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共发射极放大电路设计

时间:2023-06-12 11:07:00 2sc2510a高频晶体管

放大电路设计

  • 要求各部分的直流电位
  • 要求交流电压放大倍数
  • 电路设计
    • 1、确定电源电压
    • 2.选择晶体
    • 3.确定发射极电流的工作点
    • 4、确定R~C~和R~E~
    • 5.设计基极偏置电路
    • 6.确定耦合电容C~1~C~2~
    • 7.确定电源去耦电容C~3~C~4~
  • Multisim仿真
  • 放大电路性能
    • 1、输入阻抗
    • 2、输出阻抗
    • 3、频率特性
    • 4.增加放大倍数
    • 5.总谐波失真

要求各部分的直流电位

下图为直流电路。
在这里插入图片描述

求基极的直流电位:VB=(R1·VCC)/ (R1 R2) (V)
发射极的直流电位:VE=(VB-VBE)(V) (VBE基极-发射极电压为=0.6V)
发射极上流动的直流电流:IE=VE/RE=VB-0.6 / RE (A)
集电极的直流电位(减去负载电阻)RC获得的值):VC=VCC-IC·RC(V)
因为基极的电流很小,可以看作是IC=IE,得VC=VCC-IE·RC(V)
电路上获得的结果如下图所示:

要求交流电压放大倍数

由于晶体管是导通的,添加到基极端子的交流电位直接出现在发射极,因此交流电压Vi交流的变化部分是ie为:
ie=Vi/RE(A)
集电极电流的交流变化部分是ic(这里也有假设ie=ic),则电阻RC交流电平为:
vRc=ic·RC =Vi ·RC/ RE (V)
由于滤波电容C2切断直流成分,因此交流输出信号VO=VRC
因此,该电路的交流放大倍数为:
Av=Vo/Vi = RC/RE
从公式可以看出AV晶体管的直流电流放大系数hFE无关,而是原因RC和RE比例决定。(因为基极电流很小,几乎为0,所以认为与hFE无关)
RE可视为负反馈电阻,RE 增大AV减小。

电路设计

设计要求:设计电压增益4(12)的共发射极放大电路dB)倍,最大输出电压 4VP-P,任意输入输出阻抗的频率特性。

确定电源电压

结合放大倍数,确保添加最大输出电压RE 上的电压为1-2V(因为VBE为0.6V,晶体管具有温度特性,VBE变化,集电极电压VCE和VE也会变化,吸收变化),VCC为5-6Vπ,因此取VCC=15V(10V不能满足最大输出电压)。

2.选择晶体管

晶体管按用途大致可分为低频(2)SB****,2SD*****)和高频(2SA****,2SC****),可分为大功率和小功率。在追求性能时要慎重选择。
这里选择2SC2873。

3.确定发射极电流的工作点

在频率特性最好时,应选择晶体管工作IE, 这里设IE=1.5mA。
小信号共发射极放大电路的发射极电流一般为0.1mA数毫安之间。

4、确定RC和RE

由AV=RC/RE=4:1,且设VRE=1.5V,由IE=1.5mA,得RE=1KΩ,RC=4KΩ。(因为基极电流很小所以忽略不计)
VCE=VCC-IE·(RC RE)=15-10=7.5V
晶体管损耗PC(集电极和发射极之间的损失变成热量)
PC=VCE·IC=7.5V·1.5mA=11.25mW
注意:如果RC 如果值太大,那就在RC当输出振幅较大时,集电极电位接近发射极电位,切断输出波形的下侧。
相反如果RC 集电极电位靠近电源电位,切断输出波形的上侧。
解决这个问题最好是集电极电位VC 设定在VCC与VE中点。(调整VE和IC的值)

5、基极偏置电路的设计

该电路中VRE=VE=2V,且VBE=0.6V,所以基极电位VB=2.6V。
VB 是由R1和R2 电源电压分压后的电位设置VR2=2.6V,则VR1=20-2.6=17.4V。
基极电流Ib 集电极电流的1/hFE,设hFE=200,则Ib=0.01mA。
所以必须在R1和R2上流过比基大得多的电流,使基极电流可以忽略(一般超过10倍),这里I1·2=0.2mA。
则R1=VR1/I1·2=17.4V / 0.2mA=87KΩ,
R2=VR2/I1·2=2.6V / 0.2mA=13KΩ,
(取标称值)

6.确定耦合电容C1C2

C1与输入阻抗,C2高通滤波器由连接到输出端的负载电阻组成。(高频阻低频,C低频能力越低,频率特性越低,fC=1/2πC·R)
fC=1/2πC·R=1/2π·10uF·11.3KΩ=0.8HZ
这里取10uF。

7.确定电源去耦电容C3C4

C3和C4是电源的去耦电容-即减少电源对GND用于交流阻抗的电容器(称为旁路电容器)。
电容阻抗为(1/2π·f·C),频率越高,阻抗越小,但范围如下图所示量的电容器(0.01uF-0.1uF)在高频率处,大容量的电容器(1uF-100uF)在低频率处,电容阻抗最低。
这里采用C3=0.1uF,C4=10uF的电容器。(可以有很宽的频率范围)

Multisim仿真

仿真结果如下图,数据有点误差,但是在允许范围。

AV=3.848/1=3.8(11.5dB)
输入输出波形图

放大电路的性能

1、输入阻抗

下图表示测量输入阻抗的方法,认为加在电路上的输入电压Vi是信号电压VS用RS与Zi(输入阻抗)分压后得到的

如下图所示当RS=11KΩ时,Vi波形为VS波形的一半所以输入阻抗Zi=R1//R2=11KΩ

2、输出阻抗

下图表示输出阻抗的测量方法,认为输出信号Vo为输出阻抗Zo和负载电阻RL分压得到的。


当RL=4KΩ时,Vo减小为原来(不接负载时)的一半,所以Zi=RC=4KΩ,即输出阻抗为RC的值。

3、频率特性

该电路的频率特性如下图所示,低频截止频率 fcl=1/2π·C·R(是输入侧高通滤波器的值,没有接负载情况下,有的话取较大那一个),高频截止频率与晶体管,封装,以及密勒效应有关。

4、提高放大倍数

有了上述放大电路,想稍微提高放大倍数时,如果随意改变RC和RE的值,则连偏置也变了,从而导致最大输出振幅改变,出现输出波形失真。
可以采用如下方法,在不改变直流电位的情况下提高交流增益。

举例一种:将RE分为Re1和Re2,并在Re2上并联一个电容,这样电路的直流电位不变,放大倍数AV=RC/Re1=4/0.1=40(32dB)
如下图

5、总谐波失真

失真率与放大倍数成正比。

完!

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