模電設(shè)計(jì)多級(jí)放大電路實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、摘要 單級(jí)放大電路的電壓放大倍數(shù)一般可以達(dá)到幾十倍，然而，在許多場(chǎng)合，這樣的放大倍數(shù)是不夠用的，常需要把若干個(gè)單管放大電路串接起來，組成多級(jí)放大器，把信號(hào)經(jīng)過多次放大，從而得到所需的放大倍數(shù)。在生產(chǎn)實(shí)踐中，一些信號(hào)需經(jīng)多級(jí)放大才能達(dá)到負(fù)載的要求。 可由若干個(gè)單級(jí)放大電路組成的多級(jí)放大器來承擔(dān)這一工作。在多級(jí)放大電路的前面幾級(jí)，主要用作電壓放大，大多采用阻容耦合方式; 在最后的功率輸出級(jí)中，常采用變壓器藕合方式;在直流放大 電路及線性集成電路中，·常采用直接接藕合方式。摘要.2第1章 放大電路基礎(chǔ) . 3 1.1 放大的概念和放大電路的基本指標(biāo)：1.2 三種類型的指標(biāo)第二章 基本放大電

2、路 .7 2.1 BJT 的結(jié)構(gòu) . 7 2. 2 BJT的放大原理 . 8 第三章 多級(jí)放大電路. 9 3.1 多級(jí)放大電路的耦合方式 .9 3.2 放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)分析 .11 3.3 設(shè)計(jì)電路的工作原理 . 12 3.4計(jì)算參數(shù) . . 13 總結(jié). . 14 參考文獻(xiàn) . . 14 第一章 放大電路基礎(chǔ)放大的概念和放大電路的基本指標(biāo)：“放大” 這個(gè)詞很普遍， 在很多場(chǎng)合都會(huì)發(fā)現(xiàn)放大的現(xiàn)象的存在。 比如， 利用放大鏡使微小的物體出現(xiàn)較大的形象，這是光學(xué)中的放大現(xiàn)象；利用 杠桿能用較小的力移動(dòng)重物，這是力學(xué)的放大現(xiàn)象；等等一些。我們可以 看見它們的一個(gè)共同點(diǎn)，它們都是把原物中的差異的程

3、度放大了。因此， 所謂放大就是對(duì)差異的程度或變化量而言的。這是我們要注意的第一點(diǎn)。 同時(shí)，我們可以發(fā)現(xiàn)，它們之間還存在著一個(gè)重要的差別。經(jīng)放大鏡放大 后的影像，其亮度比原來的要弱；利用杠桿得到較大的力，然而物理移動(dòng) 的距離要比加力點(diǎn)經(jīng)過的距離短。可見，這幾種放大現(xiàn)象都是遵守能量守 恒原則?？傊玫搅溯^大的功率。 我們首先要先定性看什么樣的放大電路時(shí)比較好的。希望不失真，最 大能輸出多少功率等等。這些都應(yīng)該是衡量放大電路性能的標(biāo)準(zhǔn)。 性能指標(biāo)可以分為 3 種類型：第一種是對(duì)應(yīng)于一個(gè)幅值已定、頻率已定 的信號(hào)輸入時(shí)的性能，這是放大電路的基本性能。第二種是對(duì)于幅值不變 而頻率改變的信號(hào)輸出時(shí)的性能

4、。第三種是對(duì)應(yīng)于頻率不變而幅值改變的 信號(hào)輸入時(shí)的性能。 第一種類型的指標(biāo)： 1.放大倍數(shù) 放大倍數(shù)是衡量放大電路放大能力的指標(biāo)。 Au=U0/Ui電流放大倍數(shù)用Aii表示，定義為 Aii= Io/Ii電壓對(duì)電流的放大倍數(shù)用Aui表示，定義為 Aui=Uo/Ii 電流對(duì)電壓的放大倍數(shù)用Aiu表示，定義為 Aiu=Im/ui 2.輸入電阻 作為一個(gè)放大電路，一定要有信號(hào)源來提供輸入信號(hào)3. 輸出電阻放大電路講信號(hào)放大后， 總要送到某裝置區(qū)發(fā)揮作用。 這個(gè)裝置我們通常 稱為負(fù)載。輸出電阻越大，表明接入負(fù)載后，輸出電壓的幅值下降越多。因此 反映了放大電路帶負(fù)載能力的大小。 第二種類型的指標(biāo)：通頻帶

