实验七 多级交流放大器的设计

1、实验七 多级交流放大器的设计一 实验目的1 学习多级交流放大器的设计方法。2掌握多级交流放大器的安装、调试与测量方法二 预习要求 1根据教材中介绍的方法，设计一个满足指标要求的多级交流放大器，计算出多级交流放大器中各元件的参数，画出标有元件值的电路图。2 预习多级交流放大器的调试与测量方法，制定出实验方案，选择实验用的仪器设备。三 实验原理 当需要放大低频范围内的交流信号时，可用集成运算放大器组成具有深度负反馈的交流放大器。由于交流放大器的级与级之间可以采用电容耦合方式，所以不用考虑运算放大器的失调参数和漂移的影响。因此，用运算放大器设计的交流放大器具有组装简单、调试方便、工作稳定等优点。如果

2、需要组成具有较宽频带的交流放大器，应选择宽带集成放大器，并使其处于深度负反馈。若要得到较高增益的宽带交流放大器，可用两个或两个以上的单级交流放大器级联组成。在设计小信号多级宽带交流放大器时，输入到前级运算放大器的信号幅值较小，为了减小动态误差，应选择宽带运算放大器，并使它处于深度负反馈。由于运放的增益带宽积是一个常数，因此，加大负反馈深度，可以降低电压放大倍数，从而达到扩展频带宽度的目的。由于输入到后级运放的信号幅度较大，因此，后级运放在大信号的条件下工作，这时，影响误差的主要因素是运放的转换速率，运放的转换速率越大，误差越小。四 设计方法与设计举例1 设计方法与步骤：（1） 确定放大器的级数

3、n 根据多级放大器的电压放大倍数Au和所选用的每级放大器的放大倍数Aui，确定多级放大器的级数n。 （2） 选择电路形式（3） 选择集成运算放大器 先初步选择一种类型的运放，然后根据所选运放的单位增益带宽BW，计算出每级放大器的带宽。 （1）并按（2）式算出。 （2） 多级放大器的总带宽必须满足： （3） 若，就不能满足技术指标提出的带宽要求，此时可再选择增益带宽积更高的运放。一直到多级放大器的总带宽满足（3）式为止。当所选择的运放满足带宽要求后，对末级放大器所选用的运放，其转换速率必须满足： （4）否则会使输出波形严重失真。 （4） 选择供电方式在交流放大器中的运放可以采用单电源供电或正负双

4、电源供电方式。单电源供电与正负双电源供电的区别是：单电源供电的电位参考点为负电源端（此时负电源端接地）。而正负双电源供电的参考电位是总电源的中间值（当正负电源的电压值相等时，参考电位为零）。 （5）计算各电阻值 根据交流放大器的输入电阻和对第一级电压放大倍数的要求，先确定出第一级的输入电阻和负反馈支路的电阻，然后再根据第二级电压放大倍数的要求，确定出第二级的输入电阻和负反馈支路的电阻。按此顺序，逐渐地把每级的电阻值确定下来。（6）计算耦合电容 当信号源的内阻和运放的输出电阻被忽略时，信号源与输入级之间、级与级之间的耦合电容可按下式计算。 （5） 上式中，是耦合电容C所在级的输入电阻。类似地输出

5、电容可按下式计算。 （6）2 设计举例要求设计一个交流放大器，性能指标为：中频电压放大倍数：输入电阻： 通频带：，其中 ， 最大不失真输出电压：已知负载电阻：设计步骤：（1） 确定放大器的级数n由于所要求的电压放大倍数Au=1000，同相放大器的电压放大倍数在1100之间，反相放大器的电压放大倍数在0.1100之间，因此采用两级就可以满足设计要求。在本例中放大器的级数选用两级。 （2） 选择电路形式由于同相放大器的输入电阻比较高，在不接同相端平衡电阻RP时，同相放大器的输入电阻在10M100M之间，接了同相端平衡电阻RP后，输入电阻主要由RP的值决定。反相放大器的输入电阻Ri=R1，R1的取值

6、一般在1k1M之间，对于所设计的交流放大器，要求输入电阻Ri=20k，因此输入级无论采用同相放大器还是反相放大器都能满足要求。 由于交流放大器所要求的最大不失真输出电压Uom=5V，因此最大不失真输出电流： 对于普通运放，其输出电流一般都在几毫安与十几毫安之间，因此无须采用扩流方式。根据以上分析，采用图1所 Rf1 Rf2示两极交流放大电路。在图1的 R1 C2 R2 C3交流放大电路中，第一级采用同 A1 A2 uo 相放大器，选择其电压放大倍数 ui C1 RLAu1=10，以降低放大电路的信噪比。 RP1 RP2第二级采用反相放大器，选择其电压放大倍数Au2=100。此时，第 图1 两级

