共射放大器的设计¶
一、实验目的¶
- 复习共射放大器的工作原理；
- 理解三极管小信号模型的含义；
- 学习电路仿真工具的基本操作；
- 体会共射放大器的设计流程及各参数依赖关系。
二、实验要求¶
请设计如图所示的阻容耦合式共射放大器，直流电压Vcc = 12V，电源内阻Rs = 50Ω，负载RL =600Ω，三极管使用2N2222A，该管的参数均使用默认指（β = 220）。
其他建议参数值：交流小信号频率1kHz，交流小信号赋值1mV，耦合电容值10μF。
设计要求：
- 放大器正常工作，放大倍数不小于110，输入电阻不小于700Ω。
- 调整参数，使电路发生饱和失真，观察饱和失真时的放大倍数。
三、实验原理及内容¶
1.放大¶
-
首先计算直流工作电流，从输入电流入手
- Ri = RB ∥ rbe ≈rbe≈ \(\frac{V_{T}}{I_{BQ}}\) 估出 IBQ ≈ 37μA
-
由输入端的KVL方程确定RB的值
- UBEQ + IBQ * RB = VCC
UBEQ ≈ 0.7V
解得 RB≈305.4 kΩ
- UBEQ + IBQ * RB = VCC
UBEQ ≈ 0.7V
-
再从增益入手:
- |Av|= \(\frac{β(R_{C}∥R_{L})} {r_{be}}\) 解得 RC≈840Ω
-
设计如图所示的电路图，参数标注在图上，并仿真结果如下：
-
可以看出，增益|Av|=\(\frac{V_{out_p-p}}{V_{in_p-p}}\)=\(\frac{181mV}{1.86mV}\)≈97 与110接近但有差距，具体原因是在计算过程中为了简化计算用了几次近似。但这种近似是有必要的，可以是我们的电路的范围调到一个相对精确的一个区间，从而避免了毫无头绪地乱调参数。
-
再次从增益表达式|Av|=\(\frac{β(R_{C}∥R_{L})}{r_{be}}\)入手,RL已经固定，不妨增大RC的值将其1400欧姆后仿真结果如下：
- 此时增益|Av|=\(\frac{V_{out_p-p}}{V_{in_p-p}}\)=\(\frac{208mV}{1.861mV}\)≈112,达到设计要求。
2.饱和失真¶
-
电路正常工作时，发射极正偏，集电极反偏。当处于饱和失真时，发射极和集电极均正偏。这就要求基极电势比集电极高。基极电势为0.7V基本不变，所以要拉低集电极电势，可以选择降低RB的电阻，从而增大IBQ,使得集电极电流增大，在RC上的压降增大，从而拉低集电极电势。
-
尝试将RB降低至10k，仿真结果如下:
此时增益|Av|=\(\frac{V_{out_p-p}}{V_{in_p-p}}\)=\(\frac{757μV}{228μV}\)≈3.3，几乎失去放大能力。
也可以看具体的电势值，发现基极的电势为693mV，而集电极电势为54.4mV，集电极正偏，饱和失真。
- 示波器波形如下：
可以看出，output的曲线上下的幅值是不同的，证明越过了摆幅，发生了饱和失真
四、实验总结¶
- 必要的近似处理以及使用三极管的大信号模型是十分有必要的，这可以使我们的参数在一个合理的区间。然后再根据具体的要求微调即可。
- 使三极管工作在放大区，这个电阻的数量级要做到心中有数。RB的数量级是几十到几百kΩ级别的，而RC的数量极只有几千欧。
- 不能使RB过小，这样会使IBQ太大，使得集电极电流过大，从而降低集电极电势，容易使集电极正偏，三极管进入饱和区。