負(fù)反饋放大電路的設(shè)計(jì)與仿真課程845862

1、shanghai university課程論文course paper裝訂線題 目: 仿真設(shè)計(jì)與分析學(xué) 院 機(jī)自學(xué)院一 功率放大電路仿真一. otl功率放大器的原理如圖1所示為otl功率放大器。其中由晶體三極管vt1組成推動(dòng)級(jí)（也稱前置放大級(jí)），vt2、vt3是一對(duì)參數(shù)對(duì)稱的npn和pnp型晶體三極管，它們組成互補(bǔ)推挽otl功率放大電路。由于每一個(gè)管子都接成射極輸出器形式，因此具有輸出電阻低，負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適合于作功率輸出級(jí)。vt1管工作于甲類狀態(tài)，它的集電極電流ic1由電位器rp1(rp1)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 ic1 的一部分流經(jīng)電位器rp2及二極管vd，給vt2、vt3提供偏壓。調(diào)節(jié)rp2，可

2、以使vt2、vt3得到合適的靜態(tài)電流而工作于甲、乙類狀態(tài)，以克服交越失真。靜態(tài)時(shí)要求輸出端中點(diǎn)a的電位，可以通過(guò)調(diào)節(jié)pr1來(lái)實(shí)現(xiàn)，又由于rp1的一端接在a點(diǎn)，因此在電路中引入交、直流電壓并聯(lián)負(fù)反饋，一方面能夠穩(wěn)定放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)，同時(shí)也改善了非線性失真。c4和r 構(gòu)成自舉電路，用于提高輸出電壓正半周的幅度，以得到大的動(dòng)態(tài)范圍。 圖1otl功率放大器當(dāng)輸入正弦交流信號(hào)ui時(shí)，經(jīng)vt1放大、倒相后同時(shí)作用于vt2、vt3的基極，ui的負(fù)半周使vt2管導(dǎo)通（vt3管截止），有電流通過(guò)負(fù)載rl，同時(shí)向電容c2(c2)充電，在ui的正半周，vt3導(dǎo)通（vt2截止），則已充好電的電容器c2起著電源的作用

3、，通過(guò)負(fù)載rl放電，這樣在rl上就得到完整的正弦波，其波形如圖所示。在仿真中若輸出端接喇叭，在仿真時(shí)只要輸入不同的頻率信號(hào)，就能在喇叭中能聽(tīng)到不同的聲音。2. otl電路的主要性能指標(biāo)1）最大不失真輸出功率pom：理想情況下，在電路中可通過(guò)測(cè)量rl兩端的電壓有效值uo或rl的電流來(lái)求得實(shí)際的2）效率：pv-直流電源供給的平均功率，理想情況下，max 78.5 。可測(cè)量電源供給的平均電流idc，從而求得pvuccidc，負(fù)載上的交流功率已用上述方法求出，因而也就可以計(jì)算實(shí)際效率了。在仿真平臺(tái)上也可用功率表分別測(cè)出最大不失真功率和電源供給的平均功率。二、虛擬實(shí)驗(yàn)儀器及器材雙蹤示波器、信號(hào)發(fā)生器、交

4、流毫伏表、數(shù)字萬(wàn)用表等儀器三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1.如下圖2所示的電路圖圖2 otl功率放大電路2靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)整分別調(diào)整r4和r1滑動(dòng)變阻器器，使得萬(wàn)用表xmm2和xmm3的數(shù)據(jù)分別為5-10ma和2.5v，然后測(cè)試各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)填入下表：（注意，信號(hào)發(fā)生器的大小為0）ic1=ic2= 7.56ma，u12=2.5q1q2q3ub0.83v3.22v1.76uc1.76v5.00v2.51vue0.15v2.51v0v3測(cè)量最大不失真輸出功率理想情況下，最大不失真輸出功率，在實(shí)驗(yàn)中可通過(guò)測(cè)量rl兩端的電壓有效值，來(lái)求得實(shí)際的?；蛲ㄟ^(guò)測(cè)量流過(guò)rl的電流有效值，來(lái)求得實(shí)際的。如下圖3所示。 圖(a)

