多級放大電路電子技術(shù)課程設(shè)計說明書

1、多級放大電路電子技術(shù)課程設(shè)計說明書 濰 坊 大 學(xué) 電子技術(shù)課程設(shè)計說明書 題 目： 系 部： 專 業(yè)： 班 級： 學(xué)生姓名: 學(xué) 號: 指導(dǎo)教師: 2021年 月 日 目 錄 摘要 . 1 第一章 放大電路 . 2放大的概述的介紹 . 2放大電路的概念 . 2放大電路介紹 . 2 第二章 放大電路 . 3晶體管 . 3概述 . 3根本結(jié)構(gòu) . 3放大原理 . 4根本放大電路 . 5共發(fā)射極放大電路 . 5射極輸出器 . 10 第三章 多級放大電路 . 12概述 . 12多級放大電路的概述 . 12多級放大電路的組成及特點(diǎn) . 12常見的幾種放大電路 . 13概述 . 13阻容耦合多級放大電路

2、 . 13變壓器耦合多級放大電路 . 13直接耦合多級放大電路 . 14 3.2.5光電耦合電路 . 14多級放大電路實(shí)例 . 15 總結(jié) . 18 參考文獻(xiàn) . 19 摘要 【摘要內(nèi)容】放大電路能夠?qū)⒁粋€微弱的交流小信號，通過一個裝置，得到一個波形相似，但幅值卻大很多的交流大信號的輸出。實(shí)際應(yīng)用中，放大電路的輸入信號都是很微弱的，一般為毫伏級或微伏級。為獲得推動負(fù)載工作的足夠大的電壓和功率，需將輸入信號放大成千上萬倍。由于前述單級放大電路的電壓放大倍數(shù)通常只有幾十倍，所以需要將多個單級放大電路聯(lián)結(jié)起來，組成多級放大電路對輸入信號進(jìn)行連續(xù)放大。 【關(guān)鍵詞】 放大電路 晶體管 放大原理 多級放大

3、電路 1 第一章 放大電路放大的概述的介紹放大電路的概念 放大電路能夠?qū)⒁粋€微弱的交流小信號，通過一個裝置，得到一個波形相似，但幅值卻大很多的交流大信號的輸出。實(shí)際的放大電路通常是由信號源、晶體三極管構(gòu)成的放大器及負(fù)載組成。 放大的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)能量的控制，即能量的轉(zhuǎn)換：用能量比擬小的輸入信號來控制另一個能源，使輸出端的負(fù)載上得到能量比擬大的信號；放大的對象是變化量；放大的特征是功率放大，即負(fù)載上總是獲得比輸入信號大得多的電壓或電流， 有時兼而有之；放大的前提是信號不失真，即只有在不失真的情況下放大才有意義。 圖1.1 根本放大電路放大電路介紹 增加電信號幅度或功率的電子電路。應(yīng)用放大電路實(shí)現(xiàn)放大

4、的裝置稱為放大器。它的核心是電子有源器件，如電子管、晶體管等。為了實(shí)現(xiàn)放大，必須給放大器提供能量。常用的能源是直流電源，但有的放大器也利用高頻電源作為泵浦源。放大作用的實(shí)質(zhì)是把電源的能量轉(zhuǎn)移給輸出信號。輸入信號的作用是控制這種轉(zhuǎn)移，使放大器輸出信號的變化重復(fù)或反映輸入信號的變化?，F(xiàn)代電子系統(tǒng)中，電信號的產(chǎn)生、發(fā)送、接收、變換和處理，幾乎都以放大電路為根底。20世紀(jì)初，真空三極管的創(chuàng)造和電信號放大的實(shí)現(xiàn)，標(biāo)志著電子學(xué)開展到一個新的階段。20世紀(jì)40年代末晶體管的問世，特別是60年代集成電路的問世，加速了電子放大器以至電子系統(tǒng)小型化和微型化的進(jìn)程。 2 第二章 放大電路晶體管概述 半導(dǎo)體三極管也稱

