多級放大電路的分析與設(shè)計

1、摘要電子設(shè)備中，往往需要放大微弱的信號，這主要是通過放大電路實現(xiàn)的?；痉糯箅娐酚蓡蝹€晶體管或場效應(yīng)管構(gòu)成，為單級放大電路，其電壓放大倍數(shù)可以達(dá)到幾十倍。而當(dāng)信號非常微弱時，單級放大電路無法滿足放大需求，此時我們把若干個單級放大電路串接在一起，級聯(lián)組成多級放大電路。本文主要研究多級放大電路的分析與設(shè)計，根據(jù)各級電路級間耦合方式的不同，分別設(shè)計了直接耦合放大電路、阻容耦合放大電路和光耦合放大電路，分析了電路的靜態(tài)工作點、電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻等指標(biāo)特性。在此基礎(chǔ)上，討論了差分放大電路以及消除互補(bǔ)輸出級交越失真的方法。最后，以前面的討論為基礎(chǔ)，設(shè)計了一款具有差分輸入的多級放大電路，對電路

2、性能指標(biāo)進(jìn)行了設(shè)定，并分析了各部分的作用。2.1直接耦合多級放大電路的設(shè)計2.1.1 設(shè)計原理根據(jù)設(shè)計要求，本設(shè)計主要采用兩級放大，為了傳遞變化緩慢的直流信號，可以把前級的輸出端直接接到后級的輸入端。這種連接方式稱為直接耦合。如圖2.1所示。直接耦合式放大電路有很多優(yōu)點，它既可以放大和傳遞交流信號，也可以放大和傳遞變化緩慢的信號或者是直流信號，且便于集成。實際的集成 運算放大器其內(nèi)部就是一個高增益的直接耦合多級放大電路。直接耦合放大電路，由于前后級之間存在著直流通路，使得各級靜態(tài)工作點互相制約、互相影響。因此，在設(shè)計時必須采取一定的措施，以保證既能有效地傳遞信號，又要使各級有合適的工

3、作點。圖2.1 直接耦合兩級放大電路通常在第二級的發(fā)射極接入穩(wěn)壓二極管，這樣既提高了第二級的基級電位，也使第一級的集電極靜態(tài)電位抬高，脫離飽和工作區(qū)，可以使整個電路穩(wěn)定正常的工作，穩(wěn)定三極管的靜態(tài)工作點。但是在一個多級放大電路的輸入端短路時，輸出電壓并非始終不變，而是會出現(xiàn)電壓的隨機(jī)漂動，這種現(xiàn)象叫做零點漂移，簡稱零漂。產(chǎn)生零漂的原因有很多，主要是以下兩點：一方面，由于元器件參數(shù)，特別是晶體管的參數(shù)會隨溫度的變化而變化；另一方面，即使溫度不變化，元器件長期使用也會使遠(yuǎn)見老化，參數(shù)就會發(fā)生變化，由溫度引起的叫做溫漂，由元器件老化引起的叫做零漂，在多級放大電路中，第一級的影響尤為嚴(yán)重，它將被逐級放

4、大，以至影響整個電路的工作，所以零漂問題是直接耦合放大電路的特殊問題。解決零漂的方法有很多種，例如引入直流負(fù)反饋來穩(wěn)定靜態(tài)工作點，以減小零漂；利用溫度補(bǔ)償元件補(bǔ)償放大管的零點漂移，利用熱敏電阻或二極管來與工作管的溫度特性相補(bǔ)償；利用工作特性相同的管子構(gòu)成對稱的一種電路差動放大電路，這是最為行之有效的方法，故本次設(shè)計采用差動放大電路來設(shè)計實現(xiàn)。2.1.2 設(shè)計電路與仿真仿真電路如圖2.2所示，第一級為差分輸入電路，第二季為放大電路，第一級的兩個差分對管由兩個特性相同的管子構(gòu)成，屬于雙端輸入單端輸出電路。圖2.2 仿真電路圖為了電路處在正常的工作范圍內(nèi)，需要在零輸入的情況下，是系統(tǒng)的輸出盡可能的小

5、，所以在測試過程中，需要校準(zhǔn)調(diào)零，除此之外，在第一級采用射級差動電路，共射級輸出接三極管，該三極管的基級利用3.7V的穩(wěn)壓管來實現(xiàn)供電，使得差分管的集電極電位保持穩(wěn)定電位，減小集電極電流的變化，使得管子正常工作，提高穩(wěn)定性。如圖2.3所示，萬用表顯示調(diào)零示數(shù) 圖2.3 調(diào)零示數(shù)顯示調(diào)零過程中，電位的變化如表2.1所示表2.1R1/K9.339.329.319.309.299.279.28UCQ2/V10.93510.93810.93710.93810.93910.9410.94UCQ4/mv20.9352.803-14.997-32.784-50.781-68.406-86.213 由于整個輸

6、入級采取差分輸入的電路，因此在測量的過程中，測出的電壓放大倍數(shù)就是差模電壓放大倍數(shù)，整個電壓的測量結(jié)果利用示波器顯示，示波器顯示結(jié)果如圖2.4所示，測量結(jié)果表格如表2.2所示圖2.4 示波器測量結(jié)果圖表2.2 電壓放大倍數(shù)的測試輸入差模信號/mv第一級差模輸出電壓/mv第一級差模放大倍數(shù)第二級輸出電壓峰峰值/mv第二級放大倍數(shù)整個電路放大倍數(shù)238.64619.323-668.567-17.300-334.284 為了更好完善電路的功能，電路的設(shè)計的過程中考慮到共模抑制比的問題，在測量的過程中考慮到，工模電壓放大倍數(shù)的測量，整個測量電路圖與整個仿真電路圖相同，測量數(shù)據(jù)的表格如表2.3所示表2.

