多級19低頻小信號放大電路設(shè)計

1、模擬電路實驗低頻模擬電路實驗第1章 低頻小信號放大電路實驗第2章 反饋電路實驗第3章 集成運放及信號處理電路實驗 第4章 可編程模擬電路實驗 第5章 低頻功率放大器實驗 第6章 電源電路實驗 第7章 低頻模擬電路綜合應(yīng)用高頻模擬電路實驗第8章 高頻諧振放大與振蕩電路 第9章 信號頻譜變換 第10章 高頻電路綜合應(yīng)用 歡迎學(xué)習(xí)主編：沈小豐、余瓊?cè)卣n件：沈鈺、柯艷林多級19低頻小信號放大電路設(shè)計第1章 低頻小信號放大電路實驗1.1 基礎(chǔ)知識1.2 晶體三極管共射放大器實驗1.3 晶體管共射放大電路設(shè)計 1.4 場效應(yīng)管共源極放大器實驗 1.5 射極跟隨器實驗 1.6 差動放大器實驗 1.7 典型差

2、動放大器電路設(shè)計 1.8 晶體管阻容耦合兩級放大器實驗1.9 多級低頻小信號放大電路設(shè)計 多級19低頻小信號放大電路設(shè)計1.9 多級低頻小信號放大電路設(shè)計1.9.1 實驗設(shè)計目的1. 理解多級放大器的幾種耦合方式。2. 熟悉多級放大器的電壓放大倍數(shù)計算以及輸入電阻、輸出電阻計算方法。3. 明確多級放大器的設(shè)計方法。4. 理解多級放大電路通頻帶的估算方法。多級19低頻小信號放大電路設(shè)計1.9.2 預(yù)習(xí)要求1. 熟悉低頻小信號放大電路各種組態(tài)的工作原理。熟悉模擬電子電路設(shè)計的基本方法和電子測量儀器的使用方法。2. 學(xué)習(xí)并理解本節(jié)設(shè)計示例的內(nèi)容，說明設(shè)計示例中每一步設(shè)計所依據(jù)的原理和公式。3. 根據(jù)

3、設(shè)計任務(wù)，對總體設(shè)計作出思考多級19低頻小信號放大電路設(shè)計1.9.3 設(shè)計原理多級放大電路由多個單級放大電路組成，其中三級放大電路的示意圖見圖1.9.1。圖1.9.1 多級放大電路示意框圖多級19低頻小信號放大電路設(shè)計1. 耦合方式各級放大器之間的連接稱為耦合，多級放大電路的耦合方式有阻容耦合、直接耦合和變壓器耦合三種。阻容耦合的各級靜態(tài)工作點互相獨立，調(diào)試方便，但電容器的容抗與頻率成反比，因此對低頻信號的衰減較大；直接耦合電路的低頻特性好，但各級靜態(tài)工作點互相影響，不易調(diào)試，同時存在多級之間的零點漂移問題；變壓器耦合的各級靜態(tài)工作點獨立，還可實現(xiàn)阻抗變換，效率高，但低頻變壓器體積大，不易集成

4、，并且頻帶較窄。多級19低頻小信號放大電路設(shè)計2. 電壓放大倍數(shù)和增益根據(jù)電壓放大倍數(shù)的定義，我們知道多級放大電路的總電壓放大倍數(shù)是各級電壓放大倍數(shù)的乘積，例如圖1.9.1中的三級電路的總電壓放大倍數(shù)|AU| =|AU1| |AU2| |AU3|如果每級電壓放大倍數(shù)的值都是80，則三級電路的總電壓放大倍數(shù)等于808080=512000。相乘的數(shù)字不易計算，而且容易出錯，人們一般就用電壓增益G來表示。定義以分貝(dB)為單位的電壓增益G=20lg|AU|，則每級電路的電壓增益為G1=G2=G3=20lg80=20(1+lg8)=38.06 dB多級19低頻小信號放大電路設(shè)計轉(zhuǎn)為對數(shù)后乘法變成加法