5、為晶體三極管，可以說它是電子電路中最重要的器件。它最主要的功能是電流放大和開關(guān)作用。三極管顧名思義具有三個電極。二極管是由一個PN結(jié)構(gòu)成的，而三極管由兩個PN結(jié)構(gòu)成，共用的一個電極成為三極管的基極(用字母b表示)。其他的兩個電極成為集電極(用字母c表示)和發(fā)射極(用字母e表示)。由于不同的組合方式，形成了一種是NPN型的三極管，另一種是 PNP 型的三極管。 圖2.1 三極管 三極管的種類很多，并且不同型號各有不同的用途。三極管大都是塑料封裝或金屬封裝，常見三極管的外觀，有一個箭頭的電極是發(fā)射極，箭頭朝外的是NPN型三極管，而箭頭朝內(nèi)的是PNP型。實(shí)際上箭頭所指的方向是電流的方向。根本結(jié)構(gòu) 三

6、極管的根本結(jié)構(gòu)是兩個反向連結(jié)的PN結(jié)面，可有PNP和NPN兩種組合。三個接出來的端點(diǎn)依序稱為發(fā)射極emitter,E、基極base,B和集電極collector,C。 3 圖2.2 三極管的根本結(jié)構(gòu)放大原理 晶體三極管按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)形式，但使用最多的是硅NPN和鍺PNP兩種三極管。兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的，下面僅介紹NPN硅管的電流放大原理。 對于NPN管，它是由2塊N型半導(dǎo)體中間夾著一塊P型半導(dǎo)體所組成，發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，而集電區(qū)與基區(qū)形成的PN結(jié)稱為集電結(jié)，三條引線分別稱為發(fā)射極e、基極b和集電極c。

7、 當(dāng)b點(diǎn)電位高于e點(diǎn)電位零點(diǎn)幾伏時，發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài)，而C點(diǎn)電位高于b點(diǎn)電位幾伏時，集電結(jié)處于反偏狀態(tài)，集電極電源Ec要高于基極電源Ebo。在制造三極管時，有意識地使發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的，同時基區(qū)做得很薄，而且，要嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量，這樣，一旦接通電源后，由于發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子電子及基區(qū)的多數(shù)載流子空穴很容易地越過發(fā)射結(jié)互相向?qū)Ψ綌U(kuò)散，但因前者的濃度基大于后者，所以通過發(fā)射結(jié)的電流根本上是電子流，這股電子流稱為發(fā)射極電流了。由于基區(qū)很薄，加上集電結(jié)的反偏，注入基區(qū)的電子大局部越過集電結(jié)進(jìn)入集電區(qū)而形成集電極電流Ic，只剩下很少1-10%的電子在基區(qū)的空穴進(jìn)行復(fù)合，被復(fù)合

8、掉的基區(qū)空穴由基極電源Eb重新補(bǔ)給，從而形成了基極電流Ibo.根據(jù)電流連續(xù)性原理得：Ie=Ib+Ic，這就是說，在基極補(bǔ)充一個很小的Ib，就可以在集電極上得到一個較大的Ic，這就是所謂電流放大作用，Ic與Ib是維持一定的比例關(guān)系，即：1=Ic/Ib 式中：1-稱為直流放大倍數(shù)，集電極電流的變化量Ic與基極電流的變化量Ib之比為：= Ic/Ib。式中-稱為交流電流放大倍數(shù)，由于低頻時1和的數(shù)值相差不大，所以有時為了方便起見，對兩者不作嚴(yán)格區(qū)分，值約為幾十至一百多。三極管是一種電流放大器件，但在實(shí)際使用中常常利用三極管的電流放大作用，通過電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍糯笞饔谩?4根本放大電路共發(fā)射極放大電路 共

9、發(fā)射極放大電路簡稱共射電路，其原理電路如下圖。輸入端AA外接需要放大的信號源；輸出端BB外接負(fù)載。發(fā)射極為輸入信號ui和輸出信號uo的公共端。公共端通常稱為“地實(shí)際上并非真正接到大地，其電位為零，是電路中其他 各點(diǎn)電位的參考點(diǎn)，用“表示。 圖2.3 共射極放大電路 1電路的組成及各元件的作用 1三極管VNPN管，具有放大功能，是放大電路的核心。 2直流電源VCC使三極管工作在放大狀態(tài)，VCC一般為幾伏到幾十伏。 3基極偏置電阻Rb它使發(fā)射結(jié)正向偏置，并向基極提供適宜的基極電流。Rb一般為幾十千歐至幾百千歐。 4集電極負(fù)載電阻Rc它將集電極電流的變化轉(zhuǎn)換成集-射極之間電壓的變化，以實(shí)現(xiàn)電壓放大。

