负反馈放大电路的设计与制作

信息工程系课程设计报告设计任务与要求后容咽求油要時标和指曲印谊名妣计打唠好r设并,B越蝕・•跖听一路试桁务r书合电调分任••4口告可选装须计求肢肢图所安必设要11羽两3易4技术指导%\_y直一一财壬fW牛U(。则rO寸/#0Q0若5W一一<土S广t?20EQ人变or犷-n-G3>v效人效元-1R阻有路OH源徴电W电=3fr10入>一当/单输〃。:•Z.亠亠」::::-八垄山：^^-定频电源要要稳作作号入出作匚匚信输输匚123456目录、摘要二、设计任务及要求 4三、负反馈放大电路设计的一般原则TOC\o"1-5"\h\z（1）反馈方式的选择 4\o"CurrentDocument"（2）放大管得选择 5（3）级数的选择 6（4）电路的确定 6四、设计过程（1）确定方案 7\o"CurrentDocument"（2）电路参数的计算 9（3）计算技术指标 13五、调试要点负反馈放大电路的设计与制作摘要本文是负反馈放大电路的设计，而设计需要根据技术指标及要求来确定放大电路的结构、级数和电路元件参数及型号等，此次要求电路的输入电阻高输出电阻小，稳定性要好，频带宽度适中，尽量小的失真等等...。因而我们会根据这些要求，一一计算出技术指标和元件的参数，确定反馈类型，选取三种预选方案，通过比较选择符合要求，我们最终选择了方案一，经过布线、焊接、调试等工作后负反馈放大电路设计制作成功。关键词：负反馈放大电路电路设计电路制作一、设计任务及要求用分离元器件设计一个交流放大电路，用于指示仪表放大弱信号，具体指标如下：（1）工作频率：f-30Hz~30kHz。（2） 信号源：U=10mV（有效值）内阻R广500。（3） 输出要求：U0-1V（有效值），输出电阻小于100，输出电流1卢1mA（有效值）。（4） 输入要求：输入电阻大于20K0。工作稳定性：当电路元器件改变时，若<1%Am频带宽度：BW=30〜600处二、设计原理框图及基本公式反馈放大电路的组成图中X表示电压或电流信号；箭头表示信号传输的方向；符号Q表示输入求和，+、-表示输入信号盂与反馈信号是相减关系(负反馈)，即放大电路的净输入信号为TOC\o"1-5"\h\z亀=益一盂 (1)基本放大电路的增益(开环增益)为花盂/血 (2)反馈系数为花文J江 (3)负反馈放大电路的增益(闭环增益)为(4)三、负反馈放大电路设计的一般原则1、反馈方式的选择采用什么反馈方式，主要根据负载的要求及信号源内阻的情况来考虑。在负载变化的情况下，要求放大电路定压输出时，就需要采用电压负反馈;在负载变化情况下，要求放大电路衡量输出时，就要采用电流负反馈。至于输入端采用串联还是并联方式，主要根据对放大电路输入电阻的要求而定。当要求放大电路具有高的输入电阻时，宜采用串联反馈;当要求放大电路具有低输入电阻时，宜采用并联反馈。如仅仅为了提高输入电阻，降低输出电阻（即阻抗变换）时，宜采用射极输出器。反馈深度主要根据放大电路的用途及指标要求而定。对音频放大电路，主要是用负反馈减小非线性失真，设计时一般取1+AF=10左右。对测量仪表中使用的放大电路，要求放大倍数要有较高的稳定度，而采用负反馈的目的主要是提高放大倍数的稳定度，因此根据不同的要求可取1+AF为几十几百。对高放大倍数宽频带放大电路，采用负反馈的目的主要是展宽频带，这时采用多级放大加深容易产生自激，且在幅频特性的高、底频段易产生凸起的现象。因此首先要保证每一级有足够宽的频带，入在两级之间采用低输入电阻的接法（例如共射一共基的形式）去解决2、放大管得选择如果放大电路的级数多，而输入信号很弱时（微伏级），必须考虑输入级放大管得噪声所产生的影响，为此前置放大级因选用低噪声的管子。当要求放大电路的频带很宽时，应选用截止频率fT较高的管子。从集电极损耗的角度出发，由前级放大的输出变小，可选用Pcm小的管子，其静态工作点也要选得低一些（//J、），这样可以减小噪声；但对输出级而言，因其输出电压和输出电流都较大，故需选用PCM大得管子。3、 级数的选择放大电路级数可根据无反馈时的放大倍数而定，而此放大倍数又要根据所要求的闭环放大倍数和反馈深度而定，因此设计时首先根据技术指标确定出它的闭环放大倍数Af及反馈深度1AF，然而确定所需的Af，确定了A的数值，放大电路级数大致可以用下列原则来确定：几十至百倍左右采用一级或两级，几百至几千倍左右采用两级或三级，几千倍以上采用级或四级（射级输出器不计，因其A约为1）。一般情况下很少采用四级以上，应为这将给施加反馈后的补偿工作带来很大的困难，但如反馈只加在每两级之间也是可以的。4、 电路的确定根据不同要求，放大电路中各级所选用的电路也是吧不同的。（1）输入级。输入级采用什么电路主要决定于信号源的特点。如果信号源不允许取较大的电流，则输入级应具有高的输入电阻，那么以采用射级输出器为宜，如要求有较高的输入电阻（［>IM。），可采用场效应管，并采用自举电路或多级串联负反馈放大电路。如信号源要求放大电路具有低的输入电阻，则可用电压并联反馈放大电路。如果无特殊要求，可选用一般的共射放大电路。输入级放大管的静态工资点一般取IE9诬，UCE=（1〜2）V。（2） 中间级。中间级只要是积累电压及电流放大倍数，多采用共射反大电路，而且选用0大的管子。其静态工作点一般为I=（1〜3）mA,U=（2〜5）VCE（3） 输出级。输出级采用什么电路主要决定于负载要求。如负载电阻较大（几千欧左右），而且主要是输出电压，则可用共射放大电路；反之，如负载为低阻，且在较大范围内变化时，则射级输出器。如果负载需要阻抗匹配，可用变压器输出。因输出级的电压和输出电流都较大，其静态工作点的选择要比较中间级为高，具体数值要视输出电压和输出电流的大小而定。四、设计方案及选定方案一采用三个NPN型三级管放大（1） 该设计采用电压串联负反馈（2） 第一级采用局部电流负反馈，所需反馈深度为：1+AF二Zf，从放ri大性能稳定度确定反馈深度，1+af二山」-,估算A值根据指标的AA/Aufuf要求，计算电路闭环放大倍数：A>UfUi

