任務二 電壓放大電路設計與仿真

項目2 固定偏置式電壓放大器的設計與仿真

2.1 項目任務與要求

任務：

設計一款固定偏置式電壓放大器。

基本要求：

使用20mV/1kHz信號源作為放大器的輸入信號。

使用NPN型晶體管作為放大器件，β值為100。

輸出負載電阻值為10kΩ。

電壓放大倍數為100。

通過計算確定阻容元件參數。

直流電源的電壓為5V。

2.2 項目方案

根據本項目的基本要求分析，本項目需要以下功能模塊：

輸入耦合功能模塊。

輸出耦合功能模塊。

中間放大功能模塊。

2.3 項目設計

根據系統方案選取相應的元器件來完成系統的設計。在設計前，要充分了解元器件的理論知識。同時，為了驗證設計的正確性，還需要通過軟件進行仿真。

2.3.1 晶體管放大原理

晶體管的本名是半導體三極管，主要分為兩大類：雙極型晶體管（BJT，Bipolar Junction Transistor）和場效應晶體管（FET，Field Effect Transistor）。按晶體管使用的半導體材料又可分為硅材料晶體管和鍺材料晶體管。按晶體管的極性可分為鍺NPN型晶體管、鍺PNP型晶體管、硅NPN型晶體管和硅PNP型晶體管。按晶體管電流容量可分為小功率晶體管、中功率晶體管和大功率晶體管。按晶體管工作頻率可分為低頻晶體管、高頻晶體管和超高頻晶體管等。

2.3.1.1雙極型晶體管

雙極型晶體管又稱晶體三極管，一般簡稱晶體管。它是通過一定的制作工藝，將兩個PN結結合在一起的器件。兩個PN結相互作用，使晶體管成為一個具有控制電流作用的半導體器件。可以用來放大微弱的信號和作為無觸點開關。

雙極型晶體管有兩種基本管結構：NPN型和PNP型。由半導體硅材料制成的晶體管，稱為硅晶體管；由鍺材料制成的晶體管，稱為鍺晶體管。常見晶體管實物如圖2-1所示。

常見的晶體管外形如圖2-2所示。

圖2-3所示為晶體管的結構示意圖和符號。圖中發射極上的箭頭方向，表示發射結正偏時電流的流向。

2.3.1.2晶體管的電流分配原則及放大作用

要實現晶體管的電流放大作用，首先要給晶體管各電極加上正確的電壓。晶體管實現放大的外部條件：其發射結必須加正向電壓（正偏），而集電結必須加反向電壓（反偏）。

1.仿真實驗

為了了解晶體管的電流分配原則及其放大原理，首先做一個仿真實驗。仿真電路原理圖如圖2-4所示。在電路中，給晶體管的發射結加正向電壓，集電結加反向電壓，保證晶體管能起放大作用。改變可變電阻器RB的阻值，則基極電流 IB、集電極電流 IC和發射極電流IE都發生變化，將數據填入表2-1所示的表格。電流的方向如圖2-4所示。

注：從后續的任務中將會看到，調節RB就是調節放大器的靜態工作點。

由實驗及測量結果可以得出如下結論：

（1）實驗數據中的每一列數據均滿足關系：IE=IC+IB；此結果符合基爾霍夫電流定律。

（2）每一列數據都有IC?IB，而且IC與IB的比值近似相等。

（3）計算IC和IB變化量的比值，結果仍然近似相等。

（4）當 IB=0（基極開路）時，集電極電流很小，此電流稱為晶體管的穿透電流 ICEO。穿透電流ICEO越小越好。

制作晶體管時，通常把它們的基區做得很薄（幾微米到幾十微米）且摻雜濃度低；發射區的雜質濃度則比較高；集電區的面積比發射區的面積做得大，這是晶體管實現電流放大的內部條件。

