2.4单管放大器的设计与计算

本文以最简单的基本共射放大器为例，来说明如何在一定的动态范围要求下设计放大器的参数计算及管子选择问题。
1 动态范围和不失真条件
放大器放大信号时，除了要有一定的放大倍数，还要保证输出信号电压的失真很小。通常把最大不失真输出信号电压的峰峰值Uo(p-p)称为一个放大器的动态范围。现在的问题是：如何正确选定静态工作点和负载线，才能得到最大的动态范围呢？既然放大器接上负载RL后，放大器进行信号放大时，工作点要以静态工作点为中心，沿交流负载线上下移动。所以为了在不发生严重失真的情况下，得到最大的Uo(p-p)，则应把静态工作点选在交流负载线AB的中点，而且要保证工作点的变动范围限制在交流负载线AB段以内，如下图所示。


上图中，Uo(p-p)是放大器最大不失真输出信号电压的峰峰值，Uc是晶体管的饱和压降（通常在0.1到0.5V范围内），Ur是为了使工作点的变动不进入截止区所相应的电压降。
根据以上定性分析，易知放大器的不至真条件的定量表达式为：UCQ>=0.5Uo(p-p)+Uc.

2在一定动态范围要求下放大器的设计计算
如果对放大器提出一定的动态范围要求，即规定所需的Uo(p-p)值，则可根据不失真条件及UCQ=ICQ*RL‘确定静态工作点，通过简单计算可知：
                                                            UCQ=RL*VDD/(RC+2RL)
此外可计算放大电路的元件值和选用直流电源电压VDD.

一般在设计放大器时，负载电阻RL的大小是给定的，如果电源电压VDD也已经确定了，则根据上面红色公式确定所需的集电极电阻Rc.如果电源电压VDD在设计条件中未给定，则可按照下式来确定,并留有一定余量：
                                                          VDD>=(1.1~1.5)(2UCQ)

3，设计例子
要求设计一单管放大器，Uo(p-p)=6V，RL=600欧姆。

根据上面红色公式可确定UCQ，并保证足够余量取Uc=1V,则UCQ=0.5*6+1=4V
根据上面VDD选择公式有VDD=1.5*（2*4）=12V
根据红色公式易得集电极电阻Rc=RL（VDD-2UCQ)/UCQ=600（12-2*4）/4=600欧姆
由以上计算知，交流电阻RL'=600//600=300欧姆，则ICQ=UCQ/RL'=4/300=13.3mA.
现在选择晶体管，要求ICM要大于ICQ一倍以上，BVCEO要大于VDD。假设满足此要求的管子的beta=50,则IBQ=ICQ/BETA=0.27mA,进而容易得RB=VDD/IBQ=44.5K欧姆，取离该值最接近的RB=47K。

4，结语
从以上分析可知，红色公式才是核心要理解**的公式，搞定后，基极电阻RB=电源电压除以基极电流那是水到渠成的事，自然而然的事。因为ICQ一旦确定，选好管子后IBQ也就确定了。至于这个蹩脚的、本末倒置的RB=beta(RC+RC//RL)，极少会出现在教科书及模电设计实验书中，也就不足为奇了。

感谢分享。

去年的玩意儿，都快一年了....

http://bbs.21ic.com/icview-324502-1-1.html

Rb = β (Rc + Rc RL / (Rc + RL)) (Vcc - Ube) / (Vcc - Uso)

Vcc = 12 V
Ube = 0.7 V
Uso = 1 V
β = 50
Rc = RL = 600 Ω

得
Rb = 46.2K

HWM 发表于 2013-3-31 20:49
去年的玩意儿，都快一年了....

http://bbs.21ic.com/icview-324502-1-1.html

根本无需您那么复杂的折腾：
Rb=β (Rc+Rc//RL)=50(0.6k+0.6k//0.6k)=50x0.9k=45k

wyizao 发表于 2013-3-31 21:24
根本无需您那么复杂的折腾：
Rb=β (Rc+Rc//RL)=50(0.6k+0.6k//0.6k)=50x0.9k=45k

看过原帖再说不迟....

