项目二单管音频放大电路的制作.doc

项目二 单管音频放大电路
2.1项目描述
放大电路的作用就是将小的或微弱的电信号（电压、电流、电功率）转换成较大的电信号。例如传声器工作时将声信号转变为电信号时的幅度一般只有几个毫伏，不足以推动较大功率的扬声器（喇叭）发声，只有经过扩音器放大后，将微弱的电信号转换成较大功率的电信号，才能送入扬声器发出较大的声音。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
放大电路（如扩音器）一般主要由电压放大和功率放大两部分组成，先由电压放大电路将微弱的电信号放大去推动功率放大电路，再由功率放大电路输出足够的功率去推动执行元件（如扬声器）。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
电压放大电路按构成的器件分，可分为分立器件放大电路和集成电路放大电路。
2.1.1任务目标
序号
类别
目标
一
知
识
点
1.音频单管放大电路的组成及其主要性能指标
2.三极管的结构、电路符号、类型、分类及其主要性能指标
3.放大电路的一般组成与基本分析方法
4.三极管固定偏置放大电路的基本组成与分析方法
5.三极管工作点稳定放大电路的基本组成与分析方法
6.放大电路的幅频特性
二
技能
1.电阻的识别方法
2.三极管资料查阅及其识别与选取方法
3.放大电路的安装、调试及检修方法
4.万用表、电压表、示波器的使用
三
职业素养
1. 学生的沟通能力及团队协作精神
2. 良好的职业道德
3. 质量、成本、安全、环保意识
2.1.2项目学习情境：单管音频放大电路的制作与调试
图2-1所示为单管音频放大电路原理图，该电路包括三极管直流偏置电路，信号输入、输出电路，负载电路，音频信号源，音频功率放大电路五部分。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。

图2-1 单管音频放大电路原理图
（附）TDA2030功率放大器（功放）模块

2.1.3电路元器件参数及功能
单管音频放大电路（三极管共射放大电路）元器件参数及功能如下表所示。
单管音频放大电路（三极管共射放大电路）元器件参数及功能如表
序号
元器件代号
名称
型号及参数
功能
1
C1
电容器
CD11—16V—10uF
输入耦合电容：隔断三极管基极直流偏执电流，输入信号源交流信号
2
R1
电阻器
RJ11—0.25W—20kΩ
基极上偏置电路电阻
共同为三极管提供合适、稳定的偏置电压
3
R2
电阻器
RJ11—0.25W—10kΩ
基极下偏置电路电阻
4
RP
电位器
WS—1W—100 kΩ
基极上偏置电路电位器

