单管晶体管放大器的分析与设计

【实验教会我】

1.场效应管伏安特性；

2.放大器的基本概念和性能参数；

3.晶体三极管三种组态放大器的分析和设计方法；

4.场效应管三种组态放大器的分析和设计方法；

5.Multisim的参数扫描、瞬态仿真方法和数据测量方法；

6.Pocket Lab的信号源设置方法和示波器瞬态波形测试。

【实验器材表】

【背景知识回顾】

本实验涉及的理论知识包括场效应管的伏安特性曲线、场效应管的直流工作点设置，放大器中的性能指标以及三种组态放大器知识。

1）场效应管的伏安特性曲线

与晶体三极管类似，场效应管可看作由漏、源、栅构成的三端口器件（假设衬底与源极短接），它也可以看做一个四端口网络。它的伏安特性用两组曲线族来表示。但在MOS管中，输入的栅极电流是平板电容器的充放电电流，静态时其值近似为零，因此，在共源极连接时，一般不考虑MOS管的输入特性而研究其转移特性，因此其伏安特性表达式为

图3-3-1是N沟道增强型MOS管的输出特性曲线族和转移曲线族，分为4个工作区，分别称为非饱和区、饱和区、截止区和击穿区。图中虚线左侧为非饱和区，右侧是饱和区，曲线下方iD=0区域对应于截止区。当vDS增大到足以使漏区与衬底间的PN结引发雪崩击穿时，iD迅速增大，管子进入击穿区，该区域未显示于图上。

图3-3-1　N沟道EMOS管的伏安特性

2）场效应管直流工作点的分析方法

在进行场效应管直流工作点工程分析时，普遍采用场效应管的大信号电路模型。但场效应管有多种工作模式，不同的工作模式对应了不同的大信号模型。与晶体三极管的分析方法类似，一般都是先假定场效应管工作在饱和模式，再由分析结果进行验证或确定实际的工作模式，然后再进行分析。

工作于非饱和区的场效应管iD同时受vGS和vDS控制，它们之间的关系式为

式中，μn为自由电子迁移率，l为沟道长度，W为沟道宽度。

当vDS很小、vDS的二次方项可忽略时，上式简化为

表明iD与vDS之间呈线性关系。

工作于饱和区的场效应管，iD受vGS控制，而几乎不受vDS控制，起到类似晶体三极管的正向受控作用，构成受vGS控制的压控电流源。得到的场效应管饱和区电流为

MOS管中iD与vGS之间的关系是平方律的，因此在实际应用时，主要利用数学表达式直接进行解析求解。

不论场效应管工作在非饱和区还是饱和区，当vGS和vDS一定时，iD均与沟道的宽长比（W/l）成正比。在集成电路中，集成工艺一旦确定后，与工艺有关的参数μn、Cox、VGS（th）均为定值。因此，除vGS和vDS外，电路设计者还可通过改变宽长比这个尺寸参数来控制iD。

3）放大器的性能指标

小信号放大器均可统一表示为如图3-3-2所示的有源线性四端网络，并用小信号等效电路进行分析。各性能指标均可在此有源线性四端网络上进行描述、定义。图中，输入信号源用vs和Rs串联的电压源或is和Rs并联的电流源表示，两者可以互相转换（vs=isRs）。RL为输出负载电阻。vi和ii是实际放大器的输入端口信号的电压和电流；vo和io是放大器的输出信号电压和电流，它们的正方向符合四端网络的一般约定，即端口电压上正、下负，端口电流以流入端口为正。

图3-3-2　放大器表示为有源线性四端网络的框图

（1）输入电阻Ri

在图3-3-2所示的组成框图中，放大器的输入电阻被定义为Ri=vi/ii。对于电压信号源，Ri越大，放大器输入端口得到的实际电压信号越大；对于电流信号源，则Ri越小，放大器输入端口得到的实际电流信号越大。

（2）输出电阻Ro

在图3-3-2所示的组成框图中，输出电阻为从输出端向放大器看过去，呈现在输出端口的电阻，按电阻的定义，输出电阻等于端口电压除以端口电流，因此输出电阻的定义为，在独立电压源短路（vs=0）或独立电流源开路（is=0）时，保留信号源内阻，由RL两端向放大器看进去的等效电阻。操作时，在输出端加电压v，除以由此产生的电流i，即为输出电阻，定义为Ro=v/i，如图3-3-3所示。根据上述定义可见，Ri和Ro不是实际电阻，而是等效意义上的视在电阻。

图3-3-3　Ro的定义

（3）增益

增益，又称为放大倍数，用A表示，定义为放大器输出量与输入量的比值，用来衡量放大器放大电信号的能力。

根据需要处理的输入和输出电量不同，增益有4种不同的定义，分别称为电压增益Av、电流增益Ai、互导增益Ag和增益Ar，即

Av=vo/vi, Ai=io/ii, Ag=io/vi, Ar=vo/ii

其中，Av和Ai为无量纲的数值，而Ag的单位为西门子（S），Ar的单位为欧姆（Ω）。

将RL开路时的电压增益定义为开路增益Avt，当Ro≪RL时，Av≈Avt，其值达到最大，且与RL大小几乎无关；将RL短路时的电流增益定义为短路增益Ain，当Ro≫RL时，Ai≈Ain，其值达到最大，且与RL大小几乎无关。