5、，三級總電壓增益G=G1+G2+G3=114.18 dB驗算：總電壓放大倍數(shù)|AU| =10（114.18/20）=105.71=100.71105=5.12105在利用以上公式計算放大倍數(shù)時，必須注意各級間的相互影響，各級的放大倍數(shù)會因為前后級的影響而改變，要把后級的輸入電阻作為本級的負(fù)載電阻，或把前級的輸出電阻視作本級信號源的內(nèi)阻。多級19低頻小信號放大電路設(shè)計3. 相位關(guān)系 多級放大器的輸出波形相對于輸入波形的相位移動等于各級放大器的相位移動之和。4. 輸入電阻多級放大電路的輸入電阻一般來說就是輸入級電路的輸入電阻。5. 輸出電阻多級放大電路的輸出電阻一般來說就是輸出級電路的輸出電阻。多

6、級19低頻小信號放大電路設(shè)計6. 通頻帶關(guān)系多級放大電路的通頻帶要比各級放大電路的通頻帶都窄。其上限截止頻率降低：而其下限截止頻率升高：多級19低頻小信號放大電路設(shè)計1.9.4 一般設(shè)計步驟設(shè)計多級放大電路可以分以下三步驟進行：1. 首先要根據(jù)設(shè)計任務(wù)進行總體設(shè)計設(shè)計任務(wù)一般會給出放大倍數(shù)，輸入輸出阻抗，通頻帶等要求。根據(jù)任務(wù)要求，總體設(shè)計要完成以下設(shè)計工作 (1) 多級放大電路由幾級放大電路組成。 (2) 各級放大電路采用什么器件，用何種組態(tài)。 (3) 對各級放大電路的指標(biāo)要求是什么？ (4) 各級放大電路之間如何耦合?這四個問題是互相關(guān)聯(lián)的，總體設(shè)計是設(shè)計多級放大電路的關(guān)鍵。多級19低頻小

7、信號放大電路設(shè)計2. 各級單元電路設(shè)計在總體設(shè)計任務(wù)完成后可以進行各級單元電路的設(shè)計。單元電路設(shè)計包括具體電路的選取，元器件參數(shù)的設(shè)計。這一步的設(shè)計十分具體，本書表1.1.1和表1.1.2給出了小信號低頻放大器的一些基本電路，可供設(shè)計時參考，在前面第1.3和1.7節(jié)也已做過這方面的單元電路設(shè)計。3. 仿真設(shè)計的正確與否除了用實際電路檢驗外，比較快捷的方法是進行電路仿真。通過計算機仿真可以得到電路的各種結(jié)果和參數(shù)，根據(jù)仿真結(jié)果我們可以對設(shè)計方案進行修改，排除設(shè)計中的基本錯誤。多級19低頻小信號放大電路設(shè)計1.9.5 設(shè)計示例為使讀者能更好地掌握多級放大器的設(shè)計，下面舉例說明。1. 任務(wù)設(shè)計一個低

8、頻小信號放大電路(頻率特性暫不要求)。電壓增益：G50dB 負(fù)載電阻：3.3k輸入正弦信號電壓：Ui=5mV（有效值）輸出電阻：Ro200多級19低頻小信號放大電路設(shè)計2. 總體設(shè)計從電壓增益的要求來看，一級三極管共射極放大電路的電壓增益一般在20dB40dB之間，電壓放大倍數(shù)為10倍100倍左右，放大倍數(shù)太大則電路的穩(wěn)定性很差。因此增益50dB一般須采用兩級共射極放大電路。另外從輸出電阻的要求來看，共射極放大電路的輸出電阻一般是幾千歐，不能滿足要求，只能用到共集電極放大電路(射極跟隨器)作輸出級，共集電極電路的輸出電阻等于RE / (RB/RS + rbe) / (1+ )，很容易做到輸出電

