多级放大电路的设计报告

..电工电子技术课程设计报告题目：多级放大电路的设计二级学院机械工程学院年级专业14动力本学号1401250029学生姓名周俊指导教师张云莉教师职称讲师目录第一章．基本要求和放电电路的性能指标...........................................................1第二章．概述和任务分析........................................................................................5第三章．电路原理图和电路参数............................................................................6第四章．主要的计算过程........................................................................................9第五章．电路调试运算结果..................................................................................11第六章．总结...........................................................................................................12制作调试步骤及结果......................................................................................12收获和体会......................................................................................................13第七章．误差和分析..............................................................................................14第八章．参考文献..................................................................................................15第一章．基本要求和放电电路的性能指标1.基本要求：用给定的三极管2SC1815<NPN>,2SA1015<PNP>设计多级放大器,已知VCC=+12V,-VEE=-12V,要求设计差分放大器恒流源的射极电流IEQ3=1~1.5mA,第二级放大射极电流IEQ4=2~3mA；差分放大器的单端输入单端输出不是真电压增益至少大于10倍,主放大器的不失真电压增益不小于100倍；双端输入电阻大于10kΩ,输出电阻小于10Ω,并保证输入级和输出级的直流点位为零。设计并仿真实现。2.放电电路的性能指标：第一种是对应于一个幅值已定、频率已定的信号输入时的性能,这是放大电路的基本性能。第二种是对于幅值不变而频率改变的信号输出时的性能。第三种是对应于频率不变而幅值改变的信号输入时的性能。1.1第一种类型的指标：1.放大倍数放大倍数是衡量放大电路放大能力的指标。它定义为输出变化量的幅值与输入变化量的幅值之比,有时也称为增益。虽然放大电路能实现功率的放大,然而在很多场合,人们常常只关心某一单项指标的放大的倍数,比如电压或者电流的放大倍数。由于输出和输入信号都有电压和电流量,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都是正弦信号的有效值。需要注意的是,若输出波形出现明显失真,则此值就失去意义了,因此在输出端要有监视失真的措施〔如用示波器观察波形。其他指标也是如此。2.输入电阻作为一个放大电路,一定要有信号源来提供输入信号。例如扩大机就是利用话筒将声音转成电信号提供放大电路的。放大电路与信号源相连,就要从信号源取电流。取电流的大小表明了放大电路对信号源的影响程度,所以我们定义一个指标,来衡量放大电路对信号源的影响,叫做输入阻抗。当信号频率不是很高时,输入电流QUOTE与输入电压QUOTE基本同相,因此通常用输入电阻来表示。它定义为：〔1-5从图1-1中可见,QUOTE就是向放大电路输入端看进去的等效电阻。QUOTE越大,表明它从信号源取的电流越小,放大电路输入端所得到的电压QUOTE越接近信号电压QUOTE。因此作为测量仪表用的放大电路其QUOTE要大。但是对于晶体管来说,QUOTE大则取电流小,讲减低放大倍数。所以在需要放大倍数大而QUOTE为固定值的情况2.下,晶体管放大电路的QUOTE又以小一些为好。3.输出电阻放大电路讲信号放大后,总要送到某装置区发挥作用。这个装置我们通常称为负载。比如扬声器就是扩大机的负载。当我们在原来的扬声器两端再并联一个扬声器时,它两端的电压讲要下降,这种现象说明向放大电路的输出端看进去有一个等效内阻,通常称为输出电阻,记为QUOTE,如图1-1所示。