2.晶體管實現電流分配的原理

上述實驗結論可以用載流子在晶體管內部的運動規律來解釋。圖2-5所示為晶體管內部載流子的傳輸與電流分配示意圖。

（1）發射區向基區發射自由電子，形成發射極電流IE。

（2）自由電子在基區與空穴復合，形成基極電流IB。

（3）集電區收集從發射區擴散過來的自由電子，形成集電極電流IC。

3.結論

（1）要使晶體管具有放大作用，發射結必須正向偏置，而集電結必須反向偏置。

（2）一般有β?1。

（3）晶體管的電流分配及放大關系式：

IE=IC+IB

IC=βIB

2.3.2晶體管的特性曲線及主要參數

2.3.2.1晶體管的特性曲線

晶體管的特性曲線是指晶體管的各電極電壓與電流之間的關系曲線，它反映了晶體管的特性。晶體管的特性曲線可以用專用的圖示儀進行顯示，也可通過實驗測量得到。以NPN型硅晶體管為例，其常用的特性曲線有以下兩種。

1.輸入特性曲線

輸入特性曲線是指一定集電極和發射極電壓 UCE下，晶體管的基極電流 IB與發射結電壓UBE之間的關系曲線。實驗測得晶體管的輸入特性曲線如圖2-6所示。

2.輸出特性曲線

輸出特性曲線是指一定基極電流 IB下，晶體管的集電極電流 IC與集電結電壓 UCE之間的關系曲線。實驗測得晶體管的輸出特性曲線如圖2-7所示。

晶體管的輸出特性分為3個工作區域：截止區、放大區和飽和區。

1）截止區

晶體管工作在截止狀態時，具有以下特點。

（1）發射結和集電結均反向偏置。

（2）若不計穿透電流ICEO，IB、IC近似為0。

（3）晶體管的集電極和發射極之間電阻很大，相當于一個開關斷開。

2）放大區

在圖2-7中，輸出特性曲線近似平坦的區域稱為放大區。晶體管工作在放大狀態時，具有以下特點。

（1）晶體管的發射結正向偏置，集電結反向偏置。

（2）基極電流IB微小的變化會引起集電極電流IC較大的變化，電流關系式為IC=βIB。

（3）對于NPN型的晶體管，電位關系為UC＞UB＞UE。

（5）對于NPN型硅晶體管，發射結電壓 UBE≈0．7V；對于NPN型鍺晶體管，UBE≈0．2V。

3）飽和區

晶體管工作在飽和狀態時具有如下特點。

（1）晶體管的發射結和集電結均正向偏置。

（2）晶體管的電流放大能力下降，通常IC＜βIB。

（3）UCE的值很小，此時的電壓 UCE稱為晶體管的飽和壓降，用 UCES表示。一般硅晶體管的UCES約為0．3V，鍺晶體管的UCES約為0．1V。

（4）晶體管的集電極和發射極近似短路，類似于一個開關導通。

晶體管作為開關使用時，通常工作在截止和飽和導通狀態；作為放大器使用時，一般工作在放大狀態。

2.3.2.2晶體管的主要參數

晶體管的參數包括電流放大倍數、反向電流、耗散功率、集電極最大電流、最大反向電壓等，這些參數可以通過查閱半導體數據手冊獲得。晶體管的參數是正確選定晶體管的重要依據，下面介紹晶體管的幾個主要參數。圖2-8所示為晶體管的安全工作區。

1.共發射極電流放大倍數β

從基極輸入信號，從集電極輸出信號，此時的電流放大倍數為共發射極電流放大倍數。

2.極間反向電流

（1）集電極基極間的反向飽和電流ICBO。

（2）集電極發射極間的穿透電流ICEO。

3.極限參數

（1）集電極最大允許電流ICM。

（2）集電極最大允許功率損耗PCM。

（3）反向擊穿電壓。

2.3.2.3溫度對晶體管特性的影響

同二極管一樣，晶體管也是一種對溫度十分敏感的器件。隨著溫度的變化，晶體管的性能參數也會改變。

圖2-9和圖2-10所示為晶體管的特性曲線受溫度的影響情況。

2.3.3 基本放大電路的設計

晶體管有3 個電極，在組成放大電路時便有3 種連接方式，即放大電路的3 種組態：共發射極、共集電極和共基極。

圖2-11 所示為晶體管在放大電路中的3 種連接方式。圖2-11（a）所示從基極輸入信號，從集電極輸出信號，發射極作為輸入信號和輸出信號的公共端，即共發射極（簡稱共射極）放大電路；圖2-11（b）所示從基極輸入信號，從發射極輸出信號，集電極作為輸入信號和輸出信號的公共端，即共集電極放大電路；圖2-11（c）所示從發射極輸入信號，從集電極輸出信號，基極作為輸入信號和輸出信號的公共端，即共基極放大電路。