9、阻小于200。由于射極跟隨器的電壓放大倍數(shù)接近于1，其增益為0。因此在射極跟隨器前面仍然要用到兩級共射放大電路，總體設(shè)計初步確定用兩級共射極放大電路和一級射極跟隨器。多級19低頻小信號放大電路設(shè)計如果從提高輸入阻抗和減小噪音的角度出發(fā)，第一級也可以采用場效應(yīng)管放大器。但任務(wù)中沒有規(guī)定此方面的指標(biāo)要求，從統(tǒng)一器件和方便研制和生產(chǎn)的角度出發(fā)，這里仍采用兩級共射極放大電路和一級射極跟隨器方案?？傮w電壓增益的初步分配如圖1.9.2。圖1.9.2 總體電壓增益分配多級19低頻小信號放大電路設(shè)計3. 射極跟隨器設(shè)計射極跟隨器設(shè)計的基本原理參見1.5節(jié)。根據(jù)任務(wù)要求，射極跟隨器輸出電壓的有效值應(yīng)該不低于5m

10、V5382.69V，其峰值電壓則為UOM=3.8V，若取RE=5.1k=1.54RL，則RL=RE/RL=2k，靜態(tài)電流ICQ=UOM/RL=3.8V/2k=1.9mA，靜態(tài)時電阻RE上的電壓降ICQRE=9.67V，三極管靜態(tài)壓降UCEQ =VCC-ICQRE，根據(jù)圖1.5.2射極跟隨器電壓跟隨條件，UOM=ICQRL UCEQ-UCES，則從理論計算電源電壓取14.5V剛好可以保證射極跟隨器的跟隨范圍。但由于電子器件的離散性很大，實際上在RE=5.1k時，即使電源電壓取15V都會造成射極跟隨器跟隨范圍過窄的情況。 多級19低頻小信號放大電路設(shè)計我們把RE取不同值時的等效負(fù)載電阻RL，靜態(tài)電

11、流ICQ，以及理論上要求的最小電源電壓值計算出來列于表1.9.1中RE /k3.303.603.904.304.705.105.606.206.80RL= RE / RL (k)1.651.721.791.871.942.002.082.152.22ICQ= 3.8V / RL (mA)2.302.212.132.041.961.901.831.761.71理論電源電壓最小值/V12.40 12.75 13.09 13.55 14.01 14.47 15.05 15.74 16.43 表1.9.1 射極跟隨器RE取不同值時的情況 (RL=3.3k)多級19低頻小信號放大電路設(shè)計表1.9.1的電

12、源電壓最小值計算公式為ICQ(RE+RL)+UCES，其中UCES取1V。根據(jù)表1.9.1，我們可以選取RE=5.1k，電源電壓VCC=18V，或者選取RE=3.6k，電源電壓VCC=15V等。下面我們以RE=3.6k，電源電壓VCC=15V進行設(shè)計，此時等效負(fù)載電阻RL=1.72k，靜態(tài)工作電流ICQ=2.21mA。確定RE=3.6k，并選定電源電壓VCC=15V后，唯一還需要確定的就是三極管的放大倍數(shù)，三極管放大倍數(shù)不同，電路的各個參數(shù)也就不同，這里我們可以查閱表1.1.1列出的射極跟隨器動態(tài)參數(shù)的理論計算公式。根據(jù)表1.1.1計算，我們得到射極跟隨器各參數(shù)隨三極管放大倍數(shù)不同而改變的情況

13、，如表1.9.2。多級19低頻小信號放大電路設(shè)計三極管的放大倍數(shù)5060708090100120140160180200三極管輸入電阻rbe /8509681085 1.2 k1.3 k 1.4 k1.7 k1.9 k2.1 k2.4 k2.6 k電路基極電阻RB /k146 175 203 232 261 289 347 404 462 519 577電壓放大倍數(shù)AU0.990.990.990.990.990.990.990.990.990.990.99射隨器電路輸入電阻/k5566768798109130152174196217電路輸出電阻(RS=2k) /5548433936343028

14、262423電路輸出電阻(RS=3.3k) /8069615550464137333129電路輸出電阻(RS=5.1k) /11397857669645549444138表1.9.2 射極跟隨器電路各參數(shù)隨三極管放大倍數(shù)的變化情況(VCC=15V，RE=3.6k，ICQ=2.21mA)多級19低頻小信號放大電路設(shè)計表1.9.2在計算電路的輸入電阻R i時，采用的圖1.5.1的固定偏置電路，如果采用表1.1.1中的電阻分壓偏置電路，則需要讀者自己重新計算R i。電路輸出電阻的計算需要用到前級作為信號源的內(nèi)阻(即前級的輸出電阻)，由于前級還未設(shè)計，這里假定了三種情況，可以看出，在前級的輸出電阻(本

