任务二 电压放大电路设计与仿真

项目2 固定偏置式电压放大器的设计与仿真

2.1 项目任务与要求

任务：

设计一款固定偏置式电压放大器。

基本要求：

使用20mV/1kHz信号源作为放大器的输入信号。

使用NPN型晶体管作为放大器件，β值为100。

输出负载电阻值为10kΩ。

电压放大倍数为100。

通过计算确定阻容元件参数。

直流电源的电压为5V。

2.2 项目方案

根据本项目的基本要求分析，本项目需要以下功能模块：

输入耦合功能模块。

输出耦合功能模块。

中间放大功能模块。

2.3 项目设计

根据系统方案选取相应的元器件来完成系统的设计。在设计前，要充分了解元器件的理论知识。同时，为了验证设计的正确性，还需要通过软件进行仿真。

2.3.1 晶体管放大原理

晶体管的本名是半导体三极管，主要分为两大类：双极型晶体管（BJT，Bipolar Junction Transistor）和场效应晶体管（FET，Field Effect Transistor）。按晶体管使用的半导体材料又可分为硅材料晶体管和锗材料晶体管。按晶体管的极性可分为锗NPN型晶体管、锗PNP型晶体管、硅NPN型晶体管和硅PNP型晶体管。按晶体管电流容量可分为小功率晶体管、中功率晶体管和大功率晶体管。按晶体管工作频率可分为低频晶体管、高频晶体管和超高频晶体管等。

2.3.1.1双极型晶体管

双极型晶体管又称晶体三极管，一般简称晶体管。它是通过一定的制作工艺，将两个PN结结合在一起的器件。两个PN结相互作用，使晶体管成为一个具有控制电流作用的半导体器件。可以用来放大微弱的信号和作为无触点开关。

双极型晶体管有两种基本管结构：NPN型和PNP型。由半导体硅材料制成的晶体管，称为硅晶体管；由锗材料制成的晶体管，称为锗晶体管。常见晶体管实物如图2-1所示。

常见的晶体管外形如图2-2所示。

图2-3所示为晶体管的结构示意图和符号。图中发射极上的箭头方向，表示发射结正偏时电流的流向。

2.3.1.2晶体管的电流分配原则及放大作用

要实现晶体管的电流放大作用，首先要给晶体管各电极加上正确的电压。晶体管实现放大的外部条件：其发射结必须加正向电压（正偏），而集电结必须加反向电压（反偏）。

1.仿真实验

为了了解晶体管的电流分配原则及其放大原理，首先做一个仿真实验。仿真电路原理图如图2-4所示。在电路中，给晶体管的发射结加正向电压，集电结加反向电压，保证晶体管能起放大作用。改变可变电阻器RB的阻值，则基极电流 IB、集电极电流 IC和发射极电流IE都发生变化，将数据填入表2-1所示的表格。电流的方向如图2-4所示。

注：从后续的任务中将会看到，调节RB就是调节放大器的静态工作点。

由实验及测量结果可以得出如下结论：

（1）实验数据中的每一列数据均满足关系：IE=IC+IB；此结果符合基尔霍夫电流定律。

（2）每一列数据都有IC≫IB，而且IC与IB的比值近似相等。

（3）计算IC和IB变化量的比值，结果仍然近似相等。

（4）当 IB=0（基极开路）时，集电极电流很小，此电流称为晶体管的穿透电流 ICEO。穿透电流ICEO越小越好。

制作晶体管时，通常把它们的基区做得很薄（几微米到几十微米）且掺杂浓度低；发射区的杂质浓度则比较高；集电区的面积比发射区的面积做得大，这是晶体管实现电流放大的内部条件。

