高頻電子線路課程設(shè)計調(diào)相信號放大

1、目 錄第一章 緒論31.設(shè)計目的 、意義31.1設(shè)計目的31.2 設(shè)計意義31.3設(shè)計內(nèi)容31.3.1問題的提出31.3.2 主要技術(shù)指標31.4設(shè)計要求3第二章 基本原理42. 基本放大電路的組成及工作原理42.1放大電路的組成42.2放大電路的工作原理52.2.1無輸入信號時放大器的工作情況52.2.2輸入交流信號時的工作情況52.2.3輸入、輸出電阻72.3 放大電路分析方法112.3.1圖解法11第三章 系統(tǒng)誤差分析163 誤差分析及改善措施16第四章 總結(jié)174 設(shè)計心得體會17參考文獻18附錄：19調(diào)相調(diào)制信號放大器專業(yè)：通信工程 姓名：馬木灑 指導老師：王建華摘 要 通過組織試聽

2、、構(gòu)建計算機音頻測試系統(tǒng)并借助maple軟件，研究前置放大器在配接過程中的低頻性能；提出響應系數(shù)l的概念。研究結(jié)果表明：由于脈沖狀態(tài)的信號更接近實際音樂信號，更能反映人耳對音質(zhì)的感受，用短純音信號代替連續(xù)純音信號對放大器系統(tǒng)進行客觀測量和主觀試聽，能比較真實地反映其低頻性能；前置放大器在與功率放大器配接時，l既可反映放大器系統(tǒng)對低頻短純音信號的瞬態(tài)反應能力，又可反映其對低頻連續(xù)純音信號的幅頻特性和相頻特性，因此，能較全面地表示放大器系統(tǒng)的低頻性能；采用直接耦合的前置放大器與直接耦合式功率放大器搭配，l可趨近于理想值1，因而具有最佳的低頻性能。關(guān)鍵字： 連續(xù)純音信號；短純音信號；放大器；低頻性a

3、bstractthrough organizing human evaluation on trial performances, measuring the audio frequency by a computer system specifically, and doing theoretic analysis with the aid of maple software, the low frequency performance of the preamplifier during the matching course was researched. and concept of

4、response ratio was proposed. the results show that the burst signals can be used for the objective and subjective performance evaluation on the amplifier system, it actually reflects the low frequency performance; because the burst signals sound more like actual performance, which can better meet th

5、e need of human ears for tune quality, so using tone burst signals can better reflect the actual low frequency performance of amplifier. and the ratio can reflect both the amplifier systems transient response to low frequency tone burst signals, and the amplitude-frequency and phase-frequency respon

6、se characteristics of the continuous pure tone signals, and therefore it can comprehensively reflect the performance of the whole amplifier system. when a direct- coupled preamplifier is matched with a direct-coupled power amplifier, the ratio approaches 1, which means the best low frequency perform

7、ance. key words: continuous pure tone signals，tone burst signals，amplifier，low frequency performance第一章 緒論1.設(shè)計目的 、意義1.1設(shè)計目的（1）掌握共射放大電路的信號放大的原理及設(shè)計方法。 （2）掌握晶體放大器的放大電路靜態(tài)工作點和動態(tài)工作點的分析計算。 （3）了解晶體管共射放大電路集成信號放大器的工作原理及應用。 （4）能夠使用電路仿真軟件進行電路調(diào)試。 1.2 設(shè)計意義 晶體管低頻放大器 晶體管低頻放大器主要是用來放大低頻小信號電壓的放大器，頻率從幾十赫到一百千赫左右 一、晶體管的偏

8、置電路 為了使放大器獲得線性的放大作用，晶體管不僅須有一個合適的靜態(tài)工作點，而且必須使工作點穩(wěn)定。由于溫度對管子參數(shù)、icbo、ube的影響，最終都集中反映在ic的變化上，為了消除這種影響，我們通過晶體管偏置的直流或電壓的負反饋作用使靜態(tài)工作點穩(wěn)定下來，二、放大器的三種地形式放大器是一種三端電路，其中必有一個端是輸入和輸出的共同“地”端，如果這個共“地”端接于發(fā)射極的，稱為共射電路，接于集電極的，稱為共集電路，接于基極的，稱為共基電路，這三種有不同的性能，見下表三種接地形式電路及其性能比較電路電壓放大倍數(shù) 電流放大倍數(shù)輸入電阻輸出電阻 共射電路 10-100大10-1000 大 100-50k