10、Rc的值一般為幾千歐至幾十千歐。 5耦合電容C1、C2又稱隔直電容，起通交流隔直流的作用。C1、C2一般為幾微法至幾十微法的電解電容器，在聯(lián)結(jié)電路時，應(yīng)注意電容器的極性，不能接錯。 2放大電路的靜態(tài)分析靜態(tài)是指放大電路沒有交流輸入信號ui=0時的直流工作狀態(tài)。靜態(tài)時，電路中只有直流電源VCC作用，三極管各極電流和極間電壓都是直流值，電容C1、C2相當(dāng)于開路。 對放大電路進(jìn)行靜態(tài)分析的目的是為了合理設(shè)置電路的靜態(tài)工作點(diǎn)用Q表示，即靜態(tài)時電路中的基極電流IBQ、集電極電流ICQ和集-射間電壓UCEQ的值，防止放大電路在放大交流輸入信號時產(chǎn)生的非線性失真。 根據(jù)直流通路，可求得三極管的靜態(tài)值IBQ為

11、 5 2-1 三極管工作于放大狀態(tài)時，發(fā)射結(jié)正偏，這時UBEQ根本不變，對于硅管約為，鍺管約為0.3 V。由于UBEQ一般比VCC小得多，式2-1可以寫成 2-2 例2-1在圖2-4所示共射電路中，VCC=20V，Rb=500k，三極管為3DG100，=45。試求放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。 圖2-4 快速熔斷器在電路中的不同位置 由此可見，共射放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)是由基極偏置電阻Rb決定的。因此，通過調(diào)節(jié)基極偏置電阻Rb可以使放大電路獲得一個適宜的靜態(tài)工作點(diǎn)。 3放大電路的動態(tài)分析放大電路在有輸入信號時ui0的工作狀態(tài)稱為動態(tài)。動態(tài)時，在直流電壓VCC和輸入交流電壓信號ui的共同作用下，電路中的電

12、流和電壓是由直流分量和交流分量的疊加而成脈動直流信號。 說明：由于放大電路是交、直流共存的電路，因而名稱、符號較多。為了便于分析，將放大電路中規(guī)定的電流和電壓符號列于表2-1。 表2-1 放大電路中電流和電壓的符號 6 動態(tài)時，為了分析交流信號的傳輸情況，通常需要先畫出交流電流所流經(jīng)的路徑，即交流通路，如下圖。此時，耦合電容C1、C2對交流的容抗很小，因而可視為短路；直流電源的內(nèi)阻很小，交流通過時的電壓降可忽略，因此直流電源也可視為短路。 圖2.5 放大電路的交流通路 4放大電路的性能指標(biāo)分析電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻是放大電路的三個主要性能指標(biāo)， 分析這三個指標(biāo)最常用的方法是微變等效電

13、路法，這是一種在小信號放大條件下，將非線性的三極管放大電路等效為線性電路進(jìn)行分析的方法。 圖三極管交流通路 1三極管的微變等效電路按共發(fā)射極方式聯(lián)結(jié)的三極管交流通路如下圖。從輸入端b、e來看，由于在小信號輸入條件下，三極管的輸入特性近似為線性，ube和ib成正比，因此b、e間可用電阻rbe來等效；從輸出端c、e來看，集電極電流ic=ib，幾乎與uce無關(guān)，因此可用受控恒流源ic=ib來等效。根據(jù)以上分 7 析，可將三極管等效為圖所示電路。 圖2.7 三極管的微變等效電路 rbe稱為三極管的輸入電阻，低頻小功率管的輸入電阻rbe可用下式估算 2-3 由式2-3可見，rbe與靜態(tài)工作電流IE有關(guān)。

