单级共射晶体管放大电路设计与调试

【实验目的】

(1)学习分压式电流负反馈偏置的单级晶体管放大电路的设计方法,初步建立工程概念。

(2)熟练掌握放大器静态调测和动态参数测量方法。

(3)加深对单级晶体管放大电路工作原理的理解。

【设计任务】

设计一个分压式电流负反馈偏置的单级共射小信号放大电路,电路形式如图8.2.1所示。

图8.2.1　分压式电流负反馈偏置单级共射放大电路

(1)给定条件:

◆晶体管采用8050

◆电源电压UCC为+12 V

◆电路最低工作频率为100 Hz

◆负载RL为2 kΩ

◆测试用信号源内阻rs为50Ω

(2)指标要求:

◆电压放大倍数Au>50

◆输入电阻Ri≥2 kΩ

【调测任务】

1.静态工作点调测(用监测UEQ的方法间接测量ICQ)

将电路的静态工作电流ICQ调节至设计值,并进一步测量其他静态参数,验证晶体管处于放大状态,记录相关静态参数。

提示:正确使用电源,保障电路和元器件安全。

2.指标的测量验证

(1)选择适当的输入信号,测量电路的电压放大倍数Au,验证其是否达到指标要求。如果不能达到指标要求,调整电路直至达标。

(2)在坐标纸上定量画出Au达标电路的输入输出波形。

(3)伏安法测量电路的输入电阻Ri,验证其是否达到指标要求。如果不能达到指标要求,调整电路直至达标。

3.研究性测量

(1)测量电路的输出电阻RO。

(2)观察静态工作点对输出波形失真的影响。

(3)测量研究静态工作点对电路动态范围(最大不失真输出电压)的影响。

4.拓展与探索

在放大电路中的RC两端并联一个电容C,则电路工作时负载变成容性负载。容性负载的特点是随着工作频率的增加,负载减小,输出电压相应减小。也就是电阻RC、RL和电容C组成一个低通电路如图8.2.2所示,这个低通回路的特征频率为,其中R′L=RC//RL。这个特征频率如果低于原电路的上截止频率,则放大电路现在的上截止频率就是该特征频率。

图8.2.2　RC、RL和电容C组成等效低通回路

因此可以通过在RC两端并联电容来降低放大电路的上截止频率,减小电路的通频带,这种做法可以应用于音频放大器以达到声音质量的控制和调整。

在电路的RC旁分别并联0.1μF或0.022μF的电容,输入选用适当的扫频信号,用数字示波器观察电路的输出,分析其幅频特性的变化。

【提高要求】

将已经调测完毕符合要求的完整电路焊接到PCB上,形成一个独立的模块。

【实验预习】

(1)查阅晶体管8050的数据手册,了解其相关参数和使用方法,自拟表格记录相关重要参数并解释其含义。

(2)阅读本实验【相关知识】内容,掌握电路设计调测方法。

(3)根据设计任务进行电路设计,列出详细设计过程,画出完整详细电路图,并对电路进行仿真和分析。

(4)复习相关的测量方法,并针对测量任务,拟定详细的实际调测操作步骤,设计相关数据表格并准备数据纸;罗列实验操作注意事项。

(5)在面包板上搭建实验电路。

(6)预习思考题:

①图8.2.1电路中只用电位器RP即可完成对电路静态工作点的调整,为什么还要串接一个电阻R?

②电路中会用到电解电容,电解电容使用时应注意什么?

【报告撰写】

实验之前

◆参考本书附录“实验报告格式”,结合实验预习过程完成报告1～5项。

实验之后

◆结合实验过程继续完成报告6～9项。

◆思考题:

①本实验中,如果输入阻抗不能达到指标要求,是否可以在满足其他指标前提下,在前级增加一个电路以提高输入阻抗?请画出该电路的电路图并阐述其工作原理。

②实际测量时如果电路不能正常工作,应从哪些方面寻找原因排除故障?