2.晶体管实现电流分配的原理

上述实验结论可以用载流子在晶体管内部的运动规律来解释。图2-5所示为晶体管内部载流子的传输与电流分配示意图。

（1）发射区向基区发射自由电子，形成发射极电流IE。

（2）自由电子在基区与空穴复合，形成基极电流IB。

（3）集电区收集从发射区扩散过来的自由电子，形成集电极电流IC。

3.结论

（1）要使晶体管具有放大作用，发射结必须正向偏置，而集电结必须反向偏置。

（2）一般有β≫1。

（3）晶体管的电流分配及放大关系式：

IE=IC+IB

IC=βIB

2.3.2晶体管的特性曲线及主要参数

2.3.2.1晶体管的特性曲线

晶体管的特性曲线是指晶体管的各电极电压与电流之间的关系曲线，它反映了晶体管的特性。晶体管的特性曲线可以用专用的图示仪进行显示，也可通过实验测量得到。以NPN型硅晶体管为例，其常用的特性曲线有以下两种。

1.输入特性曲线

输入特性曲线是指一定集电极和发射极电压 UCE下，晶体管的基极电流 IB与发射结电压UBE之间的关系曲线。实验测得晶体管的输入特性曲线如图2-6所示。

2.输出特性曲线

输出特性曲线是指一定基极电流 IB下，晶体管的集电极电流 IC与集电结电压 UCE之间的关系曲线。实验测得晶体管的输出特性曲线如图2-7所示。

晶体管的输出特性分为3个工作区域：截止区、放大区和饱和区。

1）截止区

晶体管工作在截止状态时，具有以下特点。

（1）发射结和集电结均反向偏置。

（2）若不计穿透电流ICEO，IB、IC近似为0。

（3）晶体管的集电极和发射极之间电阻很大，相当于一个开关断开。

2）放大区

在图2-7中，输出特性曲线近似平坦的区域称为放大区。晶体管工作在放大状态时，具有以下特点。

（1）晶体管的发射结正向偏置，集电结反向偏置。

（2）基极电流IB微小的变化会引起集电极电流IC较大的变化，电流关系式为IC=βIB。

（3）对于NPN型的晶体管，电位关系为UC＞UB＞UE。

（5）对于NPN型硅晶体管，发射结电压 UBE≈0．7V；对于NPN型锗晶体管，UBE≈0．2V。

3）饱和区

晶体管工作在饱和状态时具有如下特点。

（1）晶体管的发射结和集电结均正向偏置。

（2）晶体管的电流放大能力下降，通常IC＜βIB。

（3）UCE的值很小，此时的电压 UCE称为晶体管的饱和压降，用 UCES表示。一般硅晶体管的UCES约为0．3V，锗晶体管的UCES约为0．1V。

（4）晶体管的集电极和发射极近似短路，类似于一个开关导通。

晶体管作为开关使用时，通常工作在截止和饱和导通状态；作为放大器使用时，一般工作在放大状态。

2.3.2.2晶体管的主要参数

晶体管的参数包括电流放大倍数、反向电流、耗散功率、集电极最大电流、最大反向电压等，这些参数可以通过查阅半导体数据手册获得。晶体管的参数是正确选定晶体管的重要依据，下面介绍晶体管的几个主要参数。图2-8所示为晶体管的安全工作区。

1.共发射极电流放大倍数β

从基极输入信号，从集电极输出信号，此时的电流放大倍数为共发射极电流放大倍数。

2.极间反向电流

（1）集电极基极间的反向饱和电流ICBO。

（2）集电极发射极间的穿透电流ICEO。

3.极限参数

（1）集电极最大允许电流ICM。

（2）集电极最大允许功率损耗PCM。

（3）反向击穿电压。

2.3.2.3温度对晶体管特性的影响

同二极管一样，晶体管也是一种对温度十分敏感的器件。随着温度的变化，晶体管的性能参数也会改变。

图2-9和图2-10所示为晶体管的特性曲线受温度的影响情况。

2.3.3 基本放大电路的设计

晶体管有3 个电极，在组成放大电路时便有3 种连接方式，即放大电路的3 种组态：共发射极、共集电极和共基极。

图2-11 所示为晶体管在放大电路中的3 种连接方式。图2-11（a）所示从基极输入信号，从集电极输出信号，发射极作为输入信号和输出信号的公共端，即共发射极（简称共射极）放大电路；图2-11（b）所示从基极输入信号，从发射极输出信号，集电极作为输入信号和输出信号的公共端，即共集电极放大电路；图2-11（c）所示从发射极输入信号，从集电极输出信号，基极作为输入信号和输出信号的公共端，即共基极放大电路。