7、3 共模電壓倍數(shù)的測量輸入共模信電壓峰值/mv第一級輸出電壓峰值/pv第二級輸出電壓峰值/pv第一級共模放大倍數(shù)整個電路的共模放大倍數(shù)共模抑制比1008.745164.876-8.9*10-91.68*10-92.46*1011 具有理想對稱的差分放大電路抑制共模信號的能力很強(qiáng)，因此以它作直接耦合多級放大電路的輸入級可提高整個電路的的共模抑制比.2.2 阻容耦合多級放大電路 2.2.1 設(shè)計原理圖2.5 阻容耦合多級放大電路通過電阻和電容將前級輸出接下一級的輸入，相當(dāng)于只接入了一個電容，但考慮到輸入電阻，則每個電容都與電阻相連，故稱這種連接為阻容耦合。前后級電路通過前一級的電容與后一級的電阻相

8、連，實現(xiàn)前后級耦合，耦合電容起隔直流通交流的作用，因此，各級靜態(tài)工作點彼此獨立，互不影響。只要耦合電容足夠大，前級信號就能在一定的頻率范圍內(nèi)幾乎無衰減的通過。阻容耦合電路具有交流信號傳輸損失小，放大倍數(shù)高，電路的溫漂小，體積小，成本低等優(yōu)點而被廣泛的應(yīng)用。 2.2.2 設(shè)計電路及仿真仿真電路如圖2.5所示，前一級為共集電極放大電路，前一級的帶負(fù)載能力比較強(qiáng)，后一級為共射級放大電路，電流與電壓的放大倍數(shù)比較大。 圖 2.5 阻容耦合多級仿真電路 如圖所示，經(jīng)過計算電路的輸入電阻為82K，輸出電阻10K，第一級的放大倍數(shù)為0.968，第二級的放大倍數(shù)為-147，從而得到整個電路的放大倍數(shù)為-114

9、，下面就瞬態(tài)響應(yīng)，直流分析，交流分析對電路進(jìn)行講解。瞬態(tài)分析的過程主要是對針對電路的時域響應(yīng)進(jìn)行分析，本次設(shè)計主要針對電路的設(shè)計，將電路的幾個節(jié)點的電壓情況進(jìn)行分析，第一級的輸入節(jié)點1，第一級的輸出節(jié)點3，第二級的輸出節(jié)點8，瞬態(tài)分析的波形圖如圖2.6,2.7,2.8所示，分別為節(jié)點1,3,8的波形圖圖2.6圖 2.7圖2.8根據(jù)仿真的波形圖，觀察輸出電壓的幅值，可知第一級的放大倍數(shù)約為0.968左右，總的放大倍數(shù)約為114左右，滿足理論計算的要求，同時輸出波形的失真比較小，滿足放大電路的設(shè)計要求。交流分析，交流分析主要是對頻率，幅度的分析，仿真過程如圖2.9,2.10所示圖2.9 交流分析參

10、數(shù)設(shè)置圖2.10 交流仿真結(jié)果 交流仿真的過程主要是對節(jié)點8的輸出電壓信號進(jìn)行仿真觀察，由上述的波形圖可知，電路的放大倍數(shù)約為110左右，與理論計算結(jié)果相符合，同時可以看到幅度和相位對于頻率的響應(yīng)，電路在頻率為100Hz-1MHz之間可以保證信號幾乎無失真的通過，放大電路對于頻率在這一范圍內(nèi)的信號的放大能力最強(qiáng)，由于電路中電容、電感及半導(dǎo)體器件結(jié)電容等電抗元件的存在，在輸入信號較低或較高時，放出倍數(shù)的數(shù)值會下降并產(chǎn)生相移。直流分析，直流分析主要是用來實現(xiàn)對于直流信號掃描過程中的響應(yīng)，仿真的過程如圖2.11，2.12所示圖2.11 直流參數(shù)設(shè)置2.12 直流仿真結(jié)果掃面過程中的信號源為VCC，電路的掃描范圍設(shè)置為0-12V，觀察節(jié)點6的電壓變化情況，輸出變量V相對于輸入變量的小信號轉(zhuǎn)移特性分析。在線性掃描的情況下，當(dāng)VCC在0-12V變化時，V6在0-19V內(nèi)線性變化。在進(jìn)行電路的仿真和測試中，明顯的看到兩級阻容耦合放大電路的放大能力比單管的放大電路的放大能力強(qiáng)，在交流分析、直流分析、瞬態(tài)分析、溫度分析中看到