在R和R不加旁路电容以便引入局部负反馈以稳定每-f1 f2级的放大倍数放大管的选择：因设计中前两级放大对管子无特别要求，统根据以上分析确定电路图输出到输入级的反馈是从的射级反馈到的射级组成电压串联负反馈的形式方案二该设计采用集成运算放大器1）本方案采用差分放大电路原理与集成运算放大结合在一起形成电压串联负反馈放大电路（2）反馈元件R，起到反馈作用，将集成运算放大F器的输出电压反馈到T2的基级。（3） 估算A值根据指标的要求，计算电路闭环放大倍数:AV-Fvi（4） 根据设计要求确定电路电路元件的各种参数方案三方案三为一三级负反馈放大电路，信号从输入级经电容耦合后由第一个共发射极的三极管放大，并从集电极输出，经电容耦合后作为下一级的输入信号。第二级放大电路同样也是从集电极输出信号，同时形成电流并联负反馈作用与第一级放大电路的输入端。从第二级放大电路输出的信号经电容耦合后输入第三级共集电极的放大电路，放大后从发射极经电容耦合后输出。同时形成电流串联负反馈。因为基极与集电极，基极与发射间有电阻所以该电路的优点是各级放大电路的静态工作点相互独立，能很好的稳定电路且输入电阻大，放大倍数高。缺点是不能放大变化缓慢的信号，输出电阻很可能达不到要求。方案比较在以上三个方案中比较选择一个最终确定方案方案二与方案一比较:方案二采用了集成运算放大器,与差分放大电路,经过数据分析达到指标要求,但与方案一相比,方案一在实验室更易实现（集成运算放大器不仅价格贵,在实验中易损坏），而方案二缺点是各静态工作点不能相互独立，不能保证输出稳定。方案三放大变化缓慢的信号。通过以上比较最终确定采用方案一。五、方案一设计过程1、确实方案参数（1）确实反馈深度。从所给的指标来看，设计中需要解决的主要是输出电阻、输入电阻及对放大性能稳定的要求等三个问题。由于要求输出电阻较低，故输出级采用射级输出器，但它的输出的电阻大致欧。为几十欧，应此需要引入一定程度的电压负反馈才能达到指标要求。设射级输出器的输出电阻为100。，则所需反馈深度为r1001+AF=—^= =10r 100f另外，还要考虑输入电阻和放大性能的稳定性对反馈深度的要求，才能最后确定反馈深度的大小。由于放大电路的输入电阻指标为20k。，此数值不是很高，故可以采用电压串联负反馈的方式来实现。假定无反馈时，基本放大电路的输入电阻为ri=25心（第一级可采用局部电流负反馈），则所需的反馈深度为r201+AF=存= =8r2.5i最后从放大性能稳定度也可以确定出所需反馈深度为AA/A_10_in1+AF—uouo— —10AA/A1