要计算，就要算准了。
徐教授计算结果：那个固定偏置放大器Uo(p-p)=6V，Rb=47k。
Uo(p-p)=6V，折算为Uom=0.5x6V=3V。
我们就一起看一看徐教授算的Uo(p-p)=6V到底准不准，Rb=47k究竟是不是最好的？

本友不是迷信Multisim，主要是Multisim在THD失真分析这一块还算可以，而且来得快。
首先按照Rb=β(Rc+Rc//RL)=50（0.6k+0.6//0.6)=45k进行仿真实验

结果Uom基本达到4V，超出徐教授计算结果Uom=3V的33%。此时THD=2.348%。
两个仿真图中晶体管β值均按照徐教授的要求设为50。

再按照徐教授的Rb=47k进行实验

结果Uom基本虽然也基本达到4V，也超出徐教授计算结果Uom=3V的33%。但此时THD=2.553%.
Rb从45k上升到47k，上升了约4%，THD从2.348%上升到2.533%，高出了8%。
如果按照HWM计算的46.2k，比45k上升了2%强，但THD将从2.348%上升到约2.47%，高出了5%。

初步结论：
1. 徐坤教授关于这个固定偏置放大器最大输出摆幅的计算误差高达33%;
2. 徐坤教授以及HWM关于这个固定偏置放大器基极偏置电阻的计算虽可能有一定道理，但无论是计算方法的简便也好，还是效果也好，都不是最好的。

我那个是考虑了Uc和Ur后，留有足够的余量的取值结果，你现在弄个虚拟晶体管玩仿真，结果有可比性吗？？

类似无聊的问题不再回复=====没意思======浪费口水++==

胜败乃兵家常事，徐教授大将风度，怎能以区区一个33%的计算失误就哪个呢！
1.  用什么工具什么器件要看效果。本友在7L已经申明，Multisims诸多缺陷，本友并不是说它十全十美。但是在验证THD方面，Multisim及其虚拟晶体管还是效果不错的。哪位有疑问尽可以继续真实验。
2. Uces以及Ube，本友在7L是忽略不计了，那是为了简化设计计算。
考虑Uces以及Ube的设计计算，尽管在***《模拟电子技术》书中暂时没有写上，但是PPT中已经有了，在Ucc=12V时那就是
Rb=0.96β(Rc+Rc//RL)
按照这个精确偏置设计公式再次很快计算
Rb=0.96x50(0.6k+0.6k//0.6k)=43k
并再次仿真结果如下

THD仅有1.34%。
与徐教授的Rb=47k方案相比,本精确偏置设计的THD只有徐教授的一半左右。

Ucc=12V时Uces以及Ube可忽略不计也可考虑，影响尚不是很大。
Ucc再小，例如Ucc=3V，修正公式Rb=0.96β(Rc+Rc//RL)就显示出价值来了。

3. 关于输出范围计算，***《模拟电子技术》书中早有记载，那就是
Uommax=Ucc/(2+Rc/RL)
把Ucc=4V，Rc=RL=0.6k代进去即有
Uommax=12V/(2+0.6/0.6)=4V
仿真结果亦大约为4V。
这一点，已经深入人心，很多网友早都知道了。

据3角形稳定原理，维持一物体稳定，比得3点支撑
一位英文高手，一位数学盖坛，另一位当是国语达人
怎能这么巧合：47k;45k;43k三阻季末大PK

在我等电工看来，只不过是个取值问题

老哥子，站着说话不腰疼。就这47k;45k;43k三个值，你去取取给大家看，说出个1、2、3来。

还有那个最大输出摆幅Uom，理论计算及仿真都是4V，怎么徐教授计算的是3V呢？

要知道，按照4V，若是雷达照射距离就是2000米的话，徐教授的就只有1500米.

少这500米的话，恐怕只有挨打的份儿了。

Lgz2006 发表于 2013-4-1 08:22
据3角形稳定原理，维持一物体稳定，比得3点支撑
一位英文高手，一位数学盖坛，另一位当是国语达人
怎能这么 ...

别跟她外行扯，别说E24了，就是E196系列也没有45K这个值。（估计她又要＂随机应变＂了，说用多个电阻串联或用可调电阻）。

和毛笋说E24?他懂吗？他知道E24系列里的47K可能的范围包含是什么？毛笋以为标称47K就是47K呢！

路过:)

说明如何在一定的动态范围要求下设计放大器的参数计算及管子选择问题

xukun977 发表于 2013-4-1 10:36
别跟她外行扯，别说E24了，就是E196系列也没有45K这个值。（估计她又要＂随机应变＂了，说用多个电阻串 ...

先提醒北邮徐教授或者是E96系列，或者是E192系列，哪里有什么“E196系列”呢？博导教授要为人师表，怎能欺骗年轻的学生呢。

言归正传，这里根本不是扯啥电阻符合不符合什么系列的问题。要不，俺就弱弱地问一句：
徐教授在主贴里给的600欧姆属于哪个系列呀？这E192系列下有597，上有604，您这个600上不着天、下不挨地的，悬在半空不怕难受死了！

还是15L  uschon网友说得好：是“说明如何在一定的动态范围要求下设计放大器的参数计算及管子选择问题”

我得跟大家说下试验结果。

家里不像公司那样材料齐全，只能就地取材了。在盒子里找到了个C1815，测了下beta:



两个680欧电阻，实测是670欧左右，即RC=RL=670。基极电阻RB是用阻值为150K的两个可调电阻串联而成的，为防止可调电阻阻值过小烧管子，又串了个50K固定电阻，所以现在RB变化范围是50K~350K。
公司里是固纬的电源，这么个小实验犯不着往公司跑，家里有充足的6F22，所以电源VDD=9V。



全范围调节RB，保持输出不失真的同时，尽可能抬高输入信号幅度，直到足够“大”停止：



结果：输入Uop-p最大是5V左右，即上图时刻的波形（图中上面波形是基极波形），此时，往左转可调电阻，波形个头变小；往右转则输出波下面部分开始削平。关断电源，测此时的RB，在110~142K之间，波形最优。

实验起码可以说明4个问题：
1,某人天天鼓吹的Uomax=9/3=3V,只能在虚拟的仿真软件里才能看到，反正俺是折腾了半天也未能把Uop_p调到6V。
2，某人天天鼓吹的RB=beta(RC+...)=156*(670+335)=157K,并非想象的那么牛叉，此实验取此值时离半里路都能看见削波了。
3，这也间接证明了俺上面用Uc取1V会很保险，倘若用我文中的Uc=0.5V,则Uomax=2(3-0.5)=5V,刚好与实验结果吻合。
4，仿真的东西，尤其是MULTISIM之类的，不大靠谱，只能预测大致趋势，实际电路还要费力的调试。

你找不到最佳工作点和最大不失真输出电压摆幅，是你不会计算Rb，也不会科学调整而已。
看一看三年之前的实际实验结果吧。

示波器是日本的。
RL=Rc，Ucc=12V。Rb按照
Rb=Beita(Rc+Rc//RL)计算。
100mV每格的基极电压波形与徐教授的一致
2V每格的输出电压波形幅度基本达到4V，与理论计算非常一致。
每年都有几百上千个学生按照这个方法做这个实验。

靠那个盲目调整，徐教授找到2V5已经是很辛苦的了，致敬！
但是，你这个中世纪的盲目方法，3V就很难找到了，遗憾！
所以，为了赶上新潮流，你要丢掉旧观念，接受新方法，奋斗！

wyizao 发表于 2013-4-1 22:19
你找不到最佳工作点和最大不失真输出电压摆幅，是你不会计算Rb，也不会科学调整而已。
看一看三年之前的实 ...

哈哈，当初**专门在基极上串个10k的电阻，简直是个恒流源了，基极电压波形是 100mV 每格！10k 前的输入端有多大？这是放大器么这
现在学乖点了，改串 5k了，输入峰值1.3V！一个共射电路放大倍数才两三倍，哈哈，信噪比？那是***关心的问题么？此种“模拟电路关键技术”有何用？
xukun你那输入端才毫伏级的，怎么搞啊

华东师大的老劳副教授，就连劳佳对于信号源输出端为啥串联类似10k的电阻都明白了，恁地你还一直蒙在鼓里边，真是稀奇！还要本得道高人再教你，而你这厮又一个小钢镚也舍不得出！
大家都知道，晶体管放大器的失真其实分两种，一种是由于工作点设置不合理造成削波失真，另一种是晶体管非线性造成的非线性失真。非线性失真的特征是一边矮胖另一边瘦长。THD10%的非线性失真波形见下图

固定偏置放大器只有信号源内阻能抑制非线性失真。而电压信号源内阻又很小。所以若不采取措施，输出电压就会明显非线性，即一边明显矮胖另一边明显瘦长。而工作点是靠信号幅度一直增加后峰、谷同时被削平来判断的。一边明显矮胖另一边明显瘦长会影响判断工作点是否合适。
就是说，非线性失真与削波失真搀和在一起非常讨厌。就像你是医生，送给你一个病人同时得了两种病，你能在一个时间开刀同时把两种病一起治好吗？很难的。一般是先把乙病缓解一下，先治甲病。回头再治乙病。
我们设置固定偏置放大器放大器工作点时，也是先把非线性失真压制一下缓解一下。怎么缓解，对于固定偏置放大器，没商量，唯一的办法就是暂时加大信号源内阻。加大多少呢，10k左右，这样即使输出满幅时，也能把THD压制在5%以内。而且这样做，源电压增益仍有5~10倍，能演示放大功能。所以说这是一个比较好的实验设计方案。如此整定工作点，完事以后把临时加的那个信号源内阻扯下来，信号源内阻该是多少还是多少，因为你工作点已经整定完毕。放大器已经能够输出较大幅度的电压不削波，为下一步抑制非线性失真打下了一个坚实的基础。
大上海的劳副教授才高五斗学富八车，欢迎劳副教授提出更好的实验方案。我们山沟里人只是抛砖引玉。

看来不把正确答案告诉徐达绞手，他是不会明白的，它还会一如既往地胡扯和颠倒黑白。