为了进一步表明输入信号源对放大器激励的大小，还可引入源增益的概念。当输入电压源激励时，相应的源电压增益为Avs=vo/vs，当Ri≫Rs时，Avs≈Av，其值达到最大，且与Rs大小几乎无关。当输入电流源激励时，Ais=io/is，当Ri≪Rs时，Ais≈Ai，其值达到最大，且与Rs大小几乎无关。

4）放大器的三种组态

在放大器基本组成电路中，晶体管可以采用不同的接法。以N沟道增强型场效应管为例，栅极作为放大电路的输入端，漏极作为放大电路的输出端，构成共源放大器；栅极作为放大电路的输入端，源极作为放大电路的输出端，构成共漏放大器；源极作为放大电路的输入端，漏极作为放大电路的输出端，构成共栅放大器，如图3-3-4所示。各种实际放大电路都是在三种基本组态电路的基础上演变而来的。因此，掌握三种组态放大器的性能特点是了解各种放大器性能的基础。

图3-3-4　三种组态放大器的基本组成电路

三种组态放大器性能分析显示：

（1）场效应管的ig=0，所以共源和共漏放大器的输入电阻和电流增益均趋于无穷大，只有共栅放大器有较小的输入电阻和数值上不大于1的电流增益。

（2）对于输出电阻，共栅有最大的输出电阻，共漏最小，共源居中。

（3）共漏只有不大于1的电压增益，共源与共栅有相同的增益表示式，不同的只是共源是反相放大器，共栅是同相放大器。

（4）虽然共源与共栅有相同的增益表示式，但由于共栅的输入电阻小，所以增益一定小于共源放大器。

三种组态的场效应管放大器的输入、输出电阻和电压增益总结如表3-3-1所示。

表3-3-1　

将电路中场效应管换成双极性晶体管，可有相对应的共射、共集和共基三种组态放大器，如图3-3-5所示。三种组态双极性晶体管放大器性能分析显示：晶体三极管放大器的性能特点与场效应管三种基本组态放大器类似。只不过ib不为零，导致共发、共集呈现有限输入电阻，且因组态不同输入电阻还有所区别，共集输入电阻远大于共发。此外，在相同静态电流下，晶体三极管的gm远比场效应管大，从而导致共发和共基放大器的电压增益远比相应共源和共栅放大器的大，共基放大器的输入电阻和共集放大器的输出电阻远比相应的共栅和共漏放大器小。三种组态的双极性晶体管放大器的输入/输出电阻、电流和电压增益总结如表3-3-2所示。

图3-3-5　三种组态放大器的基本组成电路

表3-3-2　

【背景知识小考查】

考查知识点：放大器增益计算

在图3-3-6所示电路中，双极型晶体管2N3904的β≈120，VBE（on）=0.7 V。根据实验二中的直流工作点，计算该单级放大器的电压增益Av，填入表3-3-3（CC1，CC2和CE1均可视为短路电容）。

图3-3-6　晶体三极管静态工作点分析电路

【一起做仿真】

1）场效应管的转移特性和输出特性曲线

仿真设置：根据3.2节中双极性晶体管的输入、输出特性曲线仿真方法，在Multisim中搭建电路，如图3-3-7所示，并进行合理的仿真设置和参数设置，仿真场效应管IRF510的转移特性曲线和输出特性曲线族，仿真结果如图3-3-8和图3-3-9所示。

图3-3-7　场效应管特性曲线仿真电路图(www.xing528.com)

图3-3-8　场效应管转移特性曲线族

图3-3-9　场效应管输出特性曲线族

从转移特性曲线和输出特性曲线上，能否大致估算出该MOS管的开启电压？尝试仿真后估估看。

2）瞬态分析获得电压增益

在Multisim中搭建如图3-3-6所示晶体三极管2N3904单级放大电路。加入峰峰值为50 m V，频率为10 k Hz的正弦波。

仿真设置：点击Simulate→Run。

结果查看：采用示波器XSC1，查看输入、输出两路波形。双击该器件，出现如图3-3-10所示的示波器界面。调整两个通道的显示方式，将它们的波形显示出来，并采用如图中所示的测量工具，测试输入、输出波形的峰峰值，计算得到电压增益Av，填入表3-3-3中。

图3-3-10　Multisim安捷伦示波器

表3-3-3　晶体三极管放大器增益

3）发射级电阻对共射放大器的影响

改变旁路电容CE1，将其接在节点2和地之间，重新仿真图3-3-6，观察到什么现象？为什么？改变输入信号幅度，重新获得不失真波形，并测得此时的电压增益，填入表3-3-4中。