14、當(dāng)?shù)皖l小功率管的靜態(tài)工作電流IC=12 mA時，rbe約為1k。 2共射放大電路的微變等效電路將圖所示交流通路中的三極管用微變等效電路替代，得到共射放大電路的微變等效電路如下圖。 3共射放大電路動態(tài)性能指標(biāo)分析 ? 電壓放大倍數(shù)Au放大倍數(shù)是衡量放大電路放大能力的重要指標(biāo)，由圖可知 共射放大電路的電壓放大倍數(shù)為 2-4 式中Au電壓放大倍數(shù)； RL交流負(fù)載等效電阻，RL=RC/ RL-。 共射放大電路的電壓放大倍數(shù)一般較大，通常為幾十倍至幾百倍。式2-4中，負(fù)號表示輸出電壓與輸入電壓相位相反。 空載時，交流負(fù)載等效電阻RL= RC，因此空載電壓放大倍數(shù)為 8 2-5 由于RC/ RL&

15、lt; RC，因此Au< Au0，即放大電路接負(fù)載RL后，放大倍數(shù)下降。 ? 輸入電阻Ri輸入電阻是從放大電路輸入端看進(jìn)去的等效電阻。輸入電阻越大，放大電路的實(shí)際輸入電壓就越接近于所接信號源電壓。 根據(jù)圖所示電路，共射放大電路的輸入電阻為 Ri=Rb/rbe 2-6 通常，Rb為幾百千歐，rbe約為1千歐，Rbrbe，所以 Rirbe 2-7 可見，共射放大電路的輸入電阻Ri較小，一般為幾百歐至幾千歐。 輸出電阻Ro輸出電阻是從輸出端向放大電路看進(jìn)去的等效電阻。輸出電阻越小，放大電路接上負(fù)載后的輸出電壓下降越小，即放大電路的帶負(fù)載能力越強(qiáng)。 共射放大電路的輸出電阻RoRC。由于R

16、C一般為幾千歐至幾十千歐，因此共射放大電路輸出電阻Ro較大，電路的帶負(fù)載能力也較差。 例2-2在例2-1所示共射放大電路中，RL=6k，假設(shè)輸入信號有效值Ui=10mV，那么輸出電壓的幅值有多大？ 解由例2-1已求得該電路的靜態(tài)工作點(diǎn)為 IBQ=40； IE； 根據(jù)式2-3得三極管的輸入電阻為 電壓放大倍數(shù)Au為 輸出電壓的幅值為 5放大電路非線性失真實(shí)踐說明，假設(shè)靜態(tài)工作點(diǎn)Q設(shè)置不當(dāng)，在放大電路中將會出現(xiàn)輸出電壓uo和輸入電壓ui波形不一致的現(xiàn)象，即非線性失真，如下圖。 9 圖非線性失真 1飽和失真圖中，假設(shè)靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在Q1點(diǎn)，那么集電極電流ICQ1過大，接近飽和區(qū)。當(dāng)ib1按正弦規(guī)律變

17、化時，Q1點(diǎn)進(jìn)入飽和區(qū)，造成iC1的正半周和輸出電壓uo1的負(fù)半周出現(xiàn)平頂畸變。這種由于三極管進(jìn)入飽和區(qū)工作而引起的失真稱為飽和失真。通過增大基極偏置電阻Rb，減小IBQ1，可將靜態(tài)工作點(diǎn)適當(dāng)下移，以消除飽和失真。 2截止失真圖中，假設(shè)靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在Q2點(diǎn)，那么集電極電流ICQ2太小，接近截止區(qū)。由圖可見，此時iC2的負(fù)半周和輸出電壓uo2的正半周出現(xiàn)平頂畸變。這種由于三極管進(jìn)入截止區(qū)工作而引起的失真稱為截止失真。通過減小基極偏置電阻Rb，增大IBQ2，可將靜態(tài)工作點(diǎn)適當(dāng)上移，以消除截止失真。 射極輸出器 圖2.9 射極輸出器 10 1電路結(jié)構(gòu)射極輸出器的電路結(jié)構(gòu)如下圖，三極管的集電極直接接