9、 中 10k-500k中共集電路 0.9-0.999小10-1000大 因負載不同，可達50m左右大1-100小共基電路100-10000（實用）大0.9-0.999小10-500左右小500k-5m大三、圖解法所謂圖解法，就是利用晶體管輸入和輸出的特性曲線，通過作圖來分析放大器性能的方法，圖解法能直觀和全面地表明三極管放大的工作過程，并能計算放大器的某些性能指標。1.3設(shè)計內(nèi)容 1.3.1問題的提出設(shè)計一個信號放大器使得微弱的小信號能夠變成較大的信號。1.3.2 主要技術(shù)指標 放大倍數(shù)： 輸入電阻： 輸出電阻： 失 真 ：1.4設(shè)計要求根據(jù)技術(shù)指標要求及實驗室條件自選方案設(shè)計出原理電路圖，分

10、析工作原理。（1） 提出具體設(shè)計方案。（2） 給出所設(shè)計電路的原理圖。（3） 進行電路multisim的設(shè)計。第二章 基本原理2. 基本放大電路的組成及工作原理2.1放大電路的組成 在生產(chǎn)實踐和科學研究中需要利用放大電路放大微弱的信號，以便觀察、測量和利用。一個基本放大電路必須有如圖2.1.1(a)所示各組成部分：輸入信號源、晶體三極管、輸出負載以及直流電源和相應的偏置電路。其中，直流電源和相應的偏置電路用來為晶體三極管提供靜態(tài)工作點，以保證晶體三極管工作在放大區(qū)。就雙極型晶體三極管而言，就是保證發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。輸入信號源一般是將非電量變?yōu)殡娏康膿Q能器，如各種傳感器，將聲音變換為電信號

11、的話筒，將圖像變換為電信號的攝像管等。它所提供的電壓信號或電流信號就是基本放大電路的輸入信號。 圖2.1.1（b）是最簡單的共發(fā)射極組態(tài)放大器的電路原理圖。我們先介紹各部件的作用。 1. 晶體管v 2. 直流電源ucc 3. 基極偏流電阻rb 4. 集電極電阻rc 5. 耦合電容c1、 c2 2.2放大電路的工作原理 共射放大電路原理圖 交流等效電路圖在上兩圖所示基本放大電路中，我們只要適當選取rb、rc和ucc的值，三極管就能夠工作在放大區(qū)。下面我們以它為例，分析放大電路的工作原理。2.2.1無輸入信號時放大器的工作情況在圖2.1.1(b)所示的基本放大電路中，在接通直流電源ucc后，當ui

12、=0時, 由于基極偏流電阻rb的作用，晶體管基極就有正向偏流ib流過，由于晶體管的電流放大作用，那么集電極電流ic=ib，集電極電流在集電極電阻rc上形成的壓降為uc=icrc。 顯然, 晶體管集電極-發(fā)射極間的管壓降為uce=ucc-icrc。當ui=0時，放大電路處于靜態(tài)或叫處于直流工作狀態(tài),這時的基極電流ib、集電極電流ic和集電極發(fā)射極電壓uce用ib、icq、uceq表示。它們在三極管特性曲線上所確定的點就稱為靜態(tài)工作點，其習慣上用q表示。這些電壓和電流值都是在無信號輸入時的數(shù)值，所以叫靜態(tài)電壓和靜態(tài)電流。 2.2.2輸入交流信號時的工作情況當在放大器的輸入端加入正弦交流信號電壓ui

13、時，信號電壓ui將和靜態(tài)正偏壓uce相串連作用于晶體管發(fā)射結(jié)上，加在發(fā)射結(jié)上的電壓瞬時值為rube=ube+ui如果選擇適當?shù)撵o態(tài)電壓值和靜態(tài)電流值，輸入信號電壓的幅值又限制在一定范圍之內(nèi)，則在信號的整個周期內(nèi)，發(fā)射結(jié)上的電壓均能處于輸入特性曲線的直線部分，如圖2.1.2(a)，此時基極電流的瞬時值將隨ube變化，如圖2.1.2(b)?；鶚O電流ib由兩部分組成,一個是固定不變的靜態(tài)基極電流ib；一個是作正弦變化的交流基極電流ib。 ib=ib+ib由于晶體管的電流放大作用，集電極電流ic將隨基極電流ib變化，如圖2.1.2（c）所示。 同樣，ic也由兩部分組成：一個是固定不變的靜態(tài)集電極電流i

