低频放大电路的设计制作

1、低频放大电路设计制作 *模拟电子技术基础实验设计报告低频放大电路设计制作本文主要论述如何设计制作一个低频放大电路，包括实验的电路设计、参数计算、模拟仿真以及电路实际制作与测试等各个步骤，最后实验结果表明该实验设计方案是可行的。2013*低频放大电路的设计制作作者： *时间：2013年6月7日 地点：*参数要求：在f=1KHZ 时，电压增益>100 ；输入电阻 > 100K ；输出电阻 < 1K；输出动态范围尽可能的大。Vcc 为12V；>80.一、实验目的A、 掌握多级放大电路的静态工作点的调试方法；B、 掌握多级放大电路的电压放大倍数，输入电阻，输出电阻的测试方法；C

2、、 掌握负反馈对放大电路动态参数的影响；D、 提高电路设计与制作能力，培养动手能力，将理论运用于实际；二、实验原理 l 考虑到该电路放大倍数要求较高，并实验要求采用分离元件的三极管来完成，故首先考虑到使用多级共射放大电路，但级数过多会影响输出反馈信号的相移，电路容易自激，最后折中处理，本实验实际采用两级共射放大；l 多级放大电路，由于各级之间参数会相互影响，若采用直接耦合，则对于静态工作点的调节要求很高，故采用阻容耦合方式；l 为了稳定电路，稳定输出电压，提高输入电阻，拟采用深度负反馈，并最终设计为级间电压串联负反馈；三、 实验方案Ø 电路图设计综合考虑各个因数，本实验方案最终设计为

3、 两级阻容耦合的共射放大电路，并且采用级间电压串联负反馈，电路设计如下图（采用Mutisim10.0仿真）：共射放大器I共射放大器2电压串联负反馈图一 电路设计方案Ø 电路元件参数设计与相关计算过程：本实验采用的是NPN 9011型号的三极管，电路中所用的电容全部采用10微法，Vcc =12V，其余电阻值的计算过程如下：ü 确定D根据要求AVF >100， AVF=AV1+AVF1F ， D=1+AVF1 因两级共射放大器开环增益易作几百倍一、二千倍故选定D=9，使电路形成深度负反馈。ü 确定Re1、RF 由于 riFDriDRe1 Re1riFD=100K

4、9*80=138.89 选定Re1=150 又 F=Re1RF+Re1<1Auf 则 RF>Auf-1Re1>100*150=15K选定Rf =20K.ü 设计Rc1、Rc2、IcQ1、IcQ2roFroDRc2RFD1K Rc2DrofRFRF-Drof=9*1K18K18K-9K=18K选定Rc2=17 K要求输出动态范围大第二级工作点位于交流负载线中间左右Vc2'=VccRf+VCEQRC2RC2+RFVCEQ2=12VC2' （交流负载线）则 VCEQ2=VCCRF2RF+RC2=12*18K2*18K+15K4V 又在兼顾动态范围大又不影响

5、增益的情况下 取 Re2=800.则 ICQ2=12-VCEQ2RC2+Re2 由第二级放大电路采取分压式偏置 则 VCCRb下Rb上+Rb下=VB=VBEQ+VE=0.7+IEQ2Re2 VCCRb上+Rb下=510ICQ2 由式解得： Rb上=274K Rb下=27K又 rbe2=rbb'+UTICQ2=300+80*26mvICQ2=4.408Kri2=Rb上Rb下rbe2 RC1=4ri2由式解得：Rc1=18.78K 即 20K又第一级工作在小信号状态，交流负载线比直流负载线更陡，为计算简单，工作点选在此直流负载线中点偏高点，即接近交流负载线中点ICQ1VCC2(RC1+Re

6、1) Rb1=VCC-VBEQ-ICQ1Rc1ICQ1/ 将代入中得： Rb1=3.31M 取为 3.3M综上所述，电路中所有电阻值归纳如下：Re1RfRc2Re2Rb上Rb下Rc1Rb115020K17K800274K27K20K3.3M由此，该电路中的元件参数全部取定。Ø 元件参数验算首先画出交流等效电路图，如图所示：验算Au：Au1=-(Rc1/Rb2/rbe2)rbe1+(1+)(Re1/Rf)=-rbe2rbe1+Re1=-13.3 Au2=-Rc2/(Rf+Re1)rbe2=-(Rc2/Rf)rbe2=-245 Au=Au1* Au2=3185验算F： F=Re1Re1+