5、 rl 兩端的電壓有效值 圖(b) 流過(guò)rl的電流圖 3 pom的測(cè)量4測(cè)量功率放大器的效率，其中是直流電源供給的平均功率。理想情況下，。在實(shí)驗(yàn)中，可測(cè)量電源供給的平均電流idc，如圖3.7-4所示，從而求得pvuccidc.。圖4 電源供給的平均電流idc在本例中也可用兩塊瓦特表分別測(cè)量電源供給的平均功率pv及最大不失真輸出功率pom，其圖標(biāo)和面板如圖5所示。該圖標(biāo)中有兩組端子，左邊兩個(gè)端子為電壓輸入端子，與所要測(cè)試電路并聯(lián)，右邊兩個(gè)端子為電流輸入端子，與所要測(cè)試電路串聯(lián)。圖5 瓦特表圖標(biāo)和面板5輸入靈敏度輸入靈敏度是指輸出最大不失真功率時(shí)，輸入信號(hào)vi之值。6頻率響應(yīng)的測(cè)試實(shí)測(cè)幅頻率特性如

6、下圖所示： 其中：fl=242hz，fh=3.45mhz。四、實(shí)驗(yàn)分析1理想情況下，最大不失真功率為，而實(shí)測(cè)功率只有1.25mw，主要原因是功率三極管的管壓降比較高，實(shí)際輸出最大電壓不到1v。2由于功率輸出電路直流工作電流較大，幾乎工作在甲類狀態(tài)，加上三極管管壓降較高，電源提供的功率大部分由三極管消耗了，所以實(shí)測(cè)效率較低。負(fù)反饋放大電路的仿真一、實(shí)驗(yàn)元件2n2222a三極管（2個(gè)）、1mv 10khz 正弦電壓源、12v直流電壓源、10uf電容（5個(gè)）、5.11%負(fù)反饋電阻、3.05%集電極電阻（2個(gè)）、1.501%電阻、1.401%電阻、1.001%負(fù)載電阻、1001%電阻、20.01%基極

7、電阻（2個(gè)）、10.01%基極電阻（2個(gè)）、開(kāi)關(guān)、萬(wàn)用表、示波器等。二、實(shí)驗(yàn)原理由于電容對(duì)直流量的電抗為無(wú)窮大，因而阻容耦合放大電路各級(jí)之間的直流通路各不相通，各級(jí)的靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，本次實(shí)驗(yàn)采用了實(shí)驗(yàn)一的數(shù)據(jù)，所以可不必重新調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)電路中引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，將引回的反饋量與輸入量相減，從而調(diào)整電路的凈輸入量與輸出量，改變電壓放大倍數(shù)、輸入電阻與輸出電阻。參數(shù)選擇：為了使反饋達(dá)到深度負(fù)反饋，實(shí)驗(yàn)中選取了5.1的負(fù)反饋電阻，同時(shí)為了不會(huì)在引入負(fù)反饋后出現(xiàn)交流短路的現(xiàn)象，將re1分為兩個(gè)部分re11（100）和re12（1.4）。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)的兩級(jí)阻容耦合放大電路如圖1：圖1

8、 兩級(jí)阻容耦合放大電路原理圖三、電路頻率特性測(cè)試 1、未引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋前的電路頻率特性將電路中的開(kāi)關(guān)j1打開(kāi)，則此時(shí)電路為未引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋的情況，對(duì)電路進(jìn)行頻率仿真，得到如圖2的電路頻率特性圖。圖2 未引入負(fù)反饋的頻率特性曲線和通頻帶指針讀數(shù)根據(jù)上限頻率和下限頻率的定義當(dāng)放大倍數(shù)下降到中頻的0.707倍對(duì)應(yīng)的頻率時(shí)，即將讀數(shù)指針移到幅度為中頻的0.707倍處，如圖2，讀出指針的示數(shù)，即下限頻率fl=761.6815 hz, 上限頻率 fh=348.2346 khz, 因此通頻帶為（348.2346761.6815）hz。調(diào)節(jié)信號(hào)源的幅度，當(dāng)信號(hào)源幅度為1mv時(shí)，輸出波形不失真，如圖3：

9、圖3 信號(hào)源幅度為1mv時(shí)的不失真輸出波形繼續(xù)調(diào)節(jié)信號(hào)源的幅度，當(dāng)信號(hào)源幅度為2mv時(shí)，輸出波形出現(xiàn)了較為明顯的失真，如圖4：圖4 信號(hào)源幅度為2mv時(shí)出現(xiàn)截止失真的輸出波形2、引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋后的電路頻率特性將電路中的開(kāi)關(guān)j1閉合，則此時(shí)電路引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，對(duì)電路進(jìn)行頻率仿真，得到如圖5所示的引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋后的電路頻率特性圖。圖5引入負(fù)反饋后的頻率特性和通頻帶指針讀數(shù)將讀數(shù)指針移到幅度為中頻的0.707倍處，如圖5，讀出指針的示數(shù)，即下限頻率fl=33.6584 hz, 上限頻率 fh=4.7302 mhz, 因此通頻帶為（4.730233.6584）hz，明顯比未引入負(fù)反饋前放寬

