多級放大電路的設(shè)計報告

..電工電子技術(shù)課程設(shè)計報告題目：多級放大電路的設(shè)計二級學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院年級專業(yè)14動力本學(xué)號1401250029學(xué)生姓名周俊指導(dǎo)教師張云莉教師職稱講師目錄第一章．基本要求和放電電路的性能指標(biāo)...........................................................1第二章．概述和任務(wù)分析........................................................................................5第三章．電路原理圖和電路參數(shù)............................................................................6第四章．主要的計算過程........................................................................................9第五章．電路調(diào)試運算結(jié)果..................................................................................11第六章．總結(jié)...........................................................................................................12制作調(diào)試步驟及結(jié)果......................................................................................12收獲和體會......................................................................................................13第七章．誤差和分析..............................................................................................14第八章．參考文獻(xiàn)..................................................................................................15第一章．基本要求和放電電路的性能指標(biāo)1.基本要求：用給定的三極管2SC1815<NPN>,2SA1015<PNP>設(shè)計多級放大器,已知VCC=+12V,-VEE=-12V,要求設(shè)計差分放大器恒流源的射極電流IEQ3=1~1.5mA,第二級放大射極電流IEQ4=2~3mA；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10kΩ,輸出電阻小于10Ω,并保證輸入級和輸出級的直流點位為零。設(shè)計并仿真實現(xiàn)。2.放電電路的性能指標(biāo)：第一種是對應(yīng)于一個幅值已定、頻率已定的信號輸入時的性能,這是放大電路的基本性能。第二種是對于幅值不變而頻率改變的信號輸出時的性能。第三種是對應(yīng)于頻率不變而幅值改變的信號輸入時的性能。1.1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)。它定義為輸出變化量的幅值與輸入變化量的幅值之比,有時也稱為增益。雖然放大電路能實現(xiàn)功率的放大,然而在很多場合,人們常常只關(guān)心某一單項指標(biāo)的放大的倍數(shù),比如電壓或者電流的放大倍數(shù)。由于輸出和輸入信號都有電壓和電流量,所以存在以下四中比值：〔1-11.〔1-2〔1-3〔1-4式中的QUOTE、QUOTE、QUOTE、QUOTE都是正弦信號的有效值。需要注意的是,若輸出波形出現(xiàn)明顯失真,則此值就失去意義了,因此在輸出端要有監(jiān)視失真的措施〔如用示波器觀察波形。其他指標(biāo)也是如此。2.輸入電阻作為一個放大電路,一定要有信號源來提供輸入信號。例如擴(kuò)大機(jī)就是利用話筒將聲音轉(zhuǎn)成電信號提供放大電路的。