ufuf综上所述，在设计放大电路时所需反馈深度为10，故取1+AF=102)估算A值。根据指标要求，放大电路的闭环放大倍数应为A,U-亠-100

fU 100mVi由此可以求出A>(1+AF)A—10x100—1000f因输出级才用了射级输入器，其电压放大倍数接近1，故所需用两级共射放大才能达到1000倍。考虑到仪表对放大电路稳定性能要求较高，故采用典型的两级直接耦合双管放大单元，如图6.43所示。其中RF1和Rf2不加旁路电容式为了引入局部负反馈以稳定每一级的放大倍数。R和C4是去耦电路,用以消弱由于电源存在内阻而在瞧3出现的电压波动，使它尽可能少传到-C1。(3)放大管得的选择。由于VT3需要输出电流的最大值ILM—巨I广ZmA,为了保证不失真，要求「>2Ilm,因此它的射级电流IE3>2x1-4mA〜3mA，故选用小功率管3DG100即可，其参数如下：I—20mA,U —45V,P—100mW。CM (BR)CEO CM因前两级放大对管子无特殊要求，为了统一起见,均采用3DG100。根据以上考虑，初步电路如原理图所示。输出级到输入级的负反馈是从乞的射级反馈到VT1的射级，组成电压串联负反馈的形式。电路参数的计算首先要初步确定出给级的电压放大倍数，然后才能根据它们来计算出各级的电路参数。前面已经指出双管放大单元的电压放大倍数应满足AuiAu2'1000，那么，如何分配Aul及Au2呢？邮电路结构可知，为了使放大电路的输入阻抗高，工作性能稳定，在第1级和第2级中都串入了Rf1和Rf2以便实现局部负反馈作用，因此它们的电压放大倍数都不会很高。各级的电压放大倍数可初步分配为Aui〜3°，Au2〜40,Au3〜1，这样总的电压放大倍数Au〜30x40X1=1200，略大于1000（多出的数值是为了留一定的余量）。（1）输出级的计算。由于输出电压U0=1V（有效值），输出电流1mA（有效值），故负载电阻R=Uo二1KQLIO确定VCC和Re3。在射级输出器中，一般根据Re-d~2）RL来选择re，取系数为2,则R=2R=2kQ,R=R//R=6670E3 L LE3L在图6.44中，取Icmn=1mA，Ucmin=1V，可以求出I=I+ULR=1 =3.12mAE3CminR 0.667LVCCmin=UCmin+L+・-1++ 2=&64V式中，「是输出负载电压峰值。为了留有余量取Ie3=3-5mA,Jc=12V；由此可以求出U=IR=3.5X2=7VE3E3E3确定Rb31及Rb32。为了计算Rb31及Rb32，首先要求出J及，由图6.44可知，UB3=UE3+UBE3=7+0.7=7-7V 。选用03=50的管子，则