图1-1求输出电阻QUOTE的等效电路通常测定输出电阻的办法是输入端加正弦波实验信号,测出负载开路时的输出电压QUOTE,再测出接入负载QUOTE时的输出电压QUOTE。则读者可自行证明〔1-6输出电阻越大,表明接入负载后,输出电压的幅值下降越多。因此QUOTE反映了放大电路带负载能力的大小。1.2第二种类型的指标：4.通频带当只改变输入信号的频率时,发现放大电路的放大倍数是随之变化的,输出波形的相位也发生变化。这就需要有一定的指标来反映放大电路对于不同频率的信号的适应能力。一般情况下,放大电路只适用于放大一个特定频率范围的信号,当信号频率太高或太低时,放大倍数都有大幅度的下降,如图1-2所示。3.图1-2放大电路的频率指标当信号频率升高而使放大倍数下降为中频时放大倍数〔记作QUOTE的0.7倍时,这个频率称为上限截止频率,记作QUOTE。同样,使放大倍数下降为QUOTE的0.7倍时的低频信号频率称为下线截止频率,记作QUOTE。我们将QUOTE和QUOTE之间形成的频带称为通频带,记作QUOTE,即〔1-7通频带越宽,表明放大电路对信号频率的适应能力越强。对于收录机、扩大机来说,通频带宽意味着可以将原乐曲中丰富的高、低音都能完美的播放出来。然而有些情况下则希望频带窄,如带通滤波电路等。1.3第三种类型的指标：5.最大输出幅值最大输出幅值指的是当输入信号再增大就会使输出波形的非线性失真系数超过额定数值〔比如10%时的输出幅值。我们以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．最大输出功率与效率最大输出幅值是输出不失真时的单项〔电压和电流指标。此外还应该有一个综合性的指标即最大输出功率。它是输出信号基本不失真的情况下输出的最大功率,记作QUOTE。前面我们说过,输入信号的功率都是很小的,经过放大电路,得到了较大的功率输出。这些多出来的能量石由电源提供的,放大电路只不过是实现4.了有控制的能量转换。既然是能量的转换,就存在转换效率的问题。也就是说,不能只看输出功率的大小,还应该看能量的利用率如何。效率QUOTE定义为〔1-8式中QUOTE为直流电源消耗的功率。7.非线性失真系数由于晶体管等器件都具有非线性的特性,所以当输出幅度大了之后,有时需要讨论它的失真问题。我们在这里定义的非线性失真系数,是指放大电路在某一频率的正弦波输入信号下,输出波形的谐波成分总量和基波成分之比。用QUOTE表示基波和各种谐波的幅值,则失真系数D定义为：〔1-9以上三类指标是以输入信号的幅值的频率来划分的。一般来说,第一类指标多适用于输入为低频小信号时的情况；第二类指标多适用于输入信号幅值小但频率变化范围宽的情况；第三类指标则多适用于低频但输出幅值较大的情况。第二章．概述和任务分析多级放大电路的概述：在我们日常生活和科学研究等工作中,常常会遇到放大电路。这些放大电路的形式不通,性能指标也不同,使用的元器件也不相同,但它们都是用来进行信号的放大,其基本工作原理都是一样的。在这些放大电路中,管放大电路时构成各种复杂电路的基本单元。本文以几个简单的放大电路为例,介绍放大电路的组成原理、工作原理、性能指标及计算方法。由于单级放大电路的放大倍数有限,不能满足实际的需要,因此实5.用的放大电路都是由多级组成的。如图。通常可分为两大部分,即电压放大<小信号放大>和功率放大<大信号放大>,前置级一般跟据信号源是电压源还是电流源来选定,它与中间级主要的作用是放大信号电压。中间级一般都用共发射极电路或组合电路组成。末级要求有一定的输出功率供给负载RL,称为功率放大器,一般由共集电极电路,或互补推挽电路,有时也用变压器耦合放大电路。多级放大电路的放大倍数：第三章.电路原理图和电路参数电路原理图电路参数的选择和计算1.参数的选择：6.电容全部选用10μf,电阻在下列值范围波动：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.计算参数：一级放大电路的静态工作点：；；V；；；；电压放大倍数：QUOTE=;<RL’=RC1//RE2>Au=输入电阻Ri://QUOTE//QUOTEQUOTE=0.43K7.输出电阻Ro:Ro≈QUOTE;Ro≈QUOTE=12k二级放大电路的静态工作点：;V;;;;电压放大倍数:Au=<RL’=RC1//RE2>Au=输入电阻Ri://QUOTE//QUOTERi=0.28K输出电阻Ro:Ro≈Rc1Ro≈Rc1=6k三级放大电路的静态工作点：;;8.;输入电阻Ri://Ri=461K//<1.32+510.25>Ri=0.07K输出电阻Ro:Ro=Re//Ro=14.5k第四章.主要的计算过程直耦式多级放大电路的主要涉及任务是模仿运算放大器OP07的等效内部结构,简化部分电路,采用差分输入,共射放大,互补输出等结构形式,设计出一个电压增益足够高的多级放大器,可对小信号进行不失真的放大。1.输入级电路的输入级是采用NPN型晶体管的恒流源式差动放大电路。差动放大电路在直流放大中零点漂移很小,它常用作多级直流放大电路的前置级,用以放大微笑的直流信号或交流信号。典型的差动放大电路采用的工作组态是双端输入,双端输出。放大电路两边对称,两晶体管型号、特性一致,各对应电阻阻值相同,电路的共模抑制比很高,利于抗干扰。