放大電路與信號源相連,就要從信號源取電流。取電流的大小表明了放大電路對信號源的影響程度,所以我們定義一個指標(biāo),來衡量放大電路對信號源的影響,叫做輸入阻抗。當(dāng)信號頻率不是很高時,輸入電流QUOTE與輸入電壓QUOTE基本同相,因此通常用輸入電阻來表示。它定義為：〔1-5從圖1-1中可見,QUOTE就是向放大電路輸入端看進(jìn)去的等效電阻。QUOTE越大,表明它從信號源取的電流越小,放大電路輸入端所得到的電壓QUOTE越接近信號電壓QUOTE。因此作為測量儀表用的放大電路其QUOTE要大。但是對于晶體管來說,QUOTE大則取電流小,講減低放大倍數(shù)。所以在需要放大倍數(shù)大而QUOTE為固定值的情況2.下,晶體管放大電路的QUOTE又以小一些為好。3.輸出電阻放大電路講信號放大后,總要送到某裝置區(qū)發(fā)揮作用。這個裝置我們通常稱為負(fù)載。比如揚聲器就是擴(kuò)大機(jī)的負(fù)載。當(dāng)我們在原來的揚聲器兩端再并聯(lián)一個揚聲器時,它兩端的電壓講要下降,這種現(xiàn)象說明向放大電路的輸出端看進(jìn)去有一個等效內(nèi)阻,通常稱為輸出電阻,記為QUOTE,如圖1-1所示。圖1-1求輸出電阻QUOTE的等效電路通常測定輸出電阻的辦法是輸入端加正弦波實驗信號,測出負(fù)載開路時的輸出電壓QUOTE,再測出接入負(fù)載QUOTE時的輸出電壓QUOTE。則讀者可自行證明〔1-6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QUOTE反映了放大電路帶負(fù)載能力的大小。1.2第二種類型的指標(biāo)：4.通頻帶當(dāng)只改變輸入信號的頻率時,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)來反映放大電路對于不同頻率的信號的適應(yīng)能力。一般情況下,放大電路只適用于放大一個特定頻率范圍的信號,當(dāng)信號頻率太高或太低時,放大倍數(shù)都有大幅度的下降,如圖1-2所示。3.圖1-2放大電路的頻率指標(biāo)當(dāng)信號頻率升高而使放大倍數(shù)下降為中頻時放大倍數(shù)〔記作QUOTE的0.7倍時,這個頻率稱為上限截止頻率,記作QUOTE。同樣,使放大倍數(shù)下降為QUOTE的0.7倍時的低頻信號頻率稱為下線截止頻率,記作QUOTE。我們將QUOTE和QUOTE之間形成的頻帶稱為通頻帶,記作QUOTE,即〔1-7通頻帶越寬,表明放大電路對信號頻率的適應(yīng)能力越強(qiáng)。對于收錄機(jī)、擴(kuò)大機(jī)來說,通頻帶寬意味著可以將原樂曲中豐富的高、低音都能完美的播放出來。然而有些情況下則希望頻帶窄,如帶通濾波電路等。1.3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)輸入信號再增大就會使輸出波形的非線性失真系數(shù)超過額定數(shù)值〔比如10%時的輸出幅值。我們以QUOTE〔或QUOTE表示。一般指有效值,也有以封至峰值表示的,二者差QUOTE倍。6．最大輸出功率與效率最大輸出幅值是輸出不失真時的單項〔電壓和電流指標(biāo)。此外還應(yīng)該有一個綜合性的指標(biāo)即最大輸出功率。它是輸出信號基本不失真的情況下輸出的最大功率,記作QUOTE。前面我們說過,輸入信號的功率都是很小的,經(jīng)過放大電路,得到了較大的功率輸出。這些多出來的能量石由電源提供的,放大電路只不過是實現(xiàn)4.了有控制的能量轉(zhuǎn)換。既然是能量的轉(zhuǎn)換,就存在轉(zhuǎn)換效率的問題。也就是說,不能只看輸出功率的大小,還應(yīng)該看能量的利用率如何。效率QUOTE定義為〔1-8式中QUOTE為直流電源消耗的功率。7.非線性失真系數(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,有時需要討論它的失真問題。我們在這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下,輸出波形的諧波成分總量和基波成分之比。用QUOTE表示基波和各種諧波的幅值,則失真系數(shù)D定義為：〔1-9以上三類指標(biāo)是以輸入信號的幅值的頻率來劃分的。一般來說,第一類指標(biāo)多適用于輸入為低頻小信號時的情況；第二類指標(biāo)多適用于輸入信號幅值小但頻率變化范圍寬的情況；第三類指標(biāo)則多適用于低頻但輸出幅值較大的情況。