15、級信號源內(nèi)阻)不大于5.1k的情況下，本級輸出電阻小于120，完全滿足設(shè)計要求。表1.9.2計算的結(jié)果還為電路元件的選擇范圍提供了依據(jù)，我們可以將三極管的放大倍數(shù)規(guī)定在某一范圍內(nèi)，將電路基極電阻用電位器代替，以后的設(shè)計按最劣情況估計，這樣只要在調(diào)試時用電位器將三極管的靜態(tài)電流ICQ調(diào)到2.21mA，則電路的指標(biāo)就可以完全滿足要求。多級19低頻小信號放大電路設(shè)計4. 共射放大電路2的設(shè)計前兩級的共射放大電路我們可以基本采用圖1.8.1的電路。下面我們先看共射放大電路2的設(shè)計。根據(jù)總體電壓增益分配的計算，輸入到共射放大電路2的信號有效值為89mV，要求本級輸出的信號有效值2.8V左右，其峰值為3.

16、96V。電源電壓應(yīng)取得與射極跟隨器一致，定為15V，下面我們確定本級靜態(tài)工作點的大小。圖1.9.3給出了三極管電阻分壓式共射電路的靜態(tài)電壓分配情況。 多級19低頻小信號放大電路設(shè)計圖1.9.3 共射電路靜態(tài)電壓分配概況多級19低頻小信號放大電路設(shè)計分析得知，要得到最大的不失真輸出電壓幅度，應(yīng)該有|ab|=|bc|Uom，|ab|=|bc|的值比Uom大得越多，則電路的可靠性越高。由于|od|=VCC和|oa|=UCES是確定值，因此確定|ab|=|bc|的值大小的因素就在|cd|，從圖1.9.3我們得到：|cd|=ICQRC+RE-(RC/RL) =ICQRE+ICQ RC -(RC/RL)其

17、主要部分ICQRE=UEQ的作用是穩(wěn)定靜態(tài)工作點，一般說來，發(fā)射極靜態(tài)電壓UEQ對于硅管取3V5V，對于鍺管取1V3V就有很好的穩(wěn)定工作點的效果。因此在滿足穩(wěn)定工作點的條件下，我們希望盡量增大|ab|和|bc|的值，并盡量做到|ab|=|bc|。如果滿足穩(wěn)定工作點的條件與|ab|=|bc|Uom矛盾，我們就寧可犧牲工作點的穩(wěn)定范圍，也要保證|ab|=|bc|Uom，使電路不至于失真。多級19低頻小信號放大電路設(shè)計本級放大電路根據(jù)這一原理，取UCES=1V，UEQ=ICQRE=3V，這樣|ac|11V=2.7Uom，理論上可以完全避開失真區(qū)間。我們以靜態(tài)集電極電流ICQ為自變量，求出在不同的靜態(tài)

18、電流ICQ的情況下本級集電極電阻RC和發(fā)射極電阻RE的大小情況，表1.9.3列出了計算出來的各種情況。其中RE是根據(jù)所取靜態(tài)發(fā)射極電壓3V計算得出，計算RC根據(jù)從圖1.9.3中推出的方程：(VCC - UCES)/ ICQ =RC+RE+(RC/RL)多級19低頻小信號放大電路設(shè)計ICQ /mA0.80.97.01.21.41.61.82.02.22.5RE /k3.8 3.33.02.52.11.91.71.51.41.2RC /k7.36.45.84.84.13.53.12.82.62.2允許Uom /V5.25.25.25.35.35.35.35.45.45.4計算允許Uom也利用了圖1