③测试中函数信号发生器、交流毫伏表、示波器中任意一个仪器的接地端连接有误,将会出现什么问题?

④总结自己实际测试过程,你认为有哪些事项需要提醒其他实验者注意?

【相关知识】

1.分压式电流负反馈偏置的单级共射晶体管放大电路

图8.2.1所示分压式电流负反馈偏置的共射晶体管放大电路,采用RB1和RB2组成的分压电路为晶体管VT的基极提直流电位UB;在发射极接有电阻RE引入直流负反馈,以稳定放大器的静态工作点;RC为集电极引入直流电压。适当设置这些电阻的大小,可以使晶体管处于发射结正偏、集电结反偏的放大状态。CB和CC分别为输入、输出耦合电容,起到隔直流通交流的作用。旁路电容CE使发射极对地交流短路,消除了由于RE的存在而可能引入的交流负反馈,避免了电路放大倍数的下降。这样,在电路输入端输入信号ui后,在输出端便可得到一个与ui相位相反、幅值被放大了的输出信号uo,从而实现了信号的放大。

(1)电路的直流特性

图8.2.1所示电路中,当电路交流输入信号ui=0时,晶体管的基极直流电位UB为电源电压UCC通过RB1和RB2分压确定,晶体管的基极电流IB与流过RB1和RB2的电流I1相比很小,可以忽略。所以

假设晶体管为NPN型硅管,则发射结导通压降UBE为0.6 V,发射极直流电压UE为

晶体管发射极电流IE为

一般晶体管的β值很大,所以基极直流电流IB与发射极、集电极的直流电流相比很小,可以忽略。可以认为集电极直流电流IC与发射极直流电流IE近似相等。所以集电极直流电位为

(2)电路的交流特性

图8.2.1所示电路在动态工作过程中,基极和发射极之间电阻为

则电路的交流电压放大倍数为

输入电阻为Ri=rbe//RB1//RB2,一般rbe比RB1//RB2小得多,因此可以近似认为

输出电阻为

2.共射放大电路的设计

进行电路的设计时,首先要根据电路的具体应用场合以及前后级情况,明确电路的性能指标。例如,根据前级电路的带载能力和需要放大的信号的频率范围,确定电路的输入阻抗范围和通频带宽度;根据电路的后级负载的大小和对信号大小的要求,明确电路的输出阻抗范围、电压放大倍数、最大输出电压等。为了更加清楚直观,现将这些指标以表格形式列出,如表8.2.1所示。

表8.2.1　设计放大电路时可能需要考虑的指标

(www.xing528.com)

根据这些指标要求,首先选择电路形式,然后逐步选择供电电压、器件型号、元件参数等,最后通过实际测量和调整,最终得到满足性能指标的电路。

本节中已经确定电路形式为分压式电流负反馈偏置的单级共射晶体管放大电路,下面从供电电源电压的选择开始,介绍放大电路的设计过程。

(1)确定电源电压

确定电源电压的重要依据是电路的最大输出电压,电路最大输出电压的峰峰值uopp应小于电路的最大动态范围uopp(max)。

图8.2.3给出图8.2.1所示电路的直流负载线和交流负载线情况。从图中可以看出,电源电压UCC为电路的最大动态范围uopp(max)加晶体管的饱和压降UCES以及UCC和U′CC的差。晶体管的饱和压降UCES由器件数据手册给出。而UCC和U′CC的差可推导如下:

在设计过程中,由于UCC尚未确定,所以UCC和U′CC的差无从计算。一般考虑RE要起到稳定静态工作点的作用,消除由于温度变化引起的UBE的波动,就必须保障在RE上至少有1～2 V的直流压降,即UEQ预估大于1 V,所以UCC和U′CC的差大致为3～5 V的范围。

图8.2.3　共射放大电路的交、直流负载线

为防止输出信号出现非线性失真,不能设计电路最大动态范围uopp(max)与最大输出信号峰峰值uopp相等,而应取uopp(max)大于uopp,比如可以取uopp(max)为uopp的1.5倍。因此可用如下关系确定电路电源电压UCC:

式中,晶体管饱和压降UCES一般小功率管小于1 V,大功率管2～3 V。

实际上,在选取电路的电源电压时经常需要全盘考虑整个电路系统的供电条件,在保证满足式(8.2.10)的基础上,尽量多个单元电路使用相同的电源电压,以简化电路系统的供电。

(2)选择晶体管

晶体管的特性很大程度上决定了电路的性能,所以设计放大电路时应慎重选择晶体管。目前在实际应用中,晶体管的具体型号可达上千种之多,每个型号又有几十个参数,进行选择时不可能也没必要考察所有类型和参数,只需从几个重点方面考虑即可。

①晶体管的类型与材料

按照结构不同,晶体管的类型有NPN型与PNP型两种,由于这两类晶体管工作时偏置电压的极性不同,使用时可以通过电源的不同接法实现。

按照半导体材料的不同,晶体管分为锗管和硅管两类。它们PN结导通电压不同,锗管PN结的导通电压为0.2 V左右,而硅管PN结的导通电压为0.6～0.7 V。

在放大电路中,一般可以用同类型的锗管和硅管进行互换,但要对基极偏置电压进行必要的调整。

②晶体管最大额定参数和性能参数

晶体管的最大额定参数是安全使用晶体管的界限,所以应重点考察,保证所选用的晶体管在电路运行时处于正常工作状态。而晶体管的性能参数则决定了电路的工作性能。在选择晶体管具体型号时应查阅其数据手册,根据手册中给出的各种参数和特性,考察该型号晶体管是否适用。

图8.2.4是NPN型小功率晶体管S8050数据手册的一部分,给出S8050的最大额定参数和性能参数。下面以此图为例,说明在选择晶体管时如何考虑晶体管的一些重要参数。

图8.2.4　晶体管S8050的极限参数和性能参数

◆VCBO和VCEO的最大额定值

从图8.2.4中可以看出,S8050的集电极—基极电压VCBO和集电极—发射极电压VCEO的最大额定值分别是30 V和20 V。这意味着如果晶体管集电极—基极电压VCBO超过30 V,或者集电极—发射极电压VCEO超过20 V,晶体管将被击穿并造成永久性损坏或性能下降。

电路在输入信号幅度很大的情况下,电源电压UCC可能直接加到集电极—基极和集电极—发射极之间,因此必须选用VCBO和VCEO的最大额定值超过电路电源电压UCC的晶体管。

如果晶体管型号已经选定,则在确定电源电压UCC时,在满足式(8.2.10)的基础上,还应注意UCC必须小于VCBO和VCEO的最大额定值。

◆集电极耗散功率PC和集电极电流IC

从图8.2.4可以看出,S8050的集电极耗散功率PC的额定值为1 W。集电极耗散功率是指晶体管在工作时,集电极电流在集电结上产生热量而消耗的功率。若耗散功率过大,晶体管集电结将因温度过高而烧坏。在使用中晶体管的集电极实际耗散功率应小于额定值。而一些大功率晶体管(PC额定值超过5 W)给出的额定值都是在加有一定规格散热装置情况下的参数,使用中应注意。

图中还给出S8050的集电极电流IC的额定值为700 m A。晶体管工作时当集电极电流超过一定数值时,其电流放大系数β将下降。为此规定晶体管的电流放大系数β变化不超过允许值时的集电极最大电流为IC的额定值。所以在使用中当集电极电流IC超过额定值时不至于损坏晶体管,但会使β值减小,影响电路的工作性能。

一般晶体管正常应用时,电路的集电极电流IC远小于其额定值,集电极实际耗散功率PC=IC×UCE也远小于其额定功率。

◆直流电流放大系数HFE(β值)

晶体管直流电流放大系数HFE常被称为β值,是衡量晶体管放大能力的重要参数,决定了放大电路的电压放大倍数等重要性能。β值较高的晶体管可以获得较高的电压放大倍数,但过高的β值影响晶体管的线性度和稳定性。

