课题设计：二级放大电路的设计与调试

课题设计：放大电路的设计与调试88课题设计要求设计、仿真和安装调试一个放大电路。电路的技术指标如下：电源电压VCC=12V；电压增益Av=40dB；输入电阻Ri'20kQ；最大输出电压VOM（有效值）>1V；频带宽度30Hz~30KHz;负载电阻RL=2k;信号源内阻RS=1k;使用环境温度：-10°C〜+60°C.电路形式构思由于要求增益为100，所以第二级放大电路采用增益比较大的、可用作多级放大电路中间级的三级管共射极电路。而又由于共射极电路电压增益B的数量级介乎于10〜100之间，存在着不确定性，因此第一级放大电路也考虑增益较大的三极管共射极电路、共基极电路场效应管共源极电路与共栅极电路，以此作为双保险。由于要求输入电阻Ri>20k，所以第一级电路考虑输入电阻较高的三极管共集极放大电路以及场效应管的共源极放大电路或共漏极放大电路。又由于使用环境的温度由-10oC延伸至+60oC，温差较大，而三极管电路对温度比较敏感，所以第一级放大电路采用场效应管电路。综合以上要求，共集极电路与共漏极电路增益较低，而共射极电路与共基极电路输入电阻较小，均不予考虑，所以第一级放大电路采用场效应管共源极电路。共源极放大电路与共射极放大电路的通频带宽度比较宽，通过调试可是频带宽度符合30Hz〜30KHz的要求。为了使电路结构简单，调试方便，且尽量减少温度对电路的影响，共射极电路采用射极偏置电路，共源极电路采用分压器自偏压电路。电路原理图VCCVCC电路元件参数的理论分析与设计步骤Ri=Rg3+(Rgl//Rg2),取Rg3=lMQ，满足Ri20kQ；共射极电路静态工作点的计算：为使射极偏置电路发挥更好的负反馈作用，应使VE=1V,有，VE=IEXRe^ICXRe=1V 式(1)又，Av=—Bx(Rc//Rl)/丁100，其中rbe=200+(1+B)26mv/IE=200+(1+B)26mv/Ic代入上式得，Av=—BX(Rc//Rl)/[200+(1+B)26mv/Ic]=100 式(2)B=67，为了计算方便,B=50代入上式，对于三极管的VCE有，Vceq=Vcc—Ve—ICRCVceq=Vcc—Ve—ICRC=Vcc—1—ICRC=11—ICRC 式(3)根据以下输出特性及直流交流负载线图，32123—lOOuA加nAeouA4QuAAChad□Cload式(4)Re=0.502kQ Rc=2.354kQ为使最大不失真电压最大式(4)Re=0.502kQ Rc=2.354kQVCE—1=ICX(Rc//RL)联立式(1)、(2)、(3)、(4)，得，VCE=6.313V IC=1.991mACE C由于射极偏置电路的分压作用,有Vcc*Rb1/(Rb1+Rb2)-0.7=V=1E得Rb2/Rb1~6.05,取Rb1=20k,Rb2=100k.共源极电路静态工作点的计算：假设场效应管的IDSs=0.5mA,Vp=-1V，iD=IDSS(1-vGS/Vp)2vGS=-[iDR-Rg2VDD/(Rg1+Rg2)]解得iD=4mA,vGS=-0.11V。vds=Vdd-【d(Rd+R)=°.4V，0°。由于gm值一般会根据静态工作点的不同而有不同的值，测得在此时静态工作点下的gm值为1.4mS。在第二级共射极电路中，rb=200+(1+B)26mV/Ie=0.61kQbeRt=Rb1//Rb2//rb=100//20//0.61~0.57kQL beAv'二-gm(Rd//R)/(1+gmR)~1.01

仿真调试按计算电阻值和上面的实验原理图画出电路图仿真时发现静态与计算结果比较吻合，但增益稍微偏大，于是修改Rb2为100k，则静态有些改动，但增益=100。改后静态如下：Rg230k1.488mA©VOFF=OmVVAMPL=5mVRg110kFREQ=11Megd.4&8m10.51VRg230k1.488mA©VOFF=OmVVAMPL=5mVRg110kFREQ=11Megd.4&8m10.51V以下是频率响应曲线下限频率：：-■■：I-II-II--；1■:以下是频率响应曲线下限频率：：-■■：I-II-II--；1■:ii7^iHF'-.k-T'-Ili；：n--II-11-Frequency.u -：.37db处对应的是下限频率，发现下限频率稍大于3.55kHz,需调小。上限频率图：上限频率也太大，接近900kHz,也需调小。以下是调整下限频率的过程：由于放大电路的低频响应主要取决于外接的电容器，如隔直（耦合）电容和射极旁路电容，而Ce是决定共射电路低频响应的主要因素，于是根据书上的计算公式（133页），C1改为5u,C2改为33u,C3改为5u,Ce改为300u，则满足要求得到以下的下限频率：37db对应的是下限，达到30Hz