19、.9.3中的靜態(tài)關(guān)系：Uom= VCC - UCES- ICQ (RC+RE)。表1.9.3 共射放大器2取不同ICQ值時RC和RE的大小情況(UE=3V，RL=55k，VCC=15V，UCES=1V)多級19低頻小信號放大電路設(shè)計表1.9.3中允許Uom的值全部大于實際需要的本級信號輸出幅值，因此從理論上按照該各組數(shù)據(jù)設(shè)計的電路不會出現(xiàn)失真。表1.9.3中RC的值是本級的輸出電阻，同時是下級射極跟隨器的輸入電阻RS，根據(jù)前面設(shè)計的射極跟隨器對RS的要求我們來考察表1.9.3：表1.9.3靜態(tài)電流ICQ1mA的RC的值滿足表1.9.2計算的輸出電阻的條件。我們不妨選擇本級靜態(tài)電流ICQ=1.6

20、mA，由此得到RC=3.5k，RE=1.9k，我們?nèi)〕Ｓ玫臉?biāo)稱值RC=3.6k，RE=2.0k。多級19低頻小信號放大電路設(shè)計上下偏流電阻的選擇和單級共射放大電路的設(shè)計一樣，由于UBQ=ICQ RE +0.7V=3.9V，我們選擇下偏流電阻為4.7k，則上偏流電阻應(yīng)調(diào)為約13.4k，這兩個電阻流過的電流大約是830A，遠大于基極電流，滿足穩(wěn)定工作點的條件。最后是三極管放大倍數(shù)的確定和本級放大器參數(shù)的計算，在滿足以上設(shè)計的條件下，以三極管放大倍數(shù)為自變量，根據(jù)表1.1.1進行計算后，我們將結(jié)果列入表1.9.4。多級19低頻小信號放大電路設(shè)計三極管放大倍數(shù)506070809010012014016

21、0180200三極管輸入電阻rbe /11291291145416161779194122662591291632413566本級輸入電阻Ri /852942102511041177124613721485158716781761本級電壓放大倍數(shù)AU150157163167171174179183185188189AUS(RS=1k)697682889297103109114118121AUS(RS=1.5k)54616671757985919599102AUS(RS=2.2k)4247525660636974788184AUS(RS=3.3k)3135394245485357606366AU

22、S(RS=4.7k)2326293234364044474952AUS(RS=5.6k)2023252830323538414345表1.9.4 共射放大器2各參數(shù)隨三極管放大倍數(shù)的變化情況(VCC=15V，RC=3.6k，RL=55k，RB1=13.4k，RB2=4.7k，ICQ=1.6mA)多級19低頻小信號放大電路設(shè)計由于要求本級電壓放大倍數(shù)AUS不小于32倍，根據(jù)表1.9.4的計算結(jié)果，它也必須對上級的輸出電阻和本級三極管的放大倍數(shù)提出要求，考慮到三極管的離散性較大，我們可以限定上一級電路的輸出電阻(本表中的RS)不大于3.3k，這樣就降低了本級對三極管放大倍數(shù)的要求，按照表列數(shù)據(jù)，只

23、要在三極管60的情況下，本級放大器的電壓放大倍數(shù)AU就大于35，超過了設(shè)計要求的31.6。電容器的選擇和單級共射放大電路的設(shè)計一樣，這里不再贅述。多級19低頻小信號放大電路設(shè)計5. 共射放大電路1的設(shè)計共射放大電路1的設(shè)計方法和共射放大電路2的設(shè)計方法基本一樣。但由于輸入到共射放大電路1的信號有效值很小，僅為5mV，要求本級輸出的信號有效值也不大，僅89mV，其信號輸出峰值為126mV。因此最大輸出信號峰值的考慮不是主要問題。本級取UCES=1V，UEQ=ICQRE=5V。則在不同的靜態(tài)電流ICQ的情況下本級集電極電阻RC和發(fā)射極電阻RE的大小情況計算見表7.8.5。多級19低頻小信號放大電路