该电路作为多级放大电路的输入级时,采用vi1单端输入,uo1的单端输出的工作组态。计算静态工作点：差动放大电路的双端是对称的,此处令T1,T2的相关射级、集电极电流参数为IEQ1=IEQ2=IEQ,ICQ1=ICQ2=ICQ。设UB1=UB2≈0V,则Ue≈9.-Uon,算出T3的ICQ3,即为2倍的IEQ也等于2倍的ICQ。此处射级采用了工作点稳定电路构成的恒流源电路,此处有个较为简单的确定工作点的方法：因为IC3≈IE3,所以只要确定了IE3就可以了,而,采用ui1单端输入,uo1单端输出时的增益2.主放大级本级放大器采用一级PNP管的共射放大电路。由于本实验电路是采用直接耦合,各级的工作点互相有影响。前级的差分放大电路用的是NPN型晶体管,输出端uo1处的集电极电压Uc1已经被抬得较高,同时也是第二级放大级的基极直流电压,如果放大级继续采用NPN型共射放大电路,则集电极的工作点会被抬得更高,集电极电阻值不好设计,选小了会使放大倍数不够,选大了,则电路可能饱和,电路不能正常放大。对于这种情况,一般采用互补的管型来设计,也就是说第二级的放大电路用PNP型晶体管来设计。这样,当工作在放大状态下,NPN管的集电极电位高于基极点位,而PNP管的集电极电位低于基极电位,互相搭配后可以方便地配置前后级的工作点,保证主放大器工作于最佳的工作点上,设计出不失真的最大放大倍数。采用PNP型晶体管作为中间主放大级并和差分输入级链接的参考电路,其中T4为主放大器,其静态工作点UB4、UE4、UC4由P1、R7、P2决定。差分放大电路和放大电路采用直接耦合,其工作点相互有影响,简单估计方式如下：,〔硅管,由于,相互影响,具体在调试中要仔细确定。此电路中放大级输出增益10.3.输出级电路输出级采用互补对称电路,提高输出动态范围,降低输出电阻。其中T4就是主放大管,其集电极接的D1、D2是为了克服T5、T6互补对称的交越失真。本级电路没有放大倍数。第五章.电路调试运算结果用Multisim仿真设计结果,并调节电路参数以满足性能指标要求。给出所有的仿真结果。电路图如图1所示 图1输入输出端电压测试：输入电压为VPP=4mV,输出电压为VPP=51.5mV得到差分放大器放大倍数大约为12.89倍。放大倍数符合要求。输入电压为VPP=51.5mV,输出电压为VPP=6.75V放大倍数为131.56倍。得到输入电压为VPP=4mV,输出电压为VPP=4.29V,放大倍数计算得到为1062倍。11.第六章.总结制作调试步骤及结果：各级静态工作点测量及调整与输入输出电阻放大倍数测量①第一级：先按图3连接第一级线路,用万用表测得Vbe1＝0.6V,Vce1=5.94V,再接入Us=200mV信号,串联一个Rs=5.1KΩ的电阻,用双踪示波器测得3,由于输出电压与输入电压比值太小,调节R1、Re12,测得,使Au=Ui/Uo=23,然后在输出端接一负载为RL=3KΩ的电阻,测得电阻两端电压UL=1.25V,按输入输出电阻计算可得Ri=15.3KΩ,Ro=5.4KΩ,此时,再测得电路静态工作点为Vbe1＝0.61V,Vce1=3.94V,以及Re12=0.38KΩ,R1=39KΩ.图2②第二级：先按图2连接第二级线路,用万用表测得Vbe2＝0.62V,Vce2=5.78V,再接入Us=200mV信号,串联一个Rs=5.1KΩ的电阻,用双踪示波器测得,由于输出电压与输入电压比值太小,调节R2、Re22,测得,使Au=Ui/Uo=23,然后在输出端接一负载为RL=3KΩ的电阻,测得电阻两端电压UL=1.25V,按输入输出电阻计算可得Ri=15.3KΩ,Ro=5.4KΩ,此时再测得电路静态工作点为Vbe2＝0.59V,Vce2=3.52V,以及Re22=0.085KΩ,R2=24KΩ③第三级：先按图2连接第三级线路,用万用表测得Vbe3＝0.64V,Vce3=5.62V,再接入Us=200mV信号,串联一个Rs=5.1KΩ的电阻,用双踪示波12.器测得,调节R3,测得,然后在输出端接一负载为RL=3KΩ的电阻,测得电阻两端电压UL=190mV,按输入输出电阻计算可得Ri=96.9KΩ,Ro=0,此时,再测得电路静态工作点为Vbe1＝0.63V,Vce1=5.52V.以及R3=192.7KΩ.2.三级开环放大电路输入输出电阻及放大倍数测量如图2接线,不引入反馈,将三级放大电路连接在一起,再接入Us=30mV信号,串联一个Rs=5.1KΩ的电阻,用双踪示波器测得Ui=22mV,然后测得Uo=11.1v,接入负载为RL=3KΩ的电阻,测得电阻两端电压UL=10.9V,此时得到符合技术指标。3.三级闭环放大电路输入输出电阻、放大倍数及反馈电阻测量如图2接线,接入Us=75mV信号,串联一个Rs=5.1KΩ的电阻,用双踪示波器测得Ui=50mV,然后测得Uo=1.55v,接入负载为RL=3KΩ的电阻,测得电阻两端电压UL=1.5V,此时得到Auf=Ui/Uo=31>20,Rif=50.2KΩ>10KΩ,符合技术指标。此时测得4。收获和体会：在此电路中利用了差动放大电路,利用PNP管放大级实现主放大电路,利用互补对称输出电路。可以有效地抑制零点漂移,消除交越失真的影响,设计的多级放大电路,得到放大倍数为1058倍,符