18、電源VCC，發(fā)射極接射極電阻Re。對交流信號而言，基極是信號的輸入端，發(fā)射極是輸出端，集電極相當(dāng)于接地，是輸入、輸出回路的公共端，故稱共集電極放大電路。由于信號從發(fā)射極輸出，所以又稱射極輸出器。 2.射極輸出器的輸出電壓與輸入電壓數(shù)值相近、相位相同，即輸出信號跟隨輸入信號的變化，這是射極輸出器最顯著的特點(diǎn)，因此又稱射極跟隨器。 此外，射極輸出器還具有輸入電阻大可達(dá)幾十千歐至幾百千歐、輸出電阻小一般為幾歐至幾百歐的特點(diǎn)，因而多級放大電路、電子測量儀器以及集成電路中得到廣泛的應(yīng)用。 11 第三章 多級放大電路概述多級放大電路的概述 實(shí)際應(yīng)用中，放大電路的輸入信號都是很微弱的，一般為毫伏級或微伏級。

19、為獲得推動負(fù)載工作的足夠大的電壓和功率，需將輸入信號放大成千上萬倍。由于前述單級放大電路的電壓放大倍數(shù)通常只有幾十倍，所以需要將多個單級放大電路聯(lián)結(jié)起來，組成多級放大電路對輸入信號進(jìn)行連續(xù)放大。 多級放大電路中，輸入級用于接受輸入信號。為使輸入信號盡量不受信號源內(nèi)阻的影響，輸入級應(yīng)具有較高的輸入電阻，因而常采用高輸入電阻的放大電路，例如射極輸出器等。中間電壓放大級用于小信號電壓放大，要求有較高的電壓放大倍數(shù)。輸出級是大信號功率放大級，用以輸出負(fù)載需要的功率。多級放大電路的組成及特點(diǎn) 1多級放大電路的組成多級放大電路的組成框圖如下圖。 圖3.1 多級放大電路的組成框圖 多級放大電路中，輸入級用于

20、接受輸入信號。為使輸入信號盡量不受信號源內(nèi)阻的影響，輸入級應(yīng)具有較高的輸入電阻，因而常采用高輸入電阻的放大電路，例如射極輸出器等。中間電壓放大級用于小信號電壓放大，要求有較高的電壓放大倍數(shù)。輸出級是大信號功率放大級，用以輸出負(fù)載需要的功率。 2多級放大電路的級間耦合方式及特點(diǎn)在多級放大電路中，級與級之間的聯(lián)結(jié)方式稱為耦合。級間耦合時應(yīng)滿足以下要求：各級要有適宜的靜態(tài)工作點(diǎn)；信號能從前級順利傳送到后級；各級技術(shù)指標(biāo)能滿足要求。 12常見的幾種放大電路概述 常見的耦合方式有阻容耦合、變壓器耦合、直接耦合以及光電耦合等。阻容耦合阻容耦合多級放大電路 阻容耦合阻容耦合多級放大電路如下圖。圖中，前級的輸

21、出電阻通過電容 C2稱為耦合電容與后級的輸入電阻相連，因而稱為阻容耦合。 圖3.2 阻容耦合 阻容耦合結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，在多級分立元件交流放大電路中獲得廣泛應(yīng)用。但阻容耦合放大電路不能放大直流和緩變信號，并且集成電路中制造大電容也比擬困難，使阻容耦合的應(yīng)用又具有很大的局限性。變壓器耦合多級放大電路 變壓器耦合多級放大電路如下圖。 圖中，前級的輸出通過變壓器與后級的輸入端相連，因而稱為變壓器耦合。變壓器耦合的最大特點(diǎn)是能夠進(jìn)行阻抗變換，實(shí)現(xiàn)負(fù)載與放大電路之間的阻抗匹配，使負(fù)載獲得最大功率。 圖3.3 變壓器耦合 13 由于變壓器具有體積大、笨重和頻率特性差的缺點(diǎn)，同時也不能放大直流和緩變信號，