24、設(shè)計ICQ /mA0.80.97.01.21.41.61.82.02.22.5RE /k6.35.65.04.23.63.12.82.52.32.0RC /k10.39.18.16.65.64.84.23.73.32.9允許Uom /V0.70.80.97.01.21.31.51.61.71.9表1.9.5 共射放大器1取不同ICQ值時RC和RE的大小情況(UE=5V，RL1k，VCC=15V，UCES=1V)多級19低頻小信號放大電路設(shè)計表1.9.5中允許Uom的值全部大于實際需要輸出Uom值的5倍以上，但共射放大器2要求本級的輸出電阻不大于3.3k，此條件僅當(dāng)ICQ2.2mA時才滿足，但本

25、級放大的是微小信號，靜態(tài)工作點不宜取得太高，因此表1.9.5的結(jié)果從理論上不可取。通過多次試驗，我們修改UEQ=ICQRE=8V重新進行計算的結(jié)果見表1.9.6多級19低頻小信號放大電路設(shè)計ICQ/ mA 0.80.97.01.21.41.5 1.61.82.02.22.5RE/k10.0 8.98.06.75.75.35.04.44.03.63.2RC/k6.6 5.8 5.2 4.2 3.53.23.02.6 2.3 2.11.8允許Uom /V0.70.80.87.01.11.11.21.31.41.51.6表1.9.6 共射放大器1取不同ICQ值時RC和RE的大小情況(UE=8V，RL

26、1k，VCC=15V，UCES=1V)多級19低頻小信號放大電路設(shè)計要求本級的輸出電阻不大于3.3k，我們只能取ICQ=1.5mA，此時，RC=3.2k，RE=5.3k，我們?nèi)〕Ｓ玫臉?biāo)稱值RC=3.3k，RE=5.6k。為一致起見，我們選擇下偏流電阻也是4.7k，上偏流電阻經(jīng)計算應(yīng)為約3.4k，完全滿足穩(wěn)定工作點的條件。在以上條件下，選取不同放大倍數(shù)的三極管所作的計算見表1.9.7。多級19低頻小信號放大電路設(shè)計三極管放大倍數(shù) 5060708090100120140160180200三極管輸入電阻rbe/11841357153117041877205123972744309134373784本

27、級電路輸入電阻Ri/740804862914962100610821148120412531297本級電壓放大倍數(shù)AU3234353637373839404041AUS(RS=300)2325262728293031323233AUS(RS=500)1921222324252627282929AUS(RS=600)1819212223232526272728AUS(RS=700)1718192021222324252626AUS(RS=800)1617181920212223242525AUS(RS=900)1516171819202122232324AUS(RS=1k/p>

28、92021222223表1.9.7 共射放大器1各參數(shù)隨三極管放大倍數(shù)的變化情況(VCC=15V，RC=3.3k，RL7.0k，RB1=3.4k，RB2=4.7k，ICQ=1.5mA)多級19低頻小信號放大電路設(shè)計從表1.9.7可知，要滿足第一級放大倍數(shù)大于17.8的要求，允許信號源內(nèi)阻不超過600。在電路設(shè)計中，還需要考慮頻率和三極管功耗的要求，這里沒有敘述。設(shè)計工作中的計算是一個很繁瑣的勞動，幾十年以前的設(shè)計往往要去查閱許多事先做好的各種圖表，隨著計算機的發(fā)展和普及，計算工作變得越來越輕松，本設(shè)計中的計算都是在Excel中完成的，只有學(xué)會一種快捷的計算方法，我們才能更好地完成設(shè)計。圖1.9.4 電路設(shè)計原理圖示例以上設(shè)計工作完成后我們繪出總電路圖如圖1.9.4，其元件清單見表1.9.8。根據(jù)原理圖我們還應(yīng)該進行仿真或制作調(diào)試，并根據(jù)仿真和實際的制作結(jié)果對設(shè)計進行一定的修改，這些步驟就不再這里贅述了。多級19低頻小信號放大電路設(shè)計圖1.9.4電路設(shè)計原理圖示例多級19低頻小信號放大電路設(shè)計編號規(guī)格說 明T19013NPN型小功率三極管均可，= 80150。T29013NPN型小功率三極管均可， =80150。T39013NPN型小功率三極管均可， =80150。VCC15V建議使用穩(wěn)壓電源。RB12.2k固定電阻采用金屬膜電阻RJ0.25W，誤