7、RF=7.44*10（-3）验算Auf： Auf=Au1+AuF=129验算D：D=1+AuF=15验算Rof： Rof=Rc2/(Rf+Re1)D=Rc2/RfD=613验算Rif： Ri=rbe1+1+(Re1/Rf)=rbe1+1+Re1=14K Rif=Rb1/DRi=197 KØ 电路仿真在对电路进行初步理论设计后，还需要通过仿真来实际检测电路的可行性，这里我们使用的是Mutisim 10.0 软件进行的仿真，但在10.0版本里找不到实验用的NPN 9011三极管，通过参数比较，我们最终选择用2N2222A来替代，并且最终实验证明这个替代是可行的。ü 放大倍数仿真

8、测量这里我们可以看到，输入信号时有效值为10mv的正弦波，输出用示波器观测，在波形不失真的情况下输出为1.27V，则放大倍数为AVf=UoUi=1.27V10mv=127>100亦即放大了127倍大于实验要求的100倍，故放大倍数满足设计要求。ü 输入阻抗测量 这里我们采用串联电阻法测量输入阻抗。 选用100K的电阻串联到输入端，还是输入10mv的正弦波，用电表读取放大电路的输入电压，如图实际测量结果为7.973mv，则由输入阻抗计算公式：Ri=UiUs-UiRs=7.97310-7.973*100K=393.3Kü 输出阻抗测量加入10K负载测负载电压空载时的输出电

9、压这里测量输出阻抗时我们采用的是外加负载法，即分别测量并联负载电阻后的电压和开路电压，然后根据输出阻抗计算公式计算。我们选用的是10K的负载，输入任然为10mv正弦波信号，上图是加入负载后的测得的电压为1.21V，下图是开路时测得的电压1.27v，所有参数都是在保证输出波形不失真的情况下测量的。则输出阻抗为：Ro=Uo-UrUrR=1.27-1.211.21*10K=495.87<1K输出阻抗计算出来为495.87，小于实验要求的1K，故符合要求。综上所述，我们的设计方案最后在Mutisim 10.0上仿真的结果为：放大倍数是127倍，输入阻抗为393.3K，输出阻抗为495.87。仿真

10、结果完全满足实验设计要求，证明该设计方案的确是可行的。四、 实验过程1. 元器件选取以及测量：首先根据上述理论推导过程、实验中老师的要求以及实验室所提供的元器件，选取本次实验所需的电阻，电容，三极管，电位器等。所取元件分别如下：电阻150 *1，820 *1，18.0 K*1，20.0 K*2，27.0 K*1，50 K*1，3.0M*1；电位器1M*2；电容10uF*4，0.033uF*1；三极管NPN9011*2。2. 连接电路：将设计过程中，Rb1的3.3M电阻用电位器1M以及一个定值电阻3.0M串联替代，Rb上用电位器1M以及电阻50K串联替代，按照电容的正负极关系以及仿真的电路图连接

11、电路。为保证实验结果准确，防止电路自激影响，尽量简化了电路，避免了导线过长或者交叉。3. 初步测量：电路连接完，反复检查电路是否连接正确。检查无误后，输入端接入函数信号发生器，输出端接示波器，进行初步测量。经实验测量，较小的输入信号经放大电路放大后，在输出端可以得到，稳定且不失真的输出波形，满足初步要求，电路稳定无自激现象。4. 调节Q点以及测量闭环增益Auf：适当调节输入信号电压，使输出波形产生失真，由实际实验所得波形为底部失真，因此调小Rbe1和Rbe上部分的两个电位器的阻值，当调得不失真情况下，继续增大输入信号电压，使之再次失真，重复上述步骤，最终当增大输入信号电压时，同时产生了顶部失真

12、和截止失真，此时Q点调节到最佳。输入电压以及输出电压的波形如下：输入波形输出波形电压放大倍数Auf=Uo/Ui=126.6。5. 测量输出电阻Rof：电路的输出端接上1.5 K的负载电阻Rl，利用分压法进行测量输出电阻。当接入负载Rl时，改变了交流负载线的斜率，因此调小输入信号电压，使得输出Ul不失真。此时测得Rl两端电压为Ul=430mV，断开负载Rl，测得输出电压Uo=561mv。因此Ro=（Uo-Ul）*Rl/Ul=457 。6. 测量输入电阻Rif：电路的输入端串联100 K的电阻R，同样采用分压的方法进行输入电阻的测量。当输入电压为10mV时，测得输入端Ui为6.72mV，因此测得R

13、i=Ui*R/(Ui-Ui)=204.8 K。7. 测量上下限频率fl和fH：保证输入电压不变，分别减小和增大输入信号的频率，当输出电压Uo下降到0.7Uo时，用示波器测出输入信号的fl和fH。测得fl=52.00HZ，fH=420KHZ。即该电路的通频带宽为 52.000HZ420KHZ五、 结果分析与问题总结l 电路的连接由于实验箱的插孔位置相对于集中，因此便于将整个电路在相对较小的空间进行安排，首先确定两个三极管的位置，然后根据电路图分别再确定第一级放大电路和第二级放大电路的其他元器件位置，最终连接电路设计相对较好，并且为避免自激现象的产生，电路的连接都尽量使用短的导线进行连接并且导线之