5、當(dāng)只改變輸入信號(hào)的頻率時(shí)，發(fā)現(xiàn)放大電路的放大倍數(shù)是隨之變化的， 輸出波形的相位也發(fā)生變化。這就需要有一定的指標(biāo)來反映放大電路對(duì)于 不同頻率的信號(hào)的適應(yīng)能力。通頻帶越寬，表明放大電路對(duì)信號(hào)頻率的適應(yīng)能力越強(qiáng)。第三種類型的指標(biāo)： 5.最大輸出幅值 最大輸出幅值指的是當(dāng)輸入信號(hào)再增大就會(huì)使輸出波形的非線性失真 系數(shù)超過額定數(shù)值（比如 10%）時(shí)的輸出幅值。我們以（或）表示。 一般指有效值，也有以封至峰值表示的，二者差倍。6 最大輸出功率與效率 最大輸出幅值是輸出不失真時(shí)的單項(xiàng)（電壓和電流）指標(biāo)。此外還應(yīng) 該有一個(gè)綜合性的指標(biāo)即最大輸出功率。它是輸出信號(hào)基本不失真的情況 下輸出的最大功率。7.非線性失

6、真系數(shù) 由于晶體管等器件都具有非線性的特性，所以當(dāng)輸出幅度大了之后， 有時(shí)需要討論它的失真問題。我們?cè)谶@里定義的非線性失真系數(shù)，是指放 大電路在某一頻率的正弦波輸入信號(hào)下，輸出波形的諧波成分總量和基波 成分之比 第二章 基本放大電路 2.1 BJT 的結(jié)構(gòu)BJT 的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1-1 所示。其中 1-1（a）所示是 NPN 型管，圖 1-1（b）所示是 PNP 型管，它們是用不同的摻雜方式制成的，不論是硅管 還是鍺管，它們都可制成這連個(gè)類型。由圖可見，它們有三個(gè)區(qū)，分別是 發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。由三個(gè)區(qū)分別引出一個(gè)電極，分別成為發(fā)射集 e、 基極 b 和集電極 c。發(fā)射區(qū)和集電區(qū)之間的 P

7、N 結(jié)成為發(fā)射結(jié)。集電區(qū)和基 區(qū)之間的 PN 結(jié)稱為集電結(jié)。 2.2 BJT 的放大原理根據(jù) PN 結(jié)無外加電壓的情況下載流子的擴(kuò)散與漂移處于動(dòng)態(tài)平衡，流 過 PN 結(jié)的電流為零。當(dāng)外加電壓的極性呈單向?qū)щ娦浴?放大電路分為共發(fā)射極電路、共集電極電路、共基極電路。其內(nèi)部載 流子的傳輸過程相同。如下圖（1-2）的 NPN 型管。發(fā)射區(qū)每向基區(qū)注入一個(gè)復(fù)合用的載流子，就要向集電區(qū)供給個(gè)載 流子，也就是說，BJT 如有一個(gè)單位的基極電流，就必然會(huì)有倍的集電極 電流故一般 IC>>IB;它也表示了基極電流對(duì)集電極的控制作用， 利用這一性 質(zhì)可以實(shí)現(xiàn) BJT 的方的作用。 BJT 最基本的一

8、種應(yīng)用，是把微弱的信號(hào)放大。若在基極輸入端接入一 個(gè)小恩輸入信號(hào)電壓，在小電壓的作用下使基極電流產(chǎn)生一個(gè)隨小電壓規(guī) 律變化的小電流 。通過基極對(duì)集電極電流的控制作用集電極電流也將產(chǎn)生 相應(yīng)的變化，產(chǎn)生大電流 。這種以較小的輸入電流變化控制較大輸出電流 變化的作用就是 BJT 的電流放大作用。放大系數(shù)為。 =IB/Ic 第三章 多級(jí)放大電路3.1 多級(jí)放大電路的耦合方式 1.多級(jí)放大電路的耦合方式有哪些？分別有什么特點(diǎn)？ (1) 直接耦合耦合電路采用直接連接或電阻連接，不采用電抗性元件。 直接耦合電路可傳輸?shù)皖l甚至直流信號(hào)，因而緩慢變化的漂移信號(hào)也可以 通過直接耦合放大電路。 (2) 電抗性元件

9、耦合級(jí)間采用電容或變壓器耦合。電抗性元件耦合， 只能傳輸交流信號(hào)，漂移信號(hào)和低頻信號(hào)不能通過。 3.1.1 直接耦合放大電路的構(gòu)成（1）基本要求用給定的三極管2SC1815(NPN)，2SA1015(PNP)設(shè)計(jì)多級(jí)放大器，已知VCC=+12V, -VEE=-12V，要求設(shè)計(jì)差分放大器恒流源的射極電流IEQ3=11.5mA，第二級(jí)放大射極電流IEQ4=23mA；差分放大器的單端輸入單端輸出不是真電壓增益至少大于10倍，主放大器的不失真電壓增益不小于100倍；雙端輸入電阻大于10k，輸出電阻小于10，并保證輸入級(jí)和輸出級(jí)的直流點(diǎn)位為零。設(shè)計(jì)并仿真實(shí)現(xiàn)。3.2 放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)分析直耦式多級(jí)放

