。(2) 性能指標測量。(3)

11、電路參數討論及誤差分析。*(三)負反饋對放大器性能的影響引入負反饋后，放大器的電壓放大倍數將下降，其表達式為 （19）式中，為反饋網絡的傳輸系數；為無負反饋時的電壓放大倍數。在引入負反饋后，雖然電壓放大倍數下降，但可以改善放大器的性能。1. 提高放大器增益的穩定性。由式（19）可見，1+越大負反饋越強，若>>1，則深度負反饋放大器的電壓增益僅與反饋網絡有關，而與電路的其他參數無關。2. 擴展放大器的通頻帶。負反饋放大器的上限頻率與下限頻率的表達式分別為 （20）可見，引入負反饋后通頻帶加寬。3. 改變放大器的輸入電阻和輸出電阻。一般并聯負反饋能降低輸入阻抗，串聯負反饋能提高輸入阻抗

12、。電壓負反饋使輸出阻抗降低，電流負反饋使輸出阻抗升高。圖8所示的電路為電流串聯負反饋放大器，與圖1相比，僅增加了一只射極電阻 ，分析表明，電路的反饋系數 （21） 電壓放大倍數 （22） 圖8 電流串聯負反饋放大器分析表明，取幾歐姆時，可以明顯提高放大器的輸出阻抗，降低放大器的下限頻率，即放大器要求不高時，采取圖8所示的電路較多，若采用圖1所示的電路，則電容必須增大很多，才能使明顯下降，對圖4-8所示的參數較低。三、實驗內容1.設計題目：單級晶體管阻容耦合放大器的設計設計任務： （1）已知條件（2）性能指標要求，2.設計舉例設計一阻容耦合單級晶體管放大器。已知條件 ，。性能指標要求 ， ， ，

13、。首先，選擇電路形式級晶體管。采用如圖9所示的分壓式電流負反饋偏置電路，可以獲得穩定的靜態工作點。因放大器的上限頻率要求較高，故選用高頻小功率管3DG100， 其特性參數 ，。通常要求的值大于的值，故選 。其次，設置靜態工作點并計算元件參數。圖9 分壓式電流負反饋偏置電路由于是小信號放大器，故采用公式法設置靜態工作點Q，計算如下：要求（）>1k ，根據公式（8）得 取若取=3V，由式（3）得 取標稱值1.5k由式（4）得 （這里的值取5）由式（5）得 為使靜態工作點調整方便，由30k固定電阻與100k電位器相串聯而成。 由式（7）得 則 綜合考慮，取標稱值1.5k由于（）<（），比

14、較式（15）與式（16），故由式（15）計算，即 取標稱值10F取=10F 由式（17）得 取標稱值100F最后，驗算測量結果并進行誤差分析。如圖10所示的電路，其靜態工作點的測量值為 性能指標的測量值為 =47 =1.1k =1.5k =100Hz >999kHz 圖10 設計舉例的實驗電路 根據圖10所示的電路參數，進行理論計算為 從而得測量誤差（理論值為上述計算值）如下： 產生測量誤差的主要原因如下：測量儀器及測量讀數誤差。元器件本身參數的取值誤差。工程近似計算式引入的理論計算誤差。四、設計步驟及要求（1）認真閱讀本課題介紹的設計方法與測試技術，寫出設計預習報告（2）根據已知條件及性能指標要求，確定電路以及器件（晶體管選硅管），設置靜態工作點，計算電路元件參數。（3）在虛擬實驗環境下搭建實驗電路，調整并測量靜態工作點，使其滿足設計計算值的要求，測試性能指標，調整與修改元件參數值。使其滿足放大器性能指標的要求，將修改