14、c；一個是作正弦變化的交流集電極電流ic。其瞬時值為 ic=ic+ic （2.1.2 ）現(xiàn)在討論集電極電阻rc上的電壓降urc。因為urc=icrc,所以它要隨ic變化，如圖2.1.2（d）所示。由于ucc=icrc+uce，所以在圖2.1.2(d)上，管壓降的瞬時值uce相當于ucc虛線下面的空白部分。把它單獨畫出，如圖2.1.2(e)所示。顯然，uce也由兩部分組成：一個是固定不變的靜態(tài)管壓降uce， 另一個是作正弦變化的交流集電極-發(fā)射極電壓uce。 如果負載電阻rl通過耦合電容c2接到晶體管的集電極-發(fā)射極之間，則由于電容c2的隔直作用，負載電阻rl上就不會出現(xiàn)直流電壓。但對交流信號u

15、ce，很容易通過隔直電容c2加到負載電阻rl上，形成輸出電壓uo。如果電容c2的容量足夠大，則對交流信號的容抗很小，忽略其上的壓降，則管壓降的交流成分就是負載上的輸出電壓，因此有 uo=uce （2.1.3）把輸出電壓uo和輸入信號電壓ui進行對比，我們可以得到如下結(jié)論： (1) 輸出電壓的波形和輸入信號電壓的波形相同，只是輸出電壓幅度比輸入電壓大。 (2) 輸出電壓與輸入信號電壓相位差為180。 通過以上分析可知, 放大電路工作原理實質(zhì)是用微弱的信號電壓ui通過三極管的控制作用去控制三極管集電極電流ic，ic在rl上形成壓降作為輸出電壓。ic是直流電源ucc提供的。因此三極管的輸出功率實際上

16、是利用三極管的控制作用，直流電能轉(zhuǎn)化成交流電能的功率。2.2.3輸入、輸出電阻對于輸入信號源，可把放大器當作它的負載，用ri表示，稱為放大器的輸入電阻。其定義的放大器輸入端信號電壓對電流的比值，即 （2.1.4） 對于輸出負載rl，可把放大器當作它的信號源，用相應的電壓源或電流源等效電路表示，如圖2.1.4（a）和（b）所示。圖中ui是將rl移去，us或者is在放大器輸出端產(chǎn)生的開路電壓。in是將rl短接，us或者is在放大器輸出端產(chǎn)生的短路電流。ro是等效電流源或電壓源的內(nèi)阻，也就是放大器的輸出電阻。 它是在放大器中的獨立電壓源短路或獨立電流源開路、保留受控源的情況下，從rl兩端向放大器看進

17、去所呈現(xiàn)的電阻。因此假如在放大器輸出端外加信號電壓u，計算出由u產(chǎn)生的電流i，則ro=u/i, 如圖2.1.4（c）。 ro，ri只是等效意義上的電阻。如在放大器內(nèi)部有電抗元件，ro，ri應為復值。2.2.4增益增益，又稱為放大倍數(shù)，用來衡量放大器放大信號的能力。有電壓增益、電流增益、功率增益等。 1） 電流、電壓增益電壓增益用au表示，定義為放大器輸出信號電壓與輸入信號電壓的比值。 即 又所以同樣，電流增益ai和源電流增益ais分別定義為 又所以 2） 功率增益 功率增益表示放大器放大信號功率的能力，定義為 一個信號源能夠提供的最大功率，就是信號源加到匹配負載上的功率，我們定義為信號源額定功