10、大電路的主要涉及任務(wù)是模仿運(yùn)算放大器OP07的等效內(nèi)部結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化部分電路，采用差分輸入，共射放大，互補(bǔ)輸出等結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)出一個(gè)電壓增益足夠高的多級(jí)放大器，可對(duì)小信號(hào)進(jìn)行不失真的放大。1.輸入級(jí)電路的輸入級(jí)是采用NPN型晶體管的恒流源式差動(dòng)放大電路。差動(dòng)放大電路在直流放大中零點(diǎn)漂移很小，它常用作多級(jí)直流放大電路的前置級(jí)，用以放大微笑的直流信號(hào)或交流信號(hào)。典型的差動(dòng)放大電路采用的工作組態(tài)是雙端輸入，雙端輸出。放大電路兩邊對(duì)稱，兩晶體管型號(hào)、特性一致，各對(duì)應(yīng)電阻阻值相同，電路的共模抑制比很高，利于抗干擾。該電路作為多級(jí)放大電路的輸入級(jí)時(shí)，采用vi1單端輸入，uo1的單端輸出的工作組態(tài)。計(jì)算靜態(tài)工作

11、點(diǎn)：差動(dòng)放大電路的雙端是對(duì)稱的，此處令T1，T2的相關(guān)射級(jí)、集電極電流參數(shù)為IEQ1=IEQ2=IEQ，ICQ1=ICQ2=ICQ。設(shè)UB1=UB20V，則Ue-Uon，算出T3的ICQ3，即為2倍的IEQ也等于2倍的ICQ。此處射級(jí)采用了工作點(diǎn)穩(wěn)定電路構(gòu)成的恒流源電路，此處有個(gè)較為簡(jiǎn)單的確定工作點(diǎn)的方法：因?yàn)镮C3IE3，所以只要確定了IE3就可以了，而，采用ui1單端輸入，uo1單端輸出時(shí)的增益2.主放大級(jí)本級(jí)放大器采用一級(jí)PNP管的共射放大電路。由于本實(shí)驗(yàn)電路是采用直接耦合，各級(jí)的工作點(diǎn)互相有影響。前級(jí)的差分放大電路用的是NPN型晶體管，輸出端uo1處的集電極電壓Uc1已經(jīng)被抬得較高，同

12、時(shí)也是第二級(jí)放大級(jí)的基極直流電壓，如果放大級(jí)繼續(xù)采用NPN型共射放大電路，則集電極的工作點(diǎn)會(huì)被抬得更高，集電極電阻值不好設(shè)計(jì)，選小了會(huì)使放大倍數(shù)不夠，選大了，則電路可能飽和，電路不能正常放大。對(duì)于這種情況，一般采用互補(bǔ)的管型來設(shè)計(jì)，也就是說第二級(jí)的放大電路用PNP型晶體管來設(shè)計(jì)。這樣，當(dāng)工作在放大狀態(tài)下，NPN管的集電極電位高于基極點(diǎn)位，而PNP管的集電極電位低于基極電位，互相搭配后可以方便地配置前后級(jí)的工作點(diǎn)，保證主放大器工作于最佳的工作點(diǎn)上，設(shè)計(jì)出不失真的最大放大倍數(shù)。采用PNP型晶體管作為中間主放大級(jí)并和差分輸入級(jí)鏈接的參考電路，其中T4為主放大器，其靜態(tài)工作點(diǎn)UB4、UE4、UC4由P

13、1、R7、P2決定。差分放大電路和放大電路采用直接耦合，其工作點(diǎn)相互有影響，簡(jiǎn)單估計(jì)方式如下：， （硅管），由于，相互影響，具體在調(diào)試中要仔細(xì)確定。此電路中放大級(jí)輸出增益3.輸出級(jí)電路輸出級(jí)采用互補(bǔ)對(duì)稱電路，提高輸出動(dòng)態(tài)范圍，降低輸出電阻。其中T4就是主放大管，其集電極接的D1、D2是為了克服T5、T6互補(bǔ)對(duì)稱的交越失真。本級(jí)電路沒有放大倍數(shù)。3.3設(shè)計(jì)電路的工作原理 如圖（3-6）所示，電路的一級(jí)放大電路是一個(gè)阻容耦合的單管共射放 大電路，它由信號(hào)源、直流電源、BJT、電阻、電容等元件組成。 T 是 NPN 型管，起放大作用，是一級(jí)放大的核心。VCC 是直流電源，為 發(fā)射結(jié)提供正向偏置電壓，