1.共射極放大電路的組成和工作原理

在3 種組態放大電路中，共射極電路用得比較普遍。這里就以NPN型共射極放大電路為例，討論放大電路的組成、工作原理和分析方法。

NPN型共射極放大電路如圖2-12所示。

NPN型晶體管基極電流 iB、集電極電流 iC流入電極為正，發射極電流 iE流出電極為正，這和NPN型晶體管的實際電流方向相一致。

電路中各元器件的作用如下：

（1）晶體管：放大電流。

（2）電容器：傳送交流，隔離直流（一般電容量在幾微法到幾十微法的范圍內）。

（3）電阻器RB和RE：基極偏置和集電極偏置電阻器。

放大器放大的實質是實現小能量對大能量的控制和轉換作用。根據能量守恒定律，在這種能量的控制和轉換中，電源 UCC為輸出信號提供能量。需要特別注意的是，信號的放大僅對交流量而言。

2.基本放大電路的組成原則

晶體管具有3 個工作狀態：截止、放大和飽和。在放大電路中為實現其放大作用，晶體管必須工作在放大狀態。從放大電路的工作過程可概括出放大電路的組成原則。

（1）外加電源的極性必須保證晶體管的發射結正偏，集電結反偏。

（2）輸入電壓ui要能引起晶體管的基極電流iB發生相應的變化。

（3）晶體管集電極電流iC的變化要盡可能轉為電壓的變化輸出。

（4）放大電路工作時，直流電源 UCC要為晶體管提供合適的靜態工作電流 IBQ、ICQ和電壓UCEQ，即電路要有一個合適的靜態工作點Q。圖2-12所示仿真電路存在Q點偏低的問題，所以放大后的輸出信號存在截止失真的問題，請讀者思考如何消除電路中的這一缺陷。

2.3.4 放大電路的主要性能指標

1. 放大倍數Au、Ai

放大倍數是衡量放大電路對信號放大能力的主要技術參數。

（1）電壓放大倍數 Au是放大電路輸出電壓與輸入電壓的比值。常用分貝（dB）來表示電壓放大倍數，這時稱其為增益。

電壓增益=20lg|Au|（dB）

（2）電流放大倍數Ai是指放大電路輸出電流與輸入電流的比值。

2. 輸入電阻Ri

對于一定的信號源電路，輸入電阻 Ri 越大，放大電路從信號源得到的輸入電壓就越大，放大電路向信號源索取電流的能力也就越小。如圖2-13所示。

3. 輸出電阻Ro

圖2-14所示為放大電路輸出電阻的示意圖。

圖2-15 所示為求解放大電路輸出電阻的等效電路。當放大電路作為一個電壓放大器來使用時，其輸出電阻 Ro的大小決定了放大電路的帶負載能力。Ro越小，放大電路的帶負載能力越強，即放大電路的輸出電壓uo受負載的影響越小。

2.3.5 基本放大電路的分析方法

2.3.5.1放大電路的圖解分析法

圖解分析方法是指根據輸入信號，在晶體管的特性曲線上直接作圖求解的方法。

在放大電路中存在直流分量和交流分量，所以對放大電路的分析就分為靜態工作和動態工作兩種情況。靜態分析的對象是電路中的直流量，而動態分析的對象是電路中的交流量。

1.靜態工作情況分析

1）靜態工作點Q

在基本放大電路中，只有在信號的任意時刻半導體器件都工作在線性放大區，輸出波形才不會失真。因此，放大電路必須設置靜態工作點Q。對于晶體管，Q點包括基極電流IBQ、集電極（發射極）電流ICQ（IEQ）、BE間電壓UBEQ和管壓降UCEQ，如圖2-16所示。