1.共射极放大电路的组成和工作原理

在3 种组态放大电路中，共射极电路用得比较普遍。这里就以NPN型共射极放大电路为例，讨论放大电路的组成、工作原理和分析方法。

NPN型共射极放大电路如图2-12所示。

NPN型晶体管基极电流 iB、集电极电流 iC流入电极为正，发射极电流 iE流出电极为正，这和NPN型晶体管的实际电流方向相一致。

电路中各元器件的作用如下：

（1）晶体管：放大电流。

（2）电容器：传送交流，隔离直流（一般电容量在几微法到几十微法的范围内）。

（3）电阻器RB和RE：基极偏置和集电极偏置电阻器。

放大器放大的实质是实现小能量对大能量的控制和转换作用。根据能量守恒定律，在这种能量的控制和转换中，电源 UCC为输出信号提供能量。需要特别注意的是，信号的放大仅对交流量而言。

2.基本放大电路的组成原则

晶体管具有3 个工作状态：截止、放大和饱和。在放大电路中为实现其放大作用，晶体管必须工作在放大状态。从放大电路的工作过程可概括出放大电路的组成原则。

（1）外加电源的极性必须保证晶体管的发射结正偏，集电结反偏。

（2）输入电压ui要能引起晶体管的基极电流iB发生相应的变化。

（3）晶体管集电极电流iC的变化要尽可能转为电压的变化输出。

（4）放大电路工作时，直流电源 UCC要为晶体管提供合适的静态工作电流 IBQ、ICQ和电压UCEQ，即电路要有一个合适的静态工作点Q。图2-12所示仿真电路存在Q点偏低的问题，所以放大后的输出信号存在截止失真的问题，请读者思考如何消除电路中的这一缺陷。

2.3.4 放大电路的主要性能指标

1. 放大倍数Au、Ai

放大倍数是衡量放大电路对信号放大能力的主要技术参数。

（1）电压放大倍数 Au是放大电路输出电压与输入电压的比值。常用分贝（dB）来表示电压放大倍数，这时称其为增益。

电压增益=20lg|Au|（dB）

（2）电流放大倍数Ai是指放大电路输出电流与输入电流的比值。

2. 输入电阻Ri

对于一定的信号源电路，输入电阻 Ri 越大，放大电路从信号源得到的输入电压就越大，放大电路向信号源索取电流的能力也就越小。如图2-13所示。

3. 输出电阻Ro

图2-14所示为放大电路输出电阻的示意图。

图2-15 所示为求解放大电路输出电阻的等效电路。当放大电路作为一个电压放大器来使用时，其输出电阻 Ro的大小决定了放大电路的带负载能力。Ro越小，放大电路的带负载能力越强，即放大电路的输出电压uo受负载的影响越小。

2.3.5 基本放大电路的分析方法

2.3.5.1放大电路的图解分析法

图解分析方法是指根据输入信号，在晶体管的特性曲线上直接作图求解的方法。

在放大电路中存在直流分量和交流分量，所以对放大电路的分析就分为静态工作和动态工作两种情况。静态分析的对象是电路中的直流量，而动态分析的对象是电路中的交流量。

1.静态工作情况分析

1）静态工作点Q

在基本放大电路中，只有在信号的任意时刻半导体器件都工作在线性放大区，输出波形才不会失真。因此，放大电路必须设置静态工作点Q。对于晶体管，Q点包括基极电流IBQ、集电极（发射极）电流ICQ（IEQ）、BE间电压UBEQ和管压降UCEQ，如图2-16所示。