第二章．概述和任務(wù)分析多級放大電路的概述：在我們?nèi)粘Ｉ詈涂茖W(xué)研究等工作中,常常會遇到放大電路。這些放大電路的形式不通,性能指標(biāo)也不同,使用的元器件也不相同,但它們都是用來進(jìn)行信號的放大,其基本工作原理都是一樣的。在這些放大電路中,管放大電路時構(gòu)成各種復(fù)雜電路的基本單元。本文以幾個簡單的放大電路為例,介紹放大電路的組成原理、工作原理、性能指標(biāo)及計算方法。由于單級放大電路的放大倍數(shù)有限,不能滿足實際的需要,因此實5.用的放大電路都是由多級組成的。如圖。通?？煞譃閮纱蟛糠?即電壓放大<小信號放大>和功率放大<大信號放大>,前置級一般跟據(jù)信號源是電壓源還是電流源來選定,它與中間級主要的作用是放大信號電壓。中間級一般都用共發(fā)射極電路或組合電路組成。末級要求有一定的輸出功率供給負(fù)載RL,稱為功率放大器,一般由共集電極電路,或互補(bǔ)推挽電路,有時也用變壓器耦合放大電路。多級放大電路的放大倍數(shù)：第三章.電路原理圖和電路參數(shù)電路原理圖電路參數(shù)的選擇和計算1.參數(shù)的選擇：6.電容全部選用10μf,電阻在下列值范圍波動：Rs=5.1KΩ,Rb12=33KΩ,R1=0~100KΩ,Rb11=24,Rc1=5.1KΩ,Re12=0~1KΩ,Re11=1.8KΩ,Rb22=47KΩ,Re22=0~330Ω,R2=0~25KΩ,Re21=1KΩ,Rb2=20KΩ,Rc2=3KΩ,Rb3=0~680KΩ,Re3=2.2KΩ,RL=3KΩ,Vcc=12V,由Auf=<Re11+Re12+Rf>/Rf>20知,Rf<0.146KΩ2.計算參數(shù)：一級放大電路的靜態(tài)工作點：；；V；；；；電壓放大倍數(shù)：QUOTE=;<RL’=RC1//RE2>Au=輸入電阻Ri://QUOTE//QUOTEQUOTE=0.43K7.輸出電阻Ro:Ro≈QUOTE;Ro≈QUOTE=12k二級放大電路的靜態(tài)工作點：;V;;;;電壓放大倍數(shù):Au=<RL’=RC1//RE2>Au=輸入電阻Ri://QUOTE//QUOTERi=0.28K輸出電阻Ro:Ro≈Rc1Ro≈Rc1=6k三級放大電路的靜態(tài)工作點：;;8.;輸入電阻Ri://Ri=461K//<1.32+510.25>Ri=0.07K輸出電阻Ro:Ro=Re//Ro=14.5k第四章.主要的計算過程直耦式多級放大電路的主要涉及任務(wù)是模仿運算放大器OP07的等效內(nèi)部結(jié)構(gòu),簡化部分電路,采用差分輸入,共射放大,互補(bǔ)輸出等結(jié)構(gòu)形式,設(shè)計出一個電壓增益足夠高的多級放大器,可對小信號進(jìn)行不失真的放大。1.輸入級電路的輸入級是采用NPN型晶體管的恒流源式差動放大電路。差動放大電路在直流放大中零點漂移很小,它常用作多級直流放大電路的前置級,用以放大微笑的直流信號或交流信號。典型的差動放大電路采用的工作組態(tài)是雙端輸入,雙端輸出。放大電路兩邊對稱,兩晶體管型號、特性一致,各對應(yīng)電阻阻值相同,電路的共模抑制比很高,利于抗干擾。該電路作為多級放大電路的輸入級時,采用vi1單端輸入,uo1的單端輸出的工作組態(tài)。計算靜態(tài)工作點：差動放大電路的雙端是對稱的,此處令T1,T2的相關(guān)射級、集電極電流參數(shù)為IEQ1=IEQ2=IEQ,ICQ1=ICQ2=ICQ。設(shè)UB1=UB2≈0V,則Ue≈9.-Uon,算出T3的ICQ3,即為2倍的IEQ也等于2倍的ICQ。此處射級采用了工作點穩(wěn)定電路構(gòu)成的恒流源電路,此處有個較為簡單的確定工作點的方法：因為IC3≈IE3,所以只要確定了IE3就可以了,而,采用ui1單端輸入,uo1單端輸出時的增益2.主放大級本級放大器采用一級PNP管的共射放大電路。由于本實驗電路是采用直接耦合,各級的工作點互相有影響。前級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,同時也是第二級放大級的基極直流電壓,如果放大級繼續(xù)采用NPN型共射放大電路,則集電極的工作點會被抬得更高,集電極電阻值不好設(shè)計,選小了會使放大倍數(shù)不夠,選大了,則電路可能飽和,電路不能正常放大。對于這種情況,一般采用互補(bǔ)的管型來設(shè)計,也就是說第二級的放大電路用PNP型晶體管來設(shè)計。