表3-3-4　CE1不同接法时的放大器增益

与原电压增益比较，得到何种结果？请解释原因。

4）信号源内阻与源增益

取输入信号为Vinpp=100 mV，在信号源上串联一个电阻表征信号源内阻，如图3-3-11中电阻R3所示。取该电阻为50Ω、1 kΩ和10 kΩ重新进行仿真，观察不同电阻情况下的输入、输出波形图，并估算源电压增益Avs，填入表3-3-5中。

图3-3-11　信号源内阻

表3-3-5　不同信号源内阻的源电压增益

请说明不同源电阻情况下电压增益差异的原因，据此估算出晶体管放大器的内阻，并比较该估算值和前面的计算值、仿真值。

5）负载电阻与开路增益

将图3-3-6中1 MΩ的负载电阻改为10 kΩ和1 kΩ进行瞬态仿真，截取不同负载电阻情况下的输入、输出波形图，测得此时的电压增益，填入表3-3-6中。

表3-3-6　不同负载电阻的电压增益

与1 MΩ的负载电阻的电压增益比较，得到何种结果？请解释不同负载电阻情况下电压增益差异的原因。

【动手搭硬件】

晶体三极管放大器硬件实验

本实验采用Pocket Lab实验平台提供的直流+5 V电源、信号发生器、直流电压表和示波器。

（1）电路连接

首先根据图3-3-6在面包板上搭试电路，并将Pocket Lab的直流输出端+5 V和GND与电路的电源、地节点连接；Pocket Lab的一路输出端作为电路的输入信号；Pocket Lab的一路输入端接电路输入信号端；另一路输入端接电路输出信号端，分别测试输入、输出两路信号。

（2）直流测试

在进行波形测试之前，请采用3.2节中的直流测试方法，使用Pocket Lab直流电压表测试各点直流电压，以确保电路搭试正确。

（3）输入信号

在电脑中打开Pocket Lab的信号发生器界面，选择输入信号波形为正弦波，频率为10 k Hz，信号幅度为50 m V，DC Offset=0 V，双通道差分输入^[1]。点击按钮Set，正弦波信号将输出到电路输入端。

（4）交流波形测试

在电脑中打开Pocket Lab的示波器界面，如图3-3-12所示，选择合适的时间和电压刻度，显示三极管单端放大器的输入、输出波形。并在窗口中直接读出其输入、输出波形的峰峰值，获得其电压增益，填入表格3-3-3中，比较计算值、仿真值和测试值是否一致。

图3-3-12　示波器界面

【设计大挑战】

根据场效应管IRF510的转移特性曲线和输出特性曲线，选择MOS管IRF510合适的工作点。在如图3-3-13所示的电路中设计合适的R1、R2和R3值。利用Multisim仿真工具，通过直流分析和瞬态仿真，实现符合设计要求的IRF510单级放大电路。将设计值填入表3-3-7中。直流工作点分析结果填入表3-3-8中。瞬态仿真结果填入表3-3-9中。

将设计好的电路在面包板上搭试完成，并将Pocket Lab的直流输出端+5 V和GND与电路的电源、地节点连接；Pocket Lab的一路输出端作为电路的输入信号；Pocket Lab的一路输入端接电路输入信号端；另一路输入端接电路输出信号端，分别测试输入、输出两路信号。将测试结果填入表3-3-8和表3-3-9中。图3-3-14为IRF510引脚图。

设计要求：工作电流小于2 m A，电压增益大于60。

注1：学会用直流工作点分析、调整偏置电路，使放大器工作在饱和区。

注2：硬件电路也建议首先进行直流测试，在直流测试正确的基础上再进行瞬态

仿真。

表3-3-7　IRF510放大器设计值

表3-3-8　场效应管放大器直流工作点分析结果

表3-3-9　仿真与测试结果

图3-3-13　MOS管放大器

图3-3-14　IRF510的引脚图

请简要描述设计中的思路和设计心得，记录自己的设计过程。

【研究与发现】

三种不同组态放大器的性能对比

如图3-3-15所示为晶体管2N3904的直流偏置电路。在该电路的合适位置加上输入交流信号，并在合适的输出端测量放大器输出信号，以使该电路分别构成共射、共集和共基放大器。

图3-3-15　晶体三极管的直流偏置电路图

在Multisim中搭建三种组态放大器的设计图，测量得到三种基本放大器的电压增益，并记录于表3-3-10中。

表3-3-10　三种组态放大器电压增益仿真结果

注：在构建三种组态放大器时，注意加上合适的旁路电容。

（1）对比三组输入、输出波形的相位关系可知，共射放大器是_____________放大器；而共集放大器是_____________放大器，共基放大器是_____________放大器。

（2）在搭建的共发和共基放大器电路的输入信号源上串联100Ω电阻，重新对共发和共基电路进行瞬态仿真，并将此时各自电压增益值记录在表3-3-11中。与未加100Ω电阻时的增益相比较，解释两种组态放大器增益各自变化的原因。写下对这个研究结果的体会。

表3-3-11　三种组态放大器电压增益的测试结果