2）直流通路

直流通路是指静态（ui=0）时，电路中只有直流量流过的通路。

画直流通路有两个要点：电容器视为开路；电感器视为短路。

图2-17和2-18所示分别为共射极放大电路及其直流通路。电路的静态工作点Q必须依据直流通路估算。

3）Q点的估算

根据直流通路，估算Q点有两种方法：公式估算法和图解法。如图2-19所示，此直线由直流通路获得，称为直流负载线。

2.动态工作情况分析

1）交流通路

交流通路是指动态（ui≠0）时，电路中交流分量流过的通路。

画交流通路时有两个要点：耦合电容器视为短路；直流电压源（内阻很小，忽略不计）视为短路。

图2-20所示为共射极放大电路的交流通路。

计算动态参数Au、Ri、Ro时必须依据交流通路。

2）交流负载线

在图2-20中，有如下关系式：

uo =ΔuCE = -ΔiC（RC∥RL）=-iC//R′L

式中，R′L=RC∥RL称为交流负载电阻，负号表示电流iC和电压uo的方向相反。

交流变化量在变化过程中一定会经过零点。此时，ui=0，与静态工作点Q相符合。所以，Q也是动态过程中的一个点。交流负载线和直流负载线在Q点相交，如图2-21所示。

交流负载线由交流通路获得且过Q点，因此交流负载线是动态工作点移动的轨迹。

3）放大电路的动态工作情况

图2-22所示为电路的动态工作情况。

注意：晶体管各电极的电压和电流瞬时值是在静态值的基础上叠加了交流分量，但瞬时值的极性和方向始终固定不变。

4）非线性失真

所谓失真，是指输出信号的波形与输入信号的波形不一致。晶体管是一个非线性器件，有截止区、放大区、饱和区3个工作区。如果信号在放大的过程中，放大器的工作范围超出了特性曲线的线性放大区域，进入了截止区或饱和区，集电极电流 iC与基极电流 iB不再成线性比例的关系，则会导致输出信号出现非线性失真。

非线性失真分为截止失真和饱和失真两种。

（1）截止失真：当放大电路的静态工作点Q选取比较低时，IBQ较小，输入信号的负半周进入截止区而造成的失真称为截止失真。图2-23所示为放大电路的截止失真。

（2）饱和失真：当放大电路的静态工作点Q选取比较高时，IBQ较大，UCEQ较小，输入信号的正半周进入饱和区而造成的失真称为饱和失真。图2-24 所示为放大电路的饱和失真。ui正半周进入饱和区造成iC失真，从而使uo失真。

2.3.5.2晶体管的微变等效电路分析法

微变等效电路分析法指的是在晶体管特性曲线上Q点附近，当输入为微变信号（小信号）时，可以把晶体管的非线性特性近似看作是线性的，即把非线性器件晶体管转为线性器件进行求解的方法。

1.晶体管的微变等效电路

Q点附近的工作段可认为是直线，如图2-25 所示。当 UCE为常数时，△UBE与△IB之比，

rBE = △UBE / △IB = UBE / iB（UCE为常数）

称为晶体管的输入电阻。输入小信号时，rBE是一个常数。它确定了晶体管输入电路交流分量的伏安关系，因此晶体管输入电路可以用rBE等效代替。

低频小功率晶体管的输入电阻常用下式进行估算：

式中，rBB′表示晶体管基区的体电阻，一般小功率管的体电阻约为300Ω左右（计算时，若未给出，可取300Ω）；IE是发射极的静态电流。rBE通常为几百欧姆到几千欧姆。

图2-26所示为输入为小信号时晶体管的电流放大倍数β。

对于交流微变信号，晶体管可用如图2-27（b）所示的微变等效电路来代替。图2-27（a）所示的晶体管是一个非线性器件，但图2-27（b）所示的是一个线性电路。这样就把晶体管的非线性问题转化为线性问题了。