14、為集電結(jié)提供反向偏執(zhí)電壓，也是信號(hào)放大的 能源 Rb1 是基極偏置電阻，它和電源一起為基極提供一個(gè)合適的基極電流 IB,以保證 BJT 不失真的放大。 第二級(jí)放大部分為共基極放大電路，從它的交流通路可見，發(fā)射極是 輸入端，集電極是輸出端，而基極是輸入、輸出回路的公共端。其特點(diǎn)是 電流放大倍數(shù)小于 1 而接近 1，但電流放大倍數(shù)大，仍具有功率放大作用； 輸出高壓與輸入電壓相位相同；輸入電阻小，輸出電阻較大，其允許的工 作頻率較高，高頻特性較好，用于高頻電子電路中。 第三級(jí)放大部分為共集電極放大電路，其特點(diǎn)是輸入電阻大，輸出電 阻小；電壓放大倍數(shù)小于 1 而接近于 1；輸出電壓與輸入電壓相位相同。

15、沒 有電壓放大作用，但有電流和功率放大作用。共集電極放大電路可做多級(jí) 放大電路的輸入級(jí)，可使輸入到放大電路的信號(hào)電壓基本上等于信號(hào)源電 壓；還可以做多級(jí)放大電路的輸出級(jí)，可獲得穩(wěn)定的輸出電壓提高放大電 路的的帶負(fù)載能力，將其接在兩級(jí)放大電路之間，利用其輸入電阻大，輸 出電阻小的特點(diǎn)，在兩級(jí)放大電路中間起緩沖作用。3.4 計(jì)算參數(shù) 一級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn) ： U B = VCC*( Rb12 /(Rb1 + Rb12) ； U B = 18V *(12 K/( 60 K + 12 K) ； UB = 3V IB = IC I E = VCC（ Rb1 + Rb12 ） ； IB = 0.25u

16、 IC IE = UB-UBE I C I E =(3V-0.3V) /4.6K IC IE =0.6uA U CE Vcc - Ic(Rc1+Re2)U CE 118v-(12k+16k).U CE =4V = IC/ IB ； = 0.6 u /0.25uA=2.4電壓放大倍數(shù)： =- = RL/rbe (RL=RC1 /RE2 ) Au = -2.4(3k/60k) 輸入電阻 Ri: R i = 0.43 K 輸出電阻 Ro: Ro =12k 二級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn) ： U B = VCC*( Rb 22 /Rb21+Rb22)U B =18V *( 9.4 K/（26.6 K + 9

17、.4 K ） U B = 4.8 V IB = VCC* （Rb 21 + Rb 22）; IB =18V/（ 26.4 K + 9.4 K ）I B = 0.5u IC I E = U B / U BE /R2 IC I E = (4.8V -0.3V)/4KI C I E = 1.2 u U CE VCC-I C (RC 2 + R E 2 ) ; U CE 18V - I C (6 K + 4 K ) U CE 6V = IC/ IB ; = =1.2 u/ 0.5u=2 .4 電壓放大倍數(shù): Au= - = Au= RL/rbe= 2.4 (RL=RC1 /RE2 ) Au=-2.4(

18、3k/60k) 3K =-0.12 輸入電阻 Ri: R i = R b1 / Ri = 0.28 K 輸出電阻 Ro: Ro Rc1 Ro Rc1=6k 三級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn) ： IB = (VCC - U BE) / (Rb+(1 + )Re) BIb = 0.026 × 10-3 I C = I B ; I C = 1.3u I C I E = 1.2 u U CE VCC - I C *I e ; U CE 18V - 1.3 × 4 U CE 12.8V 輸入電阻 Ri : R i = R b1 / rbe + (1 + )R Ri =461k/(1.32+5

19、10.25)Ri=0.07k 輸出電阻 Ro: Ro=Re / (rbe + RL )/(1+ )=14.5 k 測(cè)試方法用Multisim仿真設(shè)計(jì)結(jié)果，并調(diào)節(jié)電路參數(shù)以滿足性能指標(biāo)要求。給出所有的仿真結(jié)果。電路圖如圖所示仿真電路圖靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)量：測(cè)試得到靜態(tài)工作點(diǎn)IEQ3，IEQ4如圖2所示，符合設(shè)計(jì)要求。靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)量 輸入輸出端電壓測(cè)試： 測(cè)試差分放大器單端輸入單端輸出波形如圖3，輸入電壓為VPP=4mV，輸出電壓為VPP=51.5mV得到差分放大器放大倍數(shù)大約為12.89倍。放大倍數(shù)符合要求。 低電壓下波形圖主放大級(jí)輸入輸出波形如圖主放大級(jí)輸入輸出波形圖如圖所示輸入電壓為VPP=51.5mV，輸出電壓為VPP=6.75V放大倍數(shù)為131.56倍。整個(gè)電路輸入輸出電壓測(cè)試 多級(jí)放大電路輸