18、率, 它是度量信號源功率容量大小的參數(shù)。負載能否得到這么大的功率，取決于負載是否與信號源內(nèi)阻匹配。額定功率與負載大小無關(guān)，而實際得到的功率則與負載大小有關(guān)。 放大器的額定功率增益是指放大器輸出額定功率pao與輸入信號源額定功率pas的比值。在圖2.1.4中，令ri=rs，那么輸入信號源的額定功率為放大器的輸出額定功率為則放大器的額定功率增益為 式中，auso=ut/us是負載rl斷開時放大器的源電壓增益。 由上可知，gpa與放大器輸出端所接負載大小無關(guān)，但和輸入端是否與信號源內(nèi)阻匹配有關(guān)。輸入端匹配時，放大器輸入端得到的功率最大。相應的輸出額定功率pao最大，這時，gpa最大。 3）頻率失真

19、因放大電路一般含有電抗元件，所以對于不同頻率的輸入信號, 放大器具有不同的放大能力。相應的增益是頻率的復函數(shù)。即 上式中，a()是增益的幅值,a()是增益的相角，都是頻率的函數(shù)。我們將幅值隨變化的特性稱為放大器的幅頻特性，其相應的曲線稱為幅頻特性曲線; 相角隨變化的特性稱為放大器的相頻特性，其相應的曲線稱為相頻特性曲線。它們分別如圖2.1.5（a）和（b）所示。 在工程上，一個實際輸入信號包含許多頻率分量，放大器不能對所有頻率分量進行等增益放大，那么合成的輸出信號波形就與輸入信號不同。這種波形失真稱為放大器的頻率失真。要把這種失真限制在允許值范圍內(nèi)，則放大器頻率響應曲線中平坦部分的帶寬應大于輸

20、入信號的頻率寬度。 4）非線性失真 非線性失真主要由晶體三極管伏安特性曲線的非線性產(chǎn)生。假如輸入信號為正弦信號電壓ug=ugmsint時，由于非線性失真，輸出集電極電流波形就將是非正弦的，該波形可分解為眾多頻率分量?；ǚ至繛椴皇д娣至?，假設(shè)它的振幅為ic1m；二次及其以上各次諧波分量為失真分量，假設(shè)他們的振幅分別為ickm（k=2， 3， 4，），則衡量放大器非線性失真大小的非線性失真系數(shù)定義為thd，即 2.3 放大電路分析方法前面我們對放大電路進行了定性分析，本節(jié)將介紹對放大電路進行定量分析計算的方法。對一個放大電路進行定量分析，不外乎做兩方面工作：第一，確定靜態(tài)工作點；第二，計算放大電

21、路在有信號輸入時的放大倍數(shù)、輸入阻抗、輸出阻抗等。常用的分析方法有兩種：圖解法和微變等效電路法。 在分析放大電路時，為了簡便起見，往往把直流分量和交流分量分開處理， 這就需要分別畫出它們的直流通路和交流通路。分析靜態(tài)時用直流通路，分析動態(tài)時用交流通路。在畫直流通路和交流通路時，應遵循下列原則：(1)對直流通路，電感可視為短路，電容可視為開路；(2) 對交流通路，若直流電源內(nèi)阻很小,則其上交流壓降很小，可把它看成短路；若電容在交流通過時，交流壓降很小，可把它看成短路。2.3.1圖解法 在三極管特性曲線上，用作圖的方法來分析放大電路的工作情況，稱為圖解法。其優(yōu)點是直觀，物理意義清楚。 1. 作直流

22、負載線確定靜態(tài)工作點 1) 直流負載線作法 我們把圖 2.2.1 的基本放大電路輸出回路的直流通路，畫成如圖 2.2.2(a)所示,用ab把它分為兩部分。右邊是線性電路，端電壓uce和電流ic必然遵從電源的輸出特性，滿足： uce=ucc-icrc若在uce和ic的平面中，顯然上式代表的是一條直線方程， 在ucc選定后，這條直線就完全由直流負載電阻rc確定，所以把這條線叫做直流負載線。它代表了外電路的電流和電壓之間的關(guān)系。 直流負載線的作法，一般是先找兩個特殊點：當ic=0時，uce=ucc(m點)；當uce=0時，ic=ucc/rc(n點)，我們將mn連起來，就得到如圖 2.2.2(c)中直