2.用微变等效电路分析法分析共射放大电路

1）用微变等效电路分析法分析放大电路的求解步骤

（1）用公式估算法估算Q点值，并计算Q点处的参数rBE。

（2）由放大电路的交流通路画出放大电路的微变等效电路。

（3）根据等效电路直接列方程，求解Au、Ri、Ro。

注意：NPN型和PNP型晶体管的微变等效电路一样。

2）分析过程

（1）放大电路的微变等效电路：对于共射极放大电路，从其交流通路可得电路的微变等效电路，如图2-28所示。图中，uS为外接的信号源；RS是信号源内阻。

（2）求解电压放大倍数 Au：将交流通路中的晶体管用微变等效电路替换，就得到了放大电路的微变等效电路。列出输出回路表达式：

根据等效电路的输入回路可列出：

所以，电压放大倍数：

式中，是晶体管总的交流负载；式中负号说明输出电压与输入电压反相。

（3）求解电路的输入电阻 Ri：从等效电路可以看出，输入电流iI.是 RB和 rBE并联后的总电流，所以

R i =RB//rBE

当RB BE≫r，可近似为

（4）求解电路的输出电阻 Ro：图2-29 所示为求解输出电阻的等效电路，根据输出电阻定义将负载电阻开路，令输入电压Ui=0，因为iB=0，iC=0，所以输出电阻：

输出电阻 Ro 越小，放大电路的带负载能力越强。输出电阻 Ro 中不应包含负载电阻RL。

（5）求解输出电压 uo对信号源电压 uS的放大倍数 AuS：由于信号源内阻的存在，AuS＜Au，电路的输入电阻越大，输入电压ui越接近uS。

2.3.5.3两种分析方法特点比较

放大电路图解分析法的优点是形象直观，适用于Q点分析、非线性失真分析、最大不失真输出幅度的分析，能够用于大、小信号。其缺点是作图麻烦，只能分析简单电路，求解误差大，不易求解输入电阻、输出电阻等动态参数。

微变等效电路分析法的优点是适用于任何复杂的电路，可方便求解动态参数，如放大倍数、输入电阻、输出电阻等。其缺点是只能用于分析小信号，不能用来求解静态工作点Q。

实际应用中，常把两种分析方法结合起来使用。

2.3.6 项目元器件参数计算

图2-30所示为固定偏置电压放大电路原理图。

本项目输入信号为Upp=20mV频率为1kHz的正弦信号，放大100倍后负载R3两端的电压达到2V。在Proteus软件中，NPN型晶体管的电流放大倍数β固定为100。接下来还需要计算电路中元器件的参数。

放大电路的核心器件是晶体管，用晶体管构成的放大电路种类较多，图2-30 所示是共发射极的基本放大电路。对于放大路，需要掌握如下内容：

（1）分析电路中各元器件的作用。

（2）了解放大电路的放大原理。

（3）能分析并计算电路的静态工作点。

（4）理解静态工作点的设置目的和方法。

在图2-30中，C1、C2为耦合电容器，电容器能将信号从前级耦合到后级。在输入端输入交流信号后，因两端的电压不能突变，输出端的电压会跟随输入端输入的交流信号一起变化，从而将信号从输入端耦合到输出端。对于低频小信号，C1、C2 一般取10μF左右即可满足要求。但有一点要说明的是，电容器两端的电压不能突变，但不是不能变。

R1、R2为晶体管Q1的直流偏置电阻器。在电路的工作要求中，第一条件是要求稳定。所以，电源一定是直流电源，所以叫直流偏置。电阻器就象供水系统中的水龙头，用来调节电流的大小。所以，晶体管的工作状态就由直流偏置电阻器决定。