5
R3
电阻器
RJ11—0.25W—1kΩ
发射机偏置电路电阻
6
R4
电阻器
RJ11—0.25W—2.4kΩ
三极管集电极负载：将三极管集电极电流的变化转变为集电极电压的变化
7
C2
电容器
CD11—16V—10uF
输出耦合电容：隔断集电极直流信号，输出交流信号
8
C3
电容器
CD11—16V—47uF
发射极交流旁路电容：使发射极交流信号不通过发射极偏置电阻R3
9
VT
三极管
9013
三极管：电流放大
10
音频信号源
低频信号发生器或音乐芯片
低频信号发生器或音乐芯片
信号源：为放大电路提供测试或工作信号放大
11
音频功率放大电路（含扬声器）
低频功率放大模块
TDA2030功率放大器（功放）模块
将放大电路输出的信号进行足够的功率放大，送至扬声器转换为声音信号
12
+Vcc
直流电源
+12V、0.5A
供电：为放大电路工作提供工作电流
2.2知识链接
本工作任务主要体现知识点是放大电路和放大元件---三极管两个方面。
2.2.1放大电路的概述
（1）放大电路中信号放大的实质
放大电路中 “放大”的实质并不是能量的增加，而是能量的控制与转换。放大的目的是将微弱的变化信号放大成较大的信号。 放大的实质: 是用小能量的信号通过三极管的电流控制作用，将放大电路中直流电源的能量转化成交流能量输出。酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
（2）放大电路的主要性能指标
放大电路的主要性能指标是衡量放大器性能优劣的主要技术参数。一般小信号电压放大电路的主要性能指标有：
a. 电压放大倍数
，用来衡量放大电路不失真电压的放大能力。
b. 输入电阻
，即从放大电路输入端看进去的等效交流电阻。用来衡量电路对前级或信号源的影响强弱，越大，影响越小。
c. 输出电阻
，即从放大电路输出端（断开电阻）看过去的等效交流电阻。用来衡量电路的带负载能力，越小，带负载能力越强。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
d. 最大输出幅值电压
用来衡量放大电路最大信号输出电压的大小。
e. 频响特性
表示放大电路与不同频率信号之间的相互关系，包括幅频特性和相频特性。
（3）放大电路的分类
放大电路的分类很多：
a.按放大元器件的不同，一般分为分立元器件（如三极管、场效应管等）和集成放大电路。
b.按放大参数不同，一般分为电压、电流和功率放大电路。
c.按电路结构不同，一般分为单级和多级放大电路。
d.按信号频率不同，一般分为直流、低频、高频、选频放大电路等多种类型。
2.2.2晶体三极管
晶体三极管，简称三极管，是组成各种电子电路的核心元件。
定义--------用工艺的方法，将两个PN结紧密地、背靠背地连接起来。
分类：
按构成晶体管的半导体材料分 硅管
锗管
按晶体管的内部结构分 NPN管 共性：都是用在放大
PNP管 电路中对电
按晶体管的功率分大、中、小功率管 流、电压起放
大作用的。
按工作频率分 高频晶体管
低频晶体管

（1）三极管的结构示意图及符号如下图示：

NPN型三极管的结构和引脚图

PNP型三极管的结构和引脚图
b（B）表示基极，c（C）表示集电极，e（E）代表发射极；
由图知：NPN型、PNP型三极管都有三个区：基区、集电区和发射区；
三个电极：基极、集电极和发射极（分别是从三个区引出的三个引脚）；
两个结：发射结(e结)和集电结(c结)；
符号图中的箭头表示：发射结加正向电压时，发射极的电流的流向。
（2）三极管的电流放大原理
①三极管的放大条件:分内部条件和外部条件；
内部条件：必须保证三极管有三个区、三个电极、两个结，并且基区做得很薄（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；集电区的面积则比发射区做得大；謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
外部条件：发射结正偏，集电结反偏。（对NPN管，）
②三极管在放大电路中的基本连接方式
当把三极管接入电路时，必然涉及两个回路，一个输入回路，一个输出回路，每个回路都应有一个直流电源，使e结正偏，c结反偏。厦礴恳蹒骈時盡继價骚。
由于两个电源共有四个端点，而三极管只有三个电极，因此输入回路和输出回路总有一个公共端。根据公共端的不同，可以有三种连接方式，（以NPN管为例）分别是：茕桢广鳓鯡选块网羈泪。
a、共基极（共b）连接

b、共发射极（共e）连接

c、共集电极（共c）连接

③三极管的电流放大作用
三极管的电流放大作用是指：基极电流对集电极电流的控制作用。
即 ,(为放大系数，β>>1)
④三极管的电流分配关系
NPN管： ++ PNP管：- -

+ -
- +
广义 节点
由KCL知：
（3）三极管的特性曲线
三极管的特性曲线是指电流和电压之间的关系，包括输入特性曲线和输出特性曲线。以NPN型共e三极管为例介绍：鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。
①输入特性曲线
-----------指当集-射极电压为常数时，输入回路中基极电流与基-射极电压之间的关系曲线。即 ，如下右图所示：籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。
由图可见，和二极管的伏安特性一样，三极管的输入特性也有一段死区，只有当Ube大于死区电压时，三极管才会出现基极电流。通常硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。在正常工作情况下，NPN型硅管的发射结电压Ube为0.6～0.8V，PNP型锗管的发射结电压Ube为0.1～ 0.3V。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。
②输出特性曲线
-----------当基极电流一定时，集电极电流与集-射极电压之间的关系曲线。在不同的下，可得出不同的曲线，所以三极管的输出特性是一组曲线。如下右图所示:渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。