2）直流通路

直流通路是指靜態（ui=0）時，電路中只有直流量流過的通路。

畫直流通路有兩個要點：電容器視為開路；電感器視為短路。

圖2-17和2-18所示分別為共射極放大電路及其直流通路。電路的靜態工作點Q必須依據直流通路估算。

3）Q點的估算

根據直流通路，估算Q點有兩種方法：公式估算法和圖解法。如圖2-19所示，此直線由直流通路獲得，稱為直流負載線。

2.動態工作情況分析

1）交流通路

交流通路是指動態（ui≠0）時，電路中交流分量流過的通路。

畫交流通路時有兩個要點：耦合電容器視為短路；直流電壓源（內阻很小，忽略不計）視為短路。

圖2-20所示為共射極放大電路的交流通路。

計算動態參數Au、Ri、Ro時必須依據交流通路。

2）交流負載線

在圖2-20中，有如下關系式：

uo =ΔuCE = -ΔiC（RC∥RL）=-iC//R′L

式中，R′L=RC∥RL稱為交流負載電阻，負號表示電流iC和電壓uo的方向相反。

交流變化量在變化過程中一定會經過零點。此時，ui=0，與靜態工作點Q相符合。所以，Q也是動態過程中的一個點。交流負載線和直流負載線在Q點相交，如圖2-21所示。

交流負載線由交流通路獲得且過Q點，因此交流負載線是動態工作點移動的軌跡。

3）放大電路的動態工作情況

圖2-22所示為電路的動態工作情況。

注意：晶體管各電極的電壓和電流瞬時值是在靜態值的基礎上疊加了交流分量，但瞬時值的極性和方向始終固定不變。

4）非線性失真

所謂失真，是指輸出信號的波形與輸入信號的波形不一致。晶體管是一個非線性器件，有截止區、放大區、飽和區3個工作區。如果信號在放大的過程中，放大器的工作范圍超出了特性曲線的線性放大區域，進入了截止區或飽和區，集電極電流 iC與基極電流 iB不再成線性比例的關系，則會導致輸出信號出現非線性失真。

非線性失真分為截止失真和飽和失真兩種。

（1）截止失真：當放大電路的靜態工作點Q選取比較低時，IBQ較小，輸入信號的負半周進入截止區而造成的失真稱為截止失真。圖2-23所示為放大電路的截止失真。

（2）飽和失真：當放大電路的靜態工作點Q選取比較高時，IBQ較大，UCEQ較小，輸入信號的正半周進入飽和區而造成的失真稱為飽和失真。圖2-24 所示為放大電路的飽和失真。ui正半周進入飽和區造成iC失真，從而使uo失真。

2.3.5.2晶體管的微變等效電路分析法

微變等效電路分析法指的是在晶體管特性曲線上Q點附近，當輸入為微變信號（小信號）時，可以把晶體管的非線性特性近似看作是線性的，即把非線性器件晶體管轉為線性器件進行求解的方法。

1.晶體管的微變等效電路

Q點附近的工作段可認為是直線，如圖2-25 所示。當 UCE為常數時，△UBE與△IB之比，

rBE = △UBE / △IB = UBE / iB（UCE為常數）

稱為晶體管的輸入電阻。輸入小信號時，rBE是一個常數。它確定了晶體管輸入電路交流分量的伏安關系，因此晶體管輸入電路可以用rBE等效代替。

低頻小功率晶體管的輸入電阻常用下式進行估算：

式中，rBB′表示晶體管基區的體電阻，一般小功率管的體電阻約為300Ω左右（計算時，若未給出，可取300Ω）；IE是發射極的靜態電流。rBE通常為幾百歐姆到幾千歐姆。

圖2-26所示為輸入為小信號時晶體管的電流放大倍數β。

對于交流微變信號，晶體管可用如圖2-27（b）所示的微變等效電路來代替。圖2-27（a）所示的晶體管是一個非線性器件，但圖2-27（b）所示的是一個線性電路。這樣就把晶體管的非線性問題轉化為線性問題了。