14、间很少或近乎没有交叉，这同样使我们连接的电路未产生自激的现象，节省了电容来消除自激，节省了元器件并且节约了实验时间。电路连接的实图如下所示：l 工作点的设置：在设置工作点的过程中，首先减小输入信号的电压保证输出波形是稳定的正弦波，避免在调节电位器时，输出波形一直失真。然后逐渐输入信号的电压缓慢增大，观察波形产生的何种失真，对电位器进行相对的调节，使其同时出现顶部失真和底部失真。在实验的过程中，由于一开始未减小输入电压，导致波形失真，影响了实验的测量以及进行进度，后改正，最终调得Q点。工作点调节完毕后，观察输出电压和输入电压波形，以及增益满足实验要求，因此满足实验预期，工作点的设置完成。l 放大

15、电路的增益：由上述的验算可知：理论值计算的Auf=129，而实际的Auf=126.6。首先满足了实验的要求，闭环增益大于等于100倍。再者，由于理论值在计算的过程中，电路图首先进行了等效，在算理论值时也进行了相当多的估算，也同时会产生一定的误差。因此，满足了实验预期。l 输出电阻的测量：由验算分析可得：实际测量的输出电阻为Ro=457，在实际测量当中，采用了分压式的测量方法，串联负载电阻Rl，利用两者的分压关系，来确定输出电阻Ro。实际的输出电阻Ro满足实验要求，小于1 K。首先由于实际的测量方式和理论推导采用的方法不同，尤其串联了负载电阻，对原电路产生了影响，因此产生了误差。再者，在理论推导

16、的过程中，也不断的进行估算，也会造成相对的计算误差。因此，实际测量值在误差的允许范围之内，满足实验要求，满足预期。当输出端串联负载后，会改变交流负载线的斜率，因此导致新的Q点并非在中点，因此为避免输出电压的失真，可以才用减小输入电压，保证输出电压是稳定的正弦波。在实际的操作过程中，由于初始的输入电压过大，导致输出波形失真，无法用分压关系进行测量输出电阻，并且试图增大负载Rl的阻值来改变交流负载先斜率，但最终发现，减小输入电压的方法简单有效，节省了实验时间。l 输入电阻的测量：有之前的验算可得，理论值为：实际测量的输入电阻Rif=204.8 K。同前面的分析，得出相同的结论，输入电阻阻值符合实验

17、要求，由于理论值计算过程中存在估算，会产生误差，因此误差在允许在范围内，满足实验的预期。测量输入电阻的过程中，出现了一些问题，在接入输入电阻的时候导致输出波形不稳定甚至有较大改变或者未测出输出波形的情况。经过分析得出很可能是由于串联的输入电阻过大，导致信号未进入电路内部进行放大。因此我们采取减小串联的输入电阻R为100 K，并且再串联过后，增大输入信号，电压信号可以进入电路并且被放大，在得到输出波形后采用分压原理的方法进行测量，最终得出了结果，完成了实验。六、 总结 这次设计实验，虽然并不是一个很难的实验，对于我们来说，理论计算都不是大问题，但是从设计、计算、仿真到实际操作的确耗费了我们大量的

18、时间和精力。可能我们已经习惯了题目给出电路来计算静态工作点，习惯了题目电路里标出电阻值参数来计算放大倍数，但我们貌似总是跳过了最重要的环节。其实电路的设计，参数的计算才是整个电路设计制作的核心，操作、测量都是其次，我们平时太过于注重理论书上的做题，反而忽略了最重要的。 这次设计实验给我的感触的确很深刻，我原以为电路不过十多个元器件半天就可以搞定，我原以为电路设计完了参数立马就可以确定了，我原以为参数确定了仿真肯定效果肯定会完全满足，我原以为仿真成功了实际操作时结果也不会和仿真相差太远，我原以为对于示波器、信号发生器等仪器我已经足够熟悉，出现什么问题都可以解决，我原以为所有的状况我都考虑全面了，但我貌似全错了。各个环节都有我考虑不周全的地方，可能导致电路设计不合理，导致全部重来。所以这次设计实验给我的感触的确够深刻，对我的帮助也真是不仅仅是一个实验，归纳总结如下：² 提高电路制作能力，培养了独立设计电路的能力，将理论运用于实际；² 一个电路设计的好坏电路结构是一方面，但不是最重要的，参数的选择合理，参数如何计算，估算怎么做，估算完后带回电路重新检验等等都是直