由图可见：通常把输出特性曲线分为三个工作区：
a、放大区：输出特性曲线的近于水平部分是放大区。在放大区, ,由于在不同的下电流放大系数近似相等，所以放大区也称为线性区。三级管要工作在放大区，发射结必须处于正向偏置，集电结则应处于反向偏置，对硅管而言应使。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。
b、截止区：的曲线以下的区域称为截止区。实际上，对NPN硅管而言，当时即已开始截止，但是为了使三极管可靠截止，常使，此时发射结和集电结均处于反向偏置。擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。
c、饱和区：输出特性曲线的陡直部分是饱和区，此时的变化对的影响较小，放大区的β不再适用于饱和区 。在饱和区，，发射结和集电结均处于正向偏置。贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。
（4）三极管的主要参数：
①共发射极电流放大系数β
它是指从基极输入信号，从集电极输出信号，此种接法（共发射极）下的电流放大系数。
②极间反向电流
a 集电极基极间的反向饱和电流
b 集电极发射极间的穿透电流
③极限参数
a 集电极最大允许电流
b 集电极最大允许功率损耗
c 反向击穿电压
④温度对三极管参数的影响：
a 对β的影响： β随温度
的升高而增大。
b 对反向饱和电流的影响：随温度上升会急剧增加。
c 对发射结的影响：温度升高，将下降。 三极管温度特性曲线坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。
（5）三极管的命名方法及检测
①命名方法
3A＊＊，表示该三极管为PNP型锗管；
3B＊＊，表示该三极管为NPN型锗管；
3C＊＊，表示该三极管为PNP型硅管；
3D＊＊，表示该三极管为NPN型硅管；
型号的第三位表示器件的类型，例如G代表高频小功率管，因此3DG就表示该三极管为NPN型高频小功率硅三极管，而3AG则表示该三极管为PNP型高频小功率锗三极管。常见三极管的封装形式如下：蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。

②万用表检测三极管的方法
判定基极。用万用表R×100或R×1k挡测量三极管三个电极中每两个极之间的正、反向电阻值。当用第一根表笔接某一电极，而第二表笔先后接触另外两个电 极均测得低阻值时，则第一根表笔所接的那个电极即为基极b。这时，要注意万用表表笔的极性，如果红表笔接的是基极b。黑表笔分别接在其他两极时，测得的阻 值都较小，则可判定被测三极管为PNP型管；如果黑表笔接的是基极b，红表笔分别接触其他两极时，测得的阻值较小，则被测三极管为NPN型管。 買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。
判定集电极c和发射极e。(以PNP为例)将万用表置于R×100或R×1K挡，红表笔基极b，用黑表笔分别接触另外两个管脚时，所测得的两个电阻值会是 一个大一些，一个小一些。在阻值小的一次测量中，黑表笔所接管脚为集电极；在阻值较大的一次测量中，黑表笔所接管脚为发射极。 綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。

2.2.3三极管放大电路及其分析
为了分析方便，这里规定放大电路中的电压电流文字符号如下表所示。

（1）基本放大电路的组成和工作原理
① 放大电路的组成
　　下图示(a)是由NPN型三极管构成的基本共发射极放大电路，图(b)是图(a)的等效原理电路：驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。

下面介绍各元件的作用。
三极管V：放大元件;
基极电阻：基极偏置电阻，给基极提供一个合适的偏置电流;
集电极电阻：集电极负载电阻，将三极管的电流放大作用转变成电压放大作用；
电阻和电源：信号源，给输入回路提供被放大的信号；
　　 电源：集电极电源。通过给发射结加正向偏置电压，给基极回路提供偏置电流；通过给集电结加反向偏置电压，给集电极回路提供偏置电流。三极管放大交流信号时把的直流能量转变成交流 能量，而三极管本身并不产生能量；猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。
　　 电阻：负载电阻。消耗放大电路输出的交流能量，将电能转变成其他形式的能量；
电容、：耦合电容，起隔直导交的作用。
工程实际中绘制电路图时往往省略电源不画，将图 (a)画成图(c)的形式，其电源用电压表示，这两个电路图的实际结构形式完全相同。由PNP型三极管构成的基本共发射极放大电路如图(d)所示，其与NPN型电路的不同之处是电源电压为负值，电容、的极性调换，以后我们在绘制电路图时都将按这种形式绘制。锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。