2.用微變等效電路分析法分析共射放大電路

1）用微變等效電路分析法分析放大電路的求解步驟

（1）用公式估算法估算Q點值，并計算Q點處的參數rBE。

（2）由放大電路的交流通路畫出放大電路的微變等效電路。

（3）根據等效電路直接列方程，求解Au、Ri、Ro。

注意：NPN型和PNP型晶體管的微變等效電路一樣。

2）分析過程

（1）放大電路的微變等效電路：對于共射極放大電路，從其交流通路可得電路的微變等效電路，如圖2-28所示。圖中，uS為外接的信號源；RS是信號源內阻。

（2）求解電壓放大倍數 Au：將交流通路中的晶體管用微變等效電路替換，就得到了放大電路的微變等效電路。列出輸出回路表達式：

根據等效電路的輸入回路可列出：

所以，電壓放大倍數：

式中，是晶體管總的交流負載；式中負號說明輸出電壓與輸入電壓反相。

（3）求解電路的輸入電阻 Ri：從等效電路可以看出，輸入電流iI.是 RB和 rBE并聯后的總電流，所以

R i =RB//rBE

當RB BE?r，可近似為

（4）求解電路的輸出電阻 Ro：圖2-29 所示為求解輸出電阻的等效電路，根據輸出電阻定義將負載電阻開路，令輸入電壓Ui=0，因為iB=0，iC=0，所以輸出電阻：

輸出電阻 Ro 越小，放大電路的帶負載能力越強。輸出電阻 Ro 中不應包含負載電阻RL。

（5）求解輸出電壓 uo對信號源電壓 uS的放大倍數 AuS：由于信號源內阻的存在，AuS＜Au，電路的輸入電阻越大，輸入電壓ui越接近uS。

2.3.5.3兩種分析方法特點比較

放大電路圖解分析法的優點是形象直觀，適用于Q點分析、非線性失真分析、最大不失真輸出幅度的分析，能夠用于大、小信號。其缺點是作圖麻煩，只能分析簡單電路，求解誤差大，不易求解輸入電阻、輸出電阻等動態參數。

微變等效電路分析法的優點是適用于任何復雜的電路，可方便求解動態參數，如放大倍數、輸入電阻、輸出電阻等。其缺點是只能用于分析小信號，不能用來求解靜態工作點Q。

實際應用中，常把兩種分析方法結合起來使用。

2.3.6 項目元器件參數計算

圖2-30所示為固定偏置電壓放大電路原理圖。

本項目輸入信號為Upp=20mV頻率為1kHz的正弦信號，放大100倍后負載R3兩端的電壓達到2V。在Proteus軟件中，NPN型晶體管的電流放大倍數β固定為100。接下來還需要計算電路中元器件的參數。

放大電路的核心器件是晶體管，用晶體管構成的放大電路種類較多，圖2-30 所示是共發射極的基本放大電路。對于放大路，需要掌握如下內容：

（1）分析電路中各元器件的作用。

（2）了解放大電路的放大原理。

（3）能分析并計算電路的靜態工作點。

（4）理解靜態工作點的設置目的和方法。

在圖2-30中，C1、C2為耦合電容器，電容器能將信號從前級耦合到后級。在輸入端輸入交流信號后，因兩端的電壓不能突變，輸出端的電壓會跟隨輸入端輸入的交流信號一起變化，從而將信號從輸入端耦合到輸出端。對于低頻小信號，C1、C2 一般取10μF左右即可滿足要求。但有一點要說明的是，電容器兩端的電壓不能突變，但不是不能變。

R1、R2為晶體管Q1的直流偏置電阻器。在電路的工作要求中，第一條件是要求穩定。所以，電源一定是直流電源，所以叫直流偏置。電阻器就象供水系統中的水龍頭，用來調節電流的大小。所以，晶體管的工作狀態就由直流偏置電阻器決定。

晶體管的工作狀態可以根據UCE的大小來判別。如果UCE接近于電源電壓UCC，則晶體管就工作于截止狀態。若 UCE接近于0V，則晶體管工作于飽和狀態，何謂飽和狀態？就是說，IC電流達到了最大值，就算IB增大，它也不能再增大了。