晶体管的工作状态可以根据UCE的大小来判别。如果UCE接近于电源电压UCC，则晶体管就工作于截止状态。若 UCE接近于0V，则晶体管工作于饱和状态，何谓饱和状态？就是说，IC电流达到了最大值，就算IB增大，它也不能再增大了。

以上两种状态我们一般称为开关状态。除这两种状态外，第三种状态就是放大状态，一般测UCE接近于电源电压的一半。若UCE偏向UCC，则晶体管趋向于截止状态；若UCE偏向0V，则晶体管趋向于饱和状态。

在图2-30 所示的放大电路中，静态工作点的设置要使 UCE接近于电源电压的一半，这是为了使信号正、负能有对称的变化空间。在没有信号输入时，即信号输入为0，假设 UCE为电源电压的一半，我们当它为一条水平线，作为一个参考点。当输入信号增大时，IB增大，IC增大，则电阻器R2 的电压 U2=IC×R2会随之增大，UCE=UCC-U2会变小，U2理论上能达到等于 UCC，则 UCE最小会达到0V。也就是说，在输入信增加时，UCE最大变化范围为1/2 UCC～0V。

同理，当输入信号减小时，IB减小，IC减小，U2也会随之减小，UCE变大。在输入信减小时，UCE最大变化范围是1/2 UCC～UCC。这样，在输入信号一定范围内发生正、负变化时，UCE以1/2UCC为准的话就有一个对称的正负变化范围，所以静态工作点一般设置为UCE接近于电源电压的一半。

一般情况下，对于小功率管，IC 在零点几毫安到几毫安；对于中功率管，在几毫安到几十毫安；对于大功率管，在几十毫安到几安培。

在图2-30 中，设 IC为2mA，则电阻器R2 的阻值就可以由 R=U/I 来计算。若 UCC为12V，则1/2UCC为6V，R2的阻值为6V/2mA=3kΩ。IB可由IB=IC/β推出。β一般取为100，IB=2mA/100=20μA，则 R1=（UCC-0．7V）/IB=11．3V/20μA=56．5kΩ。实际上，小功率管的β值远不止100，其范围为150～400，或者更高。因此，若按上面的过程计算来做，电路可能处于饱和状态。所以有时计算过程和结果都没错，但实际不能用，这是因为还少了一点实际的指导，理论与实际是有差别的。应该以理论计算的结果作为参考，实际电路应以调试结果为准。

下面来计算图2-30中R1、R2的电阻值，以满足把输入信号电压放大100倍的要求。

（1）设集电极电流 IC=1mA，UCE的数值应为电源电压的一半（本项目要求 UCC=5V），即2．5V，这样可以初步计算出R2的阻值R2=2．5/1mA=2．5kΩ。

（2）根据低频小功率晶体管的输入电阻估算公式：

以及集电极电流约等于发射极电流，可以求出：rBE=300+（1+100）×26/1=2．9kΩ。

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

（4）根据放大电路电压放大倍数公式：

因此，-βRL′/rBE应该等于100才能满足本项目要求。这里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，不能满本足项目要求。此时，可以把R1换成一个电阻值为500kΩ的滑动变阻器，把R2换成一个电阻值为3kΩ，然后调试。

2.4 项目仿真验证

1.电路原理图设计

根据计算结果，在Proteus软件中画出电路原理图，如图2-31所示。

2.仿真验证

示波器通道A显示输出端电压信号波形，示波器通道B显示输入端电压信号。仿真结果如图2-32所示。

从仿真结果中可以看出，输入端电压峰峰值为20mV，输出端电压信号峰峰值为1V，放大倍数Au=50，不满足要求。

3.项目调试

分别调节滑动变阻器RV1、RV2 的值，如图2-33 所示。注意观察输入与输出的电压信号，使输出电压峰峰值正好达到2V，如图2-34所示。

这种电路受β值的影响较大，每个人做出来的结果不一定相同。也就是说，这种电路的稳定性差，实际应用较少。