　　　　（c）　　　　　　　　　　　　 （d）
② 放大电路的工作原理
a 静态工作原理
　　所谓静态，是指输入交流信号时的工作状态。上图（a）可以等效为下图 (a)所示电路，该电路称为基本共发射极放大电路的直流通道。在直流状态下，三极管各极的电流和各极之间的电压分别为：基极电流，集电极电流，基极与发射极之间的电压，集电极与发射极之间的电压。这几个值反映在输入、输出特性曲线上(如下图 (b)所示)是一个点，所以称其为静态工作点（或称Q点）。構氽頑黉碩饨荠龈话骛。
画直流通路的方法：电容断路，电感断路，其它以三极管为核心照画。

直流通路
由上图（a），根据KVL定律知Q点为：
,

b 动态工作原理
　　 所谓动态，是指放大电路输入信号时的工作状态。基本共发射极放大电路的动态工作原理可用下图来说明，我们在这里仅考虑对的放大作用。輒峄陽檉簖疖網儂號泶。

（a） (b)交流通路
从上图分析可知：
上式中的“－”表示输出信号与输入信号的相位相反，如上图所示。（b）图为交流通路。
画交流通路的方法：电容短路，电感断路，直流电源短路，其它以三极管为核心照画。
通过以上分析，可以得出如下结论：
Ⅰ当输入信号时，放大电路工作于静态，三极管各电极有着恒定的静态电流和，各电极之间有着恒定的静态电压和，这几个值称为静态工作点。设置静态工作点的目的是为了使三极管的工作状态避开死区。尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。
Ⅱ 当输入信号时，放大电路工作于动态，三极管各电极电流和各电极之间的电压跟随输入信号变化，都是直流分量与交流分量的叠加。由于集电极的交流分量是基极电流交流分量的b倍，因此，输出信号比输入信号的幅度大得多。识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。
Ⅲ 输出信号与输入信号的频率相等，但相位相反，即共发射极放大电路具有倒相作用。
③放大电路的微变等效电路分析法
　应用晶体三极管的简化微变等效电路来分析放大电路，可以方便地计算电路的各项参数，这是分析放大电路最常用的基本方法，其具体步骤如下所述。凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。
　　a.画交流通道，如下图（b）所示。

b.画简化微变等效电路
　用晶体三极管的简化微变等效电路代替交流通道中的三极管，所得电路即为该放大电路的微变等效电路，如上图 (c)所示。恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。
c.计算放大电路的动态参数
　　 Ⅰ 电压放大倍数
基本共发射极放大电路的电压放大倍数为

式中 若放大电路不带负载，此时无，则
Ⅱ 电流放大倍数
　基本共发射极放大电路的电流放大倍数为

Ⅲ 输入电阻
　由上图 (c)可知，基本共发射极放大电路的输入电阻为

实际电路中，远远大于，故。
Ⅳ 输出电阻
由上图(c)知，三极管集电极回路等效成了一个理想受控电流源，理想受控电流源与RC构成一个实际受控电流源，根据电路分析的理论，断开后，求得该放大电路的输出电阻为鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。

这里忽略了的分流作用，故是一个近似表示式。
对于电压放大电路，电压放大倍数、输入电阻、输出电阻是三个最重要的参数，电流放大倍数往往不作计算。
（2）分压式电流负反馈偏置电路（稳定静态工作点）的原理分析
如下图(a)所示放大电路，利用与的分压作用、的电流负反馈作用来消除温度对静态工作点的影响，故称为分压式电流负反馈偏置电路。下面具体介绍该电路稳定静态工作点的原理。该电路的直流通道如下图(b)所示。硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。