23、線mn，也就是放大電路直流負載線。直流負載線的斜率2) 確定靜態(tài)工作點 圖 2.2.2(a)左邊是三極管的非線性電路,電壓uce和電流ic遵從三極管的輸出特性曲線。在靜態(tài)時，ib為不變的值，所以它們只能在圖 2.2.2(b)中的曲線族的某一條曲線上變化。 ic是兩邊同一支路的電流，uce是兩邊共同兩點的電壓，它們既遵從直流負載線又遵從一條輸出特性曲線，所以我們可以把直流負載線mn移到三極管輸出特性曲線上去，這樣得到了圖 2.2.2(d)，剩下的工作就是確定一條輸出特性曲線，該曲線與直流負載線的交點，就是靜態(tài)工作點。我們知道當已知靜態(tài)電壓ube時，可以從輸入特性曲線圖 2.2.2(e)中找到靜態(tài)

24、電流ib,依ib便確定了輸出特性曲線為圖 2.2.2(d)中的某一條，該曲線與mn的交點q就是靜態(tài)工作點，q所對應的靜態(tài)值icq、ibq和uceq也就求出來了。 但ube一般不容易得到確定的值，因此求ibq一般不用圖解法，而用近似公式2. 放大器的非線性失真和靜態(tài)工作點的選擇 三極管的非線性表現(xiàn)在輸入特性的彎曲部分和輸出特性間距的不均勻部分。如果輸入信號的幅值比較大，將使ib、ic和uce正、負半周不對稱，產(chǎn)生非線性失真，如圖2.2.7所示。 靜態(tài)工作點的位置不合適，也會產(chǎn)生嚴重的失真，大信號輸入尤其如此。如果靜態(tài)工作點選得太低，在輸入特性上，信號電壓的負半周有一部分在閾電壓以下，管子進入截止

25、區(qū)，使ib的負半周被“削”去一部分。ib已為失真波形，結(jié)果使ic負半周和uce的正半周(對npn型管而言)被“削”去相應的部分輸出電壓uo(uce)的波形出現(xiàn)頂部失真，如圖 2.2.8(a)所示。因為這種失真是三極管在信號的某一段時間內(nèi)截止而產(chǎn)生的，所以稱為截止失真。如果靜態(tài)工作點選得太高，盡管ib波形完好，但在輸出特性上，信號的擺動范圍有一部分進入飽和區(qū)，結(jié)果使ic的正半周和uce的負半周(對npn管)被“削”去一部分，輸出電壓uo(uce)的波形出現(xiàn)底部失真，如圖 2.2.8(b)所示。 因為這種失真是三極管在信號的某一段內(nèi)飽和而產(chǎn)生的，所以稱為飽和失真。pnp型三極管的輸出電壓uo的波形

26、失真現(xiàn)象與npn型三極管的相反。 對一個放大電路，希望它的輸出信號能正確地反映輸入信號的變化，也就是要求波形失真小，否則就失去了放大的意義。由于輸出信號波形與靜態(tài)工作點有密切的關(guān)系，所以靜態(tài)工作點的設(shè)置要合理。所謂合理，即q點的位置應使三極管各極電流、電壓的變化量處于特性曲線的線性范圍內(nèi)。具體地說，如果輸入信號幅值比較大，q點應選在交流負載線的中央；如果輸入信號幅值比較小，從減小電源的消耗考慮，q點應盡量低一些第三章 系統(tǒng)誤差分析3 誤差分析及改善措施 放大器在實際上時，電源電壓的波動、元件的老化及溫度變化等，都會造成靜態(tài)工作點的不穩(wěn)定，從而影響正常工作。在這些因素中，溫度變化是最主要的，當溫

27、度上升時共射極放大電路的q點將發(fā)生變化：1）發(fā)射結(jié)電壓ube下降，在外加電壓和電阻不變的情況下，使基極電流ib上升。2）三極管的電流放大倍數(shù)增大，在輸出特性曲線圖上，曲線間的距離隨溫度升高而增大。在固定偏流的電路中，溫度對ube、icbo、的影響，均將使ic隨溫度上升而增加，這將會影響三極管的工作狀態(tài)，當更換值不同的三極管時，由于ibe 固定，則icq會隨的變化而變化，導致放大電路工作不穩(wěn)定。分壓式偏置電路使工作點穩(wěn)定，在電路中引入自動調(diào)節(jié)機制，用ib的相反變化去自制ic的變化，從而使icq穩(wěn)定。為保證工作點穩(wěn)定，在本電路設(shè)計rb1、rb2取值較小，即流過rb1的電流i1比ibq大得多。由于ub不