I3.5I二-C3二 二0.07mA二70uAB3 B503选用Irb=(5~10)IB3显°.35〜0・7mA,为了提高本级输入电阻,取0.35mA，则得R=U/1=7.7/0.35=2KGB3B3RBR=(V—U)/1=(12—7.7)/0.35=12.3K0B32CCB3RB取RB32=13尬，由此可以求出输出级对第2级的等效负载电阻约为R=r=R//R〃(1+0)R=13//22//(51x0.67)沁6.6KQL2 i3 B32 B31 3L式中忽略了13的影响。③确定C3及C2。由于有三级电容耦合，根据多级放大器下限截止频率的计算公式f=I」'：f2+f2+f2L 'LI L2 L3假设没级下限频率相同，则各级的下限频率为为了留有余地，忽略第2级输出电阻(因尚未标出)，则C二(3-10) -二(4.82~16.1)X16—F二(4.82~16.1)uF2 2兀xfxRL L2因此，可选用10uF点解电容器。同理，忽略射级输出器的输出电阻，则二(3-10)2二(3-10)2兀xfxRLL=(31.8〜106.2)x16-6F二(31.8〜106.2)uF因此，可选用100uF电解电容。双管放大单元电路的计算;①确定第2级的电路参数。为了稳定放大倍数，在电路中引入rF2，如图6.45所示，一般取几欧至几百欧。由于希望这一级的电压放大倍数大些，故取较小(放大单元电路图)的RF2=51。，由此可以求出这级的电压放大倍数为:be2丄•rr cbe2丄•rr c2be21u・rr c2be2111+B1+——^2. r・rF21+—・rr f2P-R2c2r+(1+忙)R2F2be2 be2则选IE2=1mA，且B广50，TOC\o"1-5"\h\zTJ 0Ar二r+(1+B)件二300+(50+1)-6沁1.63KQ

be2 bb2 2/ /E2 E2又由于预先规定了Au2=4°，Rf2=51°，代入Au2的公式则得“ 30.6R40二 C2 1+30.6-0.051由此可以解得Rc2=3-35kQ。再利用Rc2=Rc2〃Rl2代入Rl广6曲，3.35二6.6x3.35二6.6+RC2由此可以求出R由此可以求出Rc2=6.8kQ选U选UCE2=3V，ZC2=1mA，则由VCC=ZC(RC2+RF2+RE2)+UCE2可得12=1x(6.8+0.051+R)+3E2由此可以求出RE2=2・15k。，取化=2.2k。第2级的输入电阻可以计算如下

r=r+(1+0)R=1.63+51x0.051=4.23KQi2 be2 2F2确定第1级的电路参数。电路如图所示。、、RC111+RC111+匹)•Rrf1丿be1阻值一致以减少元器件的种类，取rf1=51°，代入A=30，可得u1A0・0〜0A= + u卜u1r+(1+0)Rr