设计放大电路时应选择β值大于电路电压放大倍数的晶体管。

图8.2.4中给出S8050在不同测试条件下的HFE(β)的最小值、典型值和最大值。

◆特征频率fT

随着工作频率的升高,晶体管的放大能力将会下降。当β值下降到1时,晶体管失去放大能力,此时的工作频率称为晶体管的特征频率,记为fT。从图8.2.4可以看到S8050的特征频率为100 MHz。图8.2.4中还可以看到fT的英文名称current gain bandwidth product,直译为“电流增益带宽积”,意思是晶体管工作在较高频率时,其电流增益β与频率f的乘积为常数,该常数即为fT。

特征频率fT为100 MHz的晶体管,工作在低于1 MHz的频率范围内,其β值为100并且随工作频率的下降保持稳定。因此工作在低于1 MHz的低频放大电路选择晶体管时基本不受晶体管频率特性的限制,而工作在高于1 MHz的高频放大电路,应选用fT较高的晶体管,一般选fT至少为最高工作频率的3～5倍。

(3)选择集电极静态工作电流ICQ

放大电路的静态是动态工作的基础,选择适当的静态工作点,是确定放大电路工作状态的关键。静态工作点的主要参数就是集电极静态工作电流ICQ。如图8.2.5所示,ICQ的大小代表了静态工作点Q在电路直流负载线上的高低,决定了集电极-发射极电压UCE的不同,从而决定了晶体管静态功耗的大小,还影响电路动态工作时电压放大倍数、输入阻抗、输出信号的失真度等诸多性能。因此,很多性能指标或应用要求都是静态工作点的选择的依据,例如:

图8.2.5　共射放大电路的直流负载线以及静态工作点

①高频应用时追求fT最大

前面提到,如果电路工作频率大于1 MHz,需要晶体管特征频率fT具有较高的值。而晶体管的fT与其集电极电流IC(或发射极电流IE)有很大关系,图8.2.6是晶体管S8050数据手册的一部分,给出了S8050的特征频率fT与其集电极电流IC的关系。从图中可以看出,当IC在40～80 m A范围内,fT的值接近200为最大值。因此,如果电路对高频特性有较高的要求,静态工作电流ICQ可在40～80 m A范围内取值。

图8.2.6　晶体管S8050的特征频率fT与集电极电流IC的关系

②对电路的输入阻抗有要求

电路工作于较低频率情况下,对高频特性无特别要求。但为了减轻对前级的负载,常会要求电路的输入电阻不得低于某一值Ri(min)。从式(8.2.7)可以看出,静态工作电流ICQ与电路的输入电阻有关,ICQ的值越大,电路的输入电阻越小。因此可以将输入电阻的最低限定值Ri(min)带入式(8.2.7),计算出ICQ的最高限定值,在限定值之内选定一个确定的电流值。为了计算和实际测量的方便,一般取1 m A、1.5 m A、2 m A等类似比较规整的数值。

如果通过以上方法取得的ICQ值与电路其他指标的满足相矛盾,则应考虑采用其他提高输入电阻的措施。

③对电路的频率特性、输入电阻等均无要求

如果对电路的频率特性、输入电阻等均无要求,则应考虑电路在实际应用时输入信号幅度的大小。如果输入信号较小,电路不容易出现非线性失真,因此可以主要考虑其他指标要求。若以追求低功耗为主,则工作点应尽量选低些,如图8.2.5中的Q1点;若以追求高放大倍数为主,则工作点可以尽量选高些,如图8.2.5中的Q2点。当放大器输入信号较大时,电路易出现非线性失真,因此要尽量将静态工作点选在交流负载线的中央,而阻容耦合放大电路的交流负载线与直流负载线相比更陡峭,如图8.2.3所示,所以静态工作点应选在直流负载线中间偏上位置。