10、！再來(lái)觀察引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋后，整個(gè)電路的最大不失真電壓值。當(dāng)信號(hào)源幅度為1mv時(shí)，可以被不失真放大，調(diào)節(jié)信號(hào)源幅度至24mv時(shí)，輸出波形仍未失真，如圖6：圖6 信號(hào)源幅度為24mv時(shí)的臨界不失真輸出波形繼續(xù)增大至25mv時(shí)，輸出波形開(kāi)始出現(xiàn)了飽和失真，如圖7:圖7信號(hào)源幅度為25mv時(shí)飽和失真的輸出波形可見(jiàn)加入負(fù)反饋后，電路的動(dòng)態(tài)范圍增大，即電路可不失真放大的最大信號(hào)幅度增大.四、電路的放大倍數(shù)、輸入和輸出電阻1、測(cè)量放大倍數(shù)按圖8，圖9所示連接，分別測(cè)出j1打開(kāi)和閉合時(shí)的輸入電壓ui、輸出電壓uo，放大倍數(shù)即為au= uo/ui，從而可分別算出引入負(fù)反饋前后的電壓放大倍數(shù)。a）未引入負(fù)反饋

11、的放大倍數(shù)打開(kāi)j1，如圖9，測(cè)得輸入電壓ui1mv，輸出電壓uo=598.033mv，則au= uo/ui=598.033。圖8測(cè)量無(wú)負(fù)反饋時(shí)的電壓放大倍數(shù)的電路圖b）引入負(fù)反饋后的放大倍數(shù)閉合j1，如圖9，測(cè)得輸入電壓ui1mv，輸出電壓uo=47.551mv，則au= uo/ui=47.551。圖9測(cè)量有負(fù)反饋時(shí)的電壓放大倍數(shù)的電路圖 可見(jiàn)電壓串聯(lián)負(fù)反饋的引入，使得電壓放大倍數(shù)明顯減小，兩者相差約12.6倍。2、測(cè)量輸入電阻按圖10，圖11所示連接電路，分別測(cè)出j1打開(kāi)和閉合時(shí)的輸入電壓ui、輸入電流ii，輸入電阻即為ri=ui/ii，從而可分別算出引入負(fù)反饋前后的輸入電阻。a）未引入負(fù)反

12、饋的輸入電阻打開(kāi)j1，如圖10，測(cè)得輸入電壓ui1mv，輸入電流ii=194.329 na，則ri=ui/ii=5.146 。圖10 測(cè)量無(wú)負(fù)反饋時(shí)的輸入電阻的電路圖b）引入負(fù)反饋后的輸入電阻閉合j1，如圖11，測(cè)得輸入電壓ui1mv，輸入電流ii=154.017 na，則ri=ui/ii=6.493 。圖11 測(cè)量有負(fù)反饋時(shí)的輸入電阻的電路圖可見(jiàn)電壓串聯(lián)負(fù)反饋的引入，使得輸入電阻增大。3、測(cè)量輸出電阻按圖12，圖13所示連接電路，分別測(cè)出j1打開(kāi)和閉合時(shí)的輸出電壓uo、輸出電流io，輸出電阻即為ro= uo/io，從而可分別算出引入負(fù)反饋前后的輸出電阻。a）未引入負(fù)反饋的輸出電阻打開(kāi)j1，如

13、圖12，測(cè)得輸出電壓uo1mv，輸出電流ii=353.57na，則ro= uo/io=2.828 。圖12測(cè)量無(wú)負(fù)反饋時(shí)的輸出電阻的電路圖b）引入負(fù)反饋后的輸出電阻閉合j1，如圖13，測(cè)得輸出電壓uo1mv，輸出電流ii=17.159 ua，則ro= uo/io=58.278 。圖13測(cè)量有負(fù)反饋時(shí)的輸出電阻的電路圖可見(jiàn)電壓串聯(lián)負(fù)反饋的引入，使得輸出電阻減小。五、af 1/f的驗(yàn)證 按如圖14所示連接電路，閉合j1。由于電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路的af =auuf =uo/ui、f=fuu =u/uo，因此，需要測(cè)量輸出電壓uo、輸入電壓ui、反饋電壓u。圖14 af 1/f的驗(yàn)證電路測(cè)得ui1mv，uo=47.551mv，u=991.747uf，則af =auuf =uo/ui=47.551，f=fuu =u/uo=0.02086，1/f=47.939，因此af 1/f得到驗(yàn)證。六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)二級(jí)阻容