即

如果合理选择和，可使，即有，上式可近似为

上式说明，在满足的条件下，的大小基本上由和的分压来决定，与环境温度无关。这样，当温度升高引起集电极静态工作点电流增大时，由于，上的电压降也增大，使减小，减小，随之减小，从而克服了温度升高静态工作点上移的缺点。阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。
上述稳定静态工作点的过程是一个自动调节的过程。为了使静态工作点的不受温度变化的影响，只要不受温度影响即可。由分析可知，当时，由于与温度无关，故不受温度影响。氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。
综合以上分析，分压式电流负反馈偏置电路稳定静态工作点的条件是：
a. ，即；
b. ，即
以上两个条件在实际应用中要兼顾放大电路的工作性能。因为，如果要使，就要选取得很小，这样，对输入交流信号的分流作用增强，输入电阻减小，加重了信号源的负担；如果将取得很大，也增大，在电源电压不变的情况下，将减小，放大电路的动态范围减小，影响交流输出电压。实践证明，和按下式选择比较合适：釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。

在工程实际中，对硅材料三极管一般取3~5 V，锗材料三极管一般取1~3 V。　　
（3）分压式电流负反馈偏置电路的分析
在下图中，由于对交流的旁路作用，和的公共端是三极管的发射极，故仍为共发射极放大电路。下面介绍该电路的分析方法。怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。

①静态工作情况分析
静态分析主要是计算静态工作点。分压式电流负反馈偏置电路的直流通道如上图(b)，按图计算静态工作点。
a 基极电位:

b 集电极电流和集电极与发射极之间的电压:
　　集电极电流为 :
集电极与发射极之间的电压为 :

c 基极电流:

②动态工作情况分析
　首先，画出电路的交流通道，如下图 (a)所示。根据交流通道画出其微变等效电路，如图 (b)所示，然后计算动态参数。谚辞調担鈧谄动禪泻類。

a 电压放大倍数

式中 若输出端不带负载，则
b 输入电阻 和输出电阻

c 源电压放大倍数
源电压放大倍数是放大电路对信号源的电压放大倍数，即与的比值。

2.2.4三极管放大电路总结
三极管放大电路共有三种组态，共集电极、共发射级、共基极放大电路，其性能比较如下表示： 表：三极管三种组态放大电路性能比较嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。

2.3项目电路的故障分析与排除
2.3.1项目电路关键点正常电压数据
(1)三极管静态工作点：
(2)交流电压放大倍数：
2.3.2故障检修技巧提示
（1）静态工作点不正常；
（2）信号弱或无信号输出；
2.4项目任务总结
（1）三极管按结构分成NPN型和PNP型。但无论何种类型，内部都包含三个区、两个结、并由三个区引出三个电极。熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。
三极管是放大元件，主要是利用基极电流控制集电极电流实现放大作用。实现放大的外部条件是：发射结正向偏置，集电结反向偏置。鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。
三极管的输出特性曲线可划分为三个区：饱和区、放大区、截止区。描述三极管放大作用的重要参数是共射电流放大系数β。纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。
（2）一个完整的放大电路通常由原理性元件和技术性元件两大部分组成。原理性元件组成放大电路的基本电路：一是由串联型或分压式完成的直流偏置电路，二是经电容耦合分为共射、共集、共基三种接法的交流通路。技术性元件是为完成放大器的特定功能而设定的。颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。
（3）具有射极交流电阻的共射和共基放大电路的电压放大倍数计算公式相同。若无射极交流电阻时，令公式中 即可。共集电路的电压放大倍数小于略等于1。与的相位关系是，共射反相位，为负，共集和共基均是同相位，为正。濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。
（4）放大电路的输入电阻越大，表示放大器从信号源或前级放大器索取的信号电流越小，希望大些好，共集电路的最大，共基电路最小。銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
放大电路的输出电阻越小，表明负载能力强，希望小些好。共集电路的最小，而共射和共基电路都比较大。
（5）放大电路不但要有正确的直流偏置电路，而且直流工作点设置必须适合，否则会产生失真现象。
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