当小信号放大电路选用的晶体管β值在低于150范围内时,ICQ在0.5～2 m A范围取值,可以得到基本不失真的输出信号。

当电路选用的晶体管β值较大时,如果ICQ在0.5～2 m A范围内取值,输出信号波形很容易出现正负半周不对称的情况。这是因为β值较大时,相同的集电极电流ICQ的值会对应较小的基极电流IBQ,也就是静态工作点在晶体管输入特性曲线上处于过低的位置,如图8.2.7中的Q2点。这样动态工作时输入电流iB的正负半周对称性变差,反应到输出特性上,输出信号波形正半周将出现变圆变短的正负不对称的情况,如果是PNP组成的电路,则其输出信号波形负半轴将出现变圆变短的情况。

图8.2.7　相同ICQ值β值不同时对应不同IBQ

因此当电路选用的晶体管β值较大,并且对输出波形的失真度有要求时,可以将ICQ的取值适当提高至3～4 m A。

(4)确定偏置电阻RB1和RB2的值

当流过RB1和RB2的电流I1远大于晶体管基极电流IBQ时,可以认为晶体管基极直流电压UBQ稳定,一般取I1≥10IBQ。

发射极电阻RE引入直流负反馈以稳定静态工作点,则负反馈愈强电路的静态工作点稳定性愈好。前面也曾提到电阻RE上至少应有1～2 V的直流压降,才能消除晶体管发射结电压波动造成的影响,而UBQ为UEQ+UBE,所以UBQ越大,电路的稳定性越好。从反馈角度看,RE上的电压越大,则负反馈越深,电路越稳定。但实际确定UBQ时,还要考虑电源电压的限制,UBQ过高可能导致UCEQ过低,晶体管容易饱和。因此选择UBQ时应综合考虑折中选定,一般取UBQ=(1/3～1/5)UCC,即可计算RB1和RB2的值:

实际电路中,RB1通常用一个电位器和一个固定电阻串联以便于调节,同时起到保护电路的作用。而RB2的计算值如果不在电阻标称系列阻值内,可以取相近的标称值,通过RB1中电位器的调节,保持RB1和RB2比例不变,即可使晶体管基极电位UBQ达到设计值。

(5)确定RE和RC的值

根据电路的直流特性可知:

其中,UBE为晶体管发射结导通电压,一般硅管为0.6 V,锗管为0.2 V。

根据设计指标对电压放大倍数的要求确定RC的值:

其中,R′L=RC//RL,RL为电路所接负载。

通过以上计算得到的RE和RC的值如不在标称系列内,可以取相近的标称阻值。

(6)核算工作点电压及静态功耗

各电阻值取标称值后,要反过来核算一下晶体管的工作点电压UBQ、UCQ和UEQ,确保晶体管处于放大状态,否则需要重新设计。核算集电极耗散功率PC=ICQ×UCEQ的值,与晶体管数据手册中给出的PC额定值相比较,PC必须小于该额定值。

(7)确定各个电容值

放大电路输入、输出耦合电容CB和CC的作用是隔直流通交流,对交流信号近似短路。旁路电容CE与RE并联,在交流情况下CE的容抗比RE小很多,也可视作短路,所以这3个电容都与周围的元件一起组成高通滤波等效电路,如图8.2.8所示。为了使问题简化,图8.2.8(a)和(b)中忽略CE和RE的影响;图8.2.8(c)中忽略CB、CC的影响。

图8.2.8　耦合电容、旁路电容组成高通滤波等效电路

图8.2.8(a)中,RS为放大器前级电路的输出电阻,Ri由式(8.2.7)计算;图8.2.8(c)中。放大器的最低工作频率fL应高于这3个高通滤波电路的转折频率,为了稳定起见,一般用下面关系式来估算耦合电容和旁路电容的取值范围:

选定电容值以后还应考察电路中电容两端的电压情况,所选择电容的耐压值高于实际加在电容上的电压。

综上所述,电路设计是一个综合考虑各方面因素、以技术指标和适用性为原则的工程性工作。电路设计成功与否最终要依靠对实际电路的测量,检测指标是否达到预定值。