以上兩種狀態我們一般稱為開關狀態。除這兩種狀態外，第三種狀態就是放大狀態，一般測UCE接近于電源電壓的一半。若UCE偏向UCC，則晶體管趨向于截止狀態；若UCE偏向0V，則晶體管趨向于飽和狀態。

在圖2-30 所示的放大電路中，靜態工作點的設置要使 UCE接近于電源電壓的一半，這是為了使信號正、負能有對稱的變化空間。在沒有信號輸入時，即信號輸入為0，假設 UCE為電源電壓的一半，我們當它為一條水平線，作為一個參考點。當輸入信號增大時，IB增大，IC增大，則電阻器R2 的電壓 U2=IC×R2會隨之增大，UCE=UCC-U2會變小，U2理論上能達到等于 UCC，則 UCE最小會達到0V。也就是說，在輸入信增加時，UCE最大變化范圍為1/2 UCC～0V。

同理，當輸入信號減小時，IB減小，IC減小，U2也會隨之減小，UCE變大。在輸入信減小時，UCE最大變化范圍是1/2 UCC～UCC。這樣，在輸入信號一定范圍內發生正、負變化時，UCE以1/2UCC為準的話就有一個對稱的正負變化范圍，所以靜態工作點一般設置為UCE接近于電源電壓的一半。

一般情況下，對于小功率管，IC 在零點幾毫安到幾毫安；對于中功率管，在幾毫安到幾十毫安；對于大功率管，在幾十毫安到幾安培。

在圖2-30 中，設 IC為2mA，則電阻器R2 的阻值就可以由 R=U/I 來計算。若 UCC為12V，則1/2UCC為6V，R2的阻值為6V/2mA=3kΩ。IB可由IB=IC/β推出。β一般取為100，IB=2mA/100=20μA，則 R1=（UCC-0．7V）/IB=11．3V/20μA=56．5kΩ。實際上，小功率管的β值遠不止100，其范圍為150～400，或者更高。因此，若按上面的過程計算來做，電路可能處于飽和狀態。所以有時計算過程和結果都沒錯，但實際不能用，這是因為還少了一點實際的指導，理論與實際是有差別的。應該以理論計算的結果作為參考，實際電路應以調試結果為準。

下面來計算圖2-30中R1、R2的電阻值，以滿足把輸入信號電壓放大100倍的要求。

（1）設集電極電流 IC=1mA，UCE的數值應為電源電壓的一半（本項目要求 UCC=5V），即2．5V，這樣可以初步計算出R2的阻值R2=2．5/1mA=2．5kΩ。

（2）根據低頻小功率晶體管的輸入電阻估算公式：

以及集電極電流約等于發射極電流，可以求出：rBE=300+（1+100）×26/1=2．9kΩ。

（3）計算R1的阻值：IB=IC/β=1mA/100=10μA，因此R1=（5-0．7）V/10μA=430kΩ。

（4）根據放大電路電壓放大倍數公式：

因此，-βRL′/rBE應該等于100才能滿足本項目要求。這里R3=10kΩ，故

R3′=2．5×10/（2．5+10）=2kΩ

所以-βRL′/ rBE=-100*2/2．9≈69，而不等于100，不能滿本足項目要求。此時，可以把R1換成一個電阻值為500kΩ的滑動變阻器，把R2換成一個電阻值為3kΩ，然后調試。

2.4 項目仿真驗證

1.電路原理圖設計

根據計算結果，在Proteus軟件中畫出電路原理圖，如圖2-31所示。

2.仿真驗證

示波器通道A顯示輸出端電壓信號波形，示波器通道B顯示輸入端電壓信號。仿真結果如圖2-32所示。

從仿真結果中可以看出，輸入端電壓峰峰值為20mV，輸出端電壓信號峰峰值為1V，放大倍數Au=50，不滿足要求。

3.項目調試

分別調節滑動變阻器RV1、RV2 的值，如圖2-33 所示。注意觀察輸入與輸出的電壓信號，使輸出電壓峰峰值正好達到2V，如圖2-34所示。

這種電路受β值的影響較大，每個人做出來的結果不一定相同。也就是說，這種電路的穩定性差，實際應用較少。