以下是调整上限频率的过程：由于上限太大，考虑在电路加上一个低通滤波电路：如图由fH=1/2nRC，且考虑不影响增益的情况下，应将Rj,C4选小一点的值，根据计算公式和仿真时的调整，参数如上图，则修改后的上限频率为：（如图）35.DFrequBnc^.25D30kHz(AjmodiankEtishejia-SCI-EMA'TICI-rnodiandelishejrfoC(active)2135.DFrequBnc^.25D30kHz(AjmodiankEtishejia-SCI-EMA'TICI-rnodiandelishejrfoC(active)217S.DKMz口DEi|V2卩炉⑪37db处对应上限为30kHz

经仿真调整后的电路及其静态如下图：iEJ290.■-1k冏斗Em?402m.Alli.Off27.46u,lo.savj1.411卜1.41ImF2.402mA5O.OOSu「I日iEJ290.■-1k冏斗Em?402m.Alli.Off27.46u,lo.savj1.411卜1.41ImF2.402mA5O.OOSu「I日3m12.821无'％5inVacavdc02N222212Vdc300u温度响应频率曲线图，每条曲线分别相差10OC,由-10弋〜+60。。可以看出电路有很好的温度稳定性。输出波形温度响应曲线图设计结论放大电路决定第一级使用场效应管共源极分压器式自偏压电路，场效应管型号为k163，三极管型号为3DG6。为了调整频率，在电路上加上一个低通滤波电路。输入电阻？实验调整1、 用晶体管特性图示仪测量三极管育场效应管参数三极管B=85.7场效应管IDSS=0.54mA，Vp=-1V2、 根据预先设计好的电路，在面包板上插好元件和接好连线。3、 将输入端短路，测量静态工作点。ic=2.98mA Vce=4VVbe=0.67Vib~Oid=3.8mA Vds=0.48VVgs=0.02Vig~O各管工作在放大区4、 在输入端接入5mV,lkHz的正弦信号，接入示波器观察输出波形。参数调整：为了方便调试，将Rgl换为47kQ的可调电阻，将Rbl换为Rbl=20kQ与Rw2=100MQ可调电阻串联的电阻。实验过程中发现输出很小，原因是电容C'偏大使交流电流不能通过，将C'由0.02改为220p的电容。再次观察示波器发现输出波形下半段显得很尖，上半段显得很平，发现原因是由于Rb1太大，导致波形出现了截止失真，将Rbl改为lkQ保留在电路中起保护电路的作用。调节可调电阻Rg1与Rw2，使增益为100。此时Vi=5.5mV,Vo=0.55V,Av=100。接入交流毫伏表，调节输入电压，观察输出波形，得出最大不失真输出电压有效值为1.28V。符合最大输出电压VOM(有效值)1V的要求。计算输入电阻Ri、输出电阻Ro：应该测量。V,=0.53V，V2=0.48V，Ri=V2R/(V,-V2)~1.2MQ12212Vo'=0.52V，Vo=0.98V,Ro=(Vo/VO'-1)RL=1.84kQ调整Vi=5mV不变，改变信号频率，确定上限频率fH下限频率fL和带宽BW。上限频率fH=31kHz，下限频率fL=42.6Hz，带宽BW^30kHz，大概符合频带宽度30Hz~30kHz的要求。收获与体会每次做模拟电子电路的实验都是一次大工程，我最大的收获就是一定要坚持到最后，才有可能完成这每一个艰巨的实验。从设计开始，到之后的仿真、实验每一步都需要细心与韧性。这次设计一共去了实验室做了三次调试与修改，每一次在面包板上插装电路都出现了不应该有的错误：第一次是将一个电阻的两端都接了地，导致直流电源也接了地，而没有输出波形；第二次是并联电容C'过大也导致了没有输出波形；第三次将三极管发射极与集电极两端电路接反也使示波器上波形失真严重。在修改电路的过程中，我也认识到了与别人合作的重要性，若没有老师们耐心的指导与同学们热心的帮助，要完成设计与实验调试实在是非常困难。而在仿真调整与实验调试当中，我发现理论与实际需要相联系，很好！就好像在第二次实验当中，我多次检查电路都检查不出问题，后来是老师指出了玄机，并联电容太大对于交流电路不能够忽略，这点其实老师在课上也有说过，可是在实验过程中电容值的大小就被忽略了。而电容对于上下限频率有调节的作用，实在是应当予以重视。而若要再设计实验，我得到的经验是一定要考虑所有的条件，就像这一次实验选则晶体管，就是因为温度跨度太大，而温度也是一个不可或缺的条件，因而选择场效应管。这一次的设计电路实在是一个难忘的体验。电子