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的工作點,保證主放大器工作于最佳的工作點上,設(shè)計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并和差分輸入級鏈接的參考電路,其中T4為主放大器,其靜態(tài)工作點UB4、UE4、UC4由P1、R7、P2決定。差分放大電路和放大電路采用直接耦合,其工作點相互有影響,簡單估計方式如下：,〔硅管,由于,相互影響,具體在調(diào)試中要仔細(xì)確定。此電路中放大級輸出增益10.3.輸出級電路輸出級采用互補(bǔ)對稱電路,提高輸出動態(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)對稱的交越失真。本級電路沒有放大倍數(shù)。第五章.電路調(diào)試運算結(jié)果用Multisim仿真設(shè)計結(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1所示 圖1輸入輸出端電壓測試：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。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。得到輸入電壓為VPP=4mV,輸出電壓為VPP=4.29V,放大倍數(shù)計算得到為1062倍。11.第六章.總結(jié)制作調(diào)試步驟及結(jié)果：各級靜態(tài)工作點測量及調(diào)整與輸入輸出電阻放大倍數(shù)測量①第一級：先按圖3連接第一級線路,用萬用表測得Vbe1＝0.6V,Vce1=5.94V,再接入Us=200mV信號,串聯(lián)一個Rs=5.1KΩ的電阻,用雙蹤示波器測得3,由于輸出電壓與輸入電壓比值太小,調(diào)節(jié)R1、Re12,測得,使Au=Ui/Uo=23,然后在輸出端接一負(fù)載為RL=3KΩ的電阻,測得電阻兩端電壓UL=1.25V,按輸入輸出電阻計算可得Ri=15.3KΩ,Ro=5.4KΩ,此時,再測得電路靜態(tài)工作點為Vbe1＝0.61V,Vce1=3.94V,以及Re12=0.38KΩ,R1=39KΩ.圖2②第二級：先按圖2連接第二級線路,用萬用表測得Vbe2＝0.62V,Vce2=5.78V,再接入Us=200mV信號,串聯(lián)一個Rs=5.1KΩ的電阻,用雙蹤示波器測得,由于輸出電壓與輸入電壓比值太小,調(diào)節(jié)R2、Re22,測得,使Au=Ui/Uo=23,然后在輸出端接一負(fù)載為RL=3KΩ的電阻,測得電阻兩端電壓UL=1.25V,按輸入輸出電阻計算可得Ri=15.3KΩ,Ro=5.4KΩ,此時再測得電路靜態(tài)工作點為Vbe2＝0.59V,Vce2=3.52V,以及Re22=0.085KΩ,R2=24KΩ③第三級：先按圖2連接第三級線路,用萬用表測得Vbe3＝0.64V,Vce3=5.62V,再接入Us=200mV信號,串聯(lián)一個Rs=5.1KΩ的電阻,用雙蹤示波12.器測得,調(diào)節(jié)R3,測得,然后在輸出端接一負(fù)載為RL=3KΩ的電阻,測得電阻兩端電壓UL=190mV,按輸入輸出電阻計算可得Ri=96.9KΩ,Ro=0,此時,再測得電路靜態(tài)工作點為Vbe1＝0.63V,Vce1=5.52V.以及R3=192.7KΩ.2.三級開環(huán)放大電路輸入輸出電阻及放大倍數(shù)測量如圖2接線,不引入反饋,將三級放大電路連接在一起,再接入Us=30mV信號,串聯(lián)一個Rs=5.1KΩ的電阻,用雙蹤示波器測得Ui=22mV,然后測得Uo=11.1v,接入負(fù)載為RL=3KΩ的電阻,測得電阻兩端電壓UL=10.9V,此時得到符合技術(shù)指標(biāo)。3.三級閉環(huán)放大電路輸入輸出電阻、放大倍數(shù)及反饋電阻測量如圖2接線,接入Us=75mV信號,串聯(lián)一個Rs=5.1KΩ的電阻,用雙蹤示波器測得Ui=50mV,然后測得Uo=1.55v,接入負(fù)載為RL=3KΩ的電阻,測得電阻兩端電壓UL=1.5V,此時得到Auf=Ui/Uo=31>20,Rif=50.2KΩ>10KΩ,符合技術(shù)指標(biāo)。此時測得4。收獲和體會：在此電路中利用了差動放大電路,利用PNP管放大級實現(xiàn)主放大電路,利用互補(bǔ)對稱輸出電路。可以有效地抑制零點漂移,消除交越失真的影響,設(shè)計的多級放大電路,得到放大倍數(shù)為1058倍,符