be1 1 F1 be1为了获得高输入电阻，而且希望Au1也不要太小，并与第2级的RC1=''KG,再利用RC1=RC1〃r.2，求出RC1=15kQ为了计算R为了计算RE1，选UE11V，则有得出E1I(R+R)=1E1 F1 E1得出E1I(R+R)=1E1 F1 E1-R=丄-0.05=1.95KGF1 0.5E1选rei为2kQ。为了求Rb1，可先求=仃=05=10uAB1 0 501由此可得R 二一R 二一E2 B1B1IB12.2x1-（1+0.7）0.01选51KQ。为了确定去耦电阻R，需先求出U=R+1xR+U=2.95VC1E2E2F2BE21 „r+R——<<R+■① F2 PL2再利用UC广VCC-IC1(R1+RC1),可求得R广3•曲，取R为3.32。为了减少元件种类，9选10uF,1 „r+R——<<R+■① F2 PL2电容。—<<R//PR电容。有下限频率®L可以验证迅 B1F1,⑶反馈元器件Rf3及^的计算。由于1+AF=10，又已知A=1000。则F=0.9%。再利用R F R+RF F3可求出Rf3=5・5kQ，选5.1kO。C4选用10uF电容器，可以验证oCoCL4<<R13、核算技术指标确定放大管得静态工作点及电路元件后，放大电路的各项技术指标是否能满足要求，尚需进行最后的核算。(1)核算Au：①核算射级输出器的电压放大倍数。射级输出器的电压放大倍数可用下式求得彳 （1+P）R'A= 3L-u3r+（1+P）R'be3 3L

式中，Rl沁RR//R//(R+R)=2//1//5.1沁0.59式中，RlLE3 L F3 F1rbe3-300+(1+03)半-300+51H-67心680。E3因此得Au3〜册—0.978②核算第2级电压放大倍数第2级电压放大倍数由用下式求得A-u20R' 0[R //R//R//r]2C2 因此得Au3〜册—0.978②核算第2级电压放大倍数第2级电压放大倍数由用下式求得A-u20R' 0[R //R//R//r]2C2 2 C2 B31 B32 i3r+(1+0)R r+(1+0)Rbe2 2F2 be2 2F2式中r-r+(1+0)R-0.68+(1+50)x0.59«30.7k。i3 be3 3Lr=1.63kQbe2因此可得_50x(6.7//13//22//30・7)_2。1A— —39.1u2 1.63+(1+50)X0.051③核算第1级电压放大器放大倍数第1级电压放大倍数用下式求得A 卩R' 卩(R//r)u1 r+(1+0)R'r+(1+0)R'be1 1 F1 be1式中R-R//R沁51。r-2.96kQF1 F1 F3 e1ri2—4.23k。，因此可得50(15//4.23)A—U12.96+(1+50)X0.051二29.7因此可求出A—AAA—29.7x39.1x0.978—1136>1000u u1u2u3这说明放大电路元器件的选择是合适的。(2)核算输出电阻。放大电路开环时的输入电阻为r-R//reb3+(RC2〃R32〃R丿//R-2//06皿竺竺//5.1—81。o E3 1+0 F331+50故得■oof1■oof1+AF1081二8.10因此可满足要求。核算输入电阻。放大电路开环时的输入电阻为r=R//ri B1 i1式中r=r+(1+p1)x(R//R)=2.96+(1+50)x0.051=5.56k0 因此i1 be1 F1 F3可求出闭环时的输入电阻为r=r(1+AF)=5.55x10=55.5kOi1.fi1因此，总输入电阻为r=rnf〃RB1=55.5〃51=26.6k0>20kQ，可满足要求。核算放大电路是否稳定，可以判断本例电路不会产生震荡以上电路是利用分离元件构成的负反馈放大电路，当上限截止频率不高时(一般几百千赫一下)，也可以利用通用集成运算放大器实现(如图)。六、实际制板操作①印制电路的设计与制作②按一比一的比例绘出电路图（宽80mm、高70mm）标出尺寸（见附录）单面敷铜板下料并打磨边框在敷铜面复制电路。用钢板尺和木工刀雕刻电路。在钻场上钻出=0.8mm的通孔。去氧化层涂助焊剂元器件的识别与参数的测量及引脚的成形。元件的装插（首环在左边）。焊接按五步法焊接1、 烙铁头紧靠焊接头2、 喂锡要饱和3