22、因此應(yīng)用較少。直接耦合多級放大電路 直接耦合多級放大電路如下圖。由圖可見，前級的輸出端直接與后級的輸 入端相連，因而稱為直接耦合。 圖3.4 直接耦合 直接耦合的多級放大電路具有良好的頻率特性，不但能放大交流，還能放大直流和緩變信號，所以又稱“直流放大電路。但由于前級與后級直接相連，因此需要解決：靜態(tài)工作點(diǎn)相互牽制可能導(dǎo)致的多級放大電路無法進(jìn)行正常線性放大的問題；零點(diǎn)漂移問題。 所謂零點(diǎn)漂移，是指放大電路的輸入電壓為零時，在輸出端出現(xiàn)的偏離靜態(tài)值而緩慢、無規(guī)那么變化的輸出電壓的現(xiàn)象。造成零點(diǎn)漂移現(xiàn)象的原因很多，但主要是由于三極管參數(shù)隨溫度變化使各級靜態(tài)工作點(diǎn)變動而導(dǎo)致的，因此又稱為溫度漂移。顯

23、然，在阻容耦合、變壓器耦合的放大電路中，這種緩慢變化的漂移電壓不會傳送到下級放大，但在直接耦合的放大電路中，漂移電壓會和有用信號一起直接傳送到下一級，經(jīng)過逐級放大后，在輸出端很難區(qū)分有用信號和漂移電壓，甚至?xí)霈F(xiàn)漂移電壓“淹沒有用信號的現(xiàn)象，使放大電路無法正常工作。不難想象，多級放大電路的放大倍數(shù)越大，零點(diǎn)漂移現(xiàn)象越嚴(yán)重，而且以第一級放大電路產(chǎn)生的零點(diǎn)漂移電壓在輸出端引起的后果最嚴(yán)重。 由于直接耦合無電容、無變壓器，因此在集成電路中得到廣泛應(yīng)用。光電耦合電路 光電耦合電路如下圖。圖中，方框內(nèi)是光電耦合器，它由發(fā)光二極管和光電晶體管封裝在同一管殼內(nèi)組成。前級輸出信號使發(fā)光二極管發(fā)光，光電晶體管接

24、受光照后，產(chǎn)生光電流。光電流的大小隨輸入端信號的增加而增大。光電耦合器以光為 14 媒介，實(shí)現(xiàn)電信號從前級向后級傳輸，它的輸入端和輸出端在電氣上絕緣，具有抗干擾、隔噪聲等特點(diǎn)，已得到越來越廣泛的應(yīng)用。 圖3.5 光電耦合多級放大電路實(shí)例 例3-1圖為三級放大電路。 UCC?15V,Rb1?150k?,Rb22?100k?,Rb21?15k?,Rb32?100k?, ' R?22k?,R?20k?,Re1e2?100k?,Re2?750k?,Re3?1k?, b31 Rc?5k?,Rc?3k?,RL?1k?,23 三極管的電流放大倍數(shù)均為=50。試求電路的靜態(tài)工作點(diǎn)、 電壓放大倍

25、數(shù)、 輸入電阻和輸出電阻。 解 圖示放大電路, 第一級是射極輸出器, 第二、 三級都是具有電流反應(yīng)的工作點(diǎn)穩(wěn)定電路, 均是阻容耦合, 所以各級靜態(tài)工作點(diǎn)均可單獨(dú)計算。 15 圖3.6 三級阻容耦合放大電路 第一級: 第二級: IBQ? Rb1?(1?)Re1150?1020 UB2? Rb21Rb21?Rb22 UCC 15?15?1.96V100?15 UE1.26?1.48mA?ICQ2 ' 第三級: UB3? Rb31Rb31?Rb22UE3 UCC? 22 100?22 UE3?UB3?UBE?2.7?0.7?2VIEQ3 2 ?2mA?ICQ3 Re31 UCEQ3?UCC?ICQ3(Rc3?Re3)?7V 電壓放大倍數(shù): Au?Au1?Au2?Au3 第一級: 第一級是射極輸出級, 其電壓放大倍數(shù) (1?)Re' 第二級: Au?1 1 rbe2?(1?)Re'1 16 Au2? ?Rc'2 rbe2?(1?)Re'2 Rc'2?Rc2/ri3?5/0.96?0.8k? Ri3?Rb31/Rb32/rbe3?100/22/0.96?0.96k?rbe3?Rbb'?(1?)