7、交流放大电路一级运放工作在小信号情况下，第二级运放工作在大信号的情况下。 （3）选择集成运算放大器 第一级交流放大器中，若该级运放选择，由于其单位增益带宽，因此第一级交流放大器的带宽为：因此，故第一级交流放大器采用型运放，可满足设计要求。 第二级交流放大器中，若该级运放也选择，则该级放大器的带宽为： 因此（其中），若第二级交流放大器采用，就不能满足设计要求。 若选用LF347（或），由于LF347的单位增益带宽为4MHz，转换速率。因此第二级的带宽为： 因此，能满足设计的指标要求。由于第二级运算放大器工作在大信号情况下，因此选择运放时，除了要考虑集成运放的增益带宽积外，还要考虑运放的转换速率，

8、要求所选运放的转换速率满足：将，代入上式，可求得，对于LF347集成运放，其转换速率，因此满足设计要求。 （4）选择供电方式在本设计课题中采用正负双电源供电方式。 （5） 计算电阻值根据性能指标要求，输入电阻，第一级放大器的输入电阻既是平衡电阻，也是整个放大器的输入电阻，因此取，由 和，可得：,.对于第二级放大器，取，则，。（6） 计算耦合电容对于交流同相放大器，耦合电容：取标称值，得：C1=1F第一级放大器与第二级放大器之间的耦合电容：其中，Ri2=R2=10k，电容取标称值，得：C2=1F第二级放大器输出端的的耦合电容：取标称值，得：C3=4.7F四.调试方法1 按图2所示连接第一级交流放

9、大器。 Rf1其中，R2是第一级交流放大器的负载，也是 R1 C2第二级交流放大器的输入电阻Ri2，C2是第 A1 uo一级交流放大器与第二级交流放大器之间的 ui C1 R2 耦合电容。 RP1 2从放大器的输入端输入频率为1kHz，幅度Uim=5mV的交流信号，用示波器在放大器 图2 第一级交流放大器的输出端测出输出电压的幅值Uo1m，根据Uim 图中：RP1=20k，R1=22k，Rf1=200k，与Uo1m算出该级电压放大倍数Au1。然后将输 C1=1F，C2=1F，R2=10k入信号的频率改为20Hz，输入信号的幅度保持5mV不变，测出对应的输出电压Uo1m，若Uo1m =0.707

10、 Uo1m， 说明已达到指标要求，若Uo1m 0.707 Uo1m，说明C1、C2的值取得太大，此时应先减小C1的值，同时观察对应的输出电压Uo1m ，然后再改变C2的值，一直调节到Uo1m =0.707 Uo1m。此时第一级放大器就已经调试好了，接着就可以调试第二级放大器。3 按图3所示连接第二级放大器，在第二 Rf2级交流放大器的输入端输入频率为1kHz，幅度 C2 R2 C3 Uim=50mV的交流信号，用示波器在放大器的输 A2 出端测出输出电压的幅值Uo2m，根据Uim与Uo2m RL算出该级电压放大倍数Au2。然后将输入信号的 RP2频率改为20Hz，输入信号的幅度保持不变，测出对

11、应的输出电压Uo2m，若Uo2m =0.707 Uo2m， 图3 第二级交流放大器说明已达到指标要求，若Uo2m 0.707Uo2m，说明C2、C3的值取得太大，此时应先减小C2的值，同时观察对应的输出电压Uo2m ，然后再改变C3的值，一直调节到Uo2m =0.707 Uo2m。此时第二级放大器就已经调试好了。接着就可以将两级放大器连接起来调试。4按图1所示连接两级交流放大器（图中的元件值取：RP1=20k，R1=22k，Rf1=200k，R2=10k，RP2=10k，Rf2=1M，RL=2k，C1、C2，C3取前面调试后的值）从放大器的输入端输入频率为1kHz，幅度Uim=5mV的交流信号

12、，用示波器在放大器的输出端测量输出电压的幅值Uom，根据Uim与Uom算出总的电压放大倍数Au。然后将输入信号的频率改为20Hz，保持输入信号的幅度不变，测出对应的输出电压Uom，若Uom =0.707 Uom，说明已达到指标要求，若Uom 0.707 Uom，可适当减小C1的值，同时观察对应的输出电压Uom ，然后再改变C2与C3的值，一直调节到Uom =0.707 Uom。此时两级放大器就已经调试好了。接着可以进行其它性能的测试。五实验内容 1设计一个交流放大器，性能指标为：中频电压放大倍数：输入电阻： 通频带： ，其中， 最大不失真输出电压：已知负载电阻： 2按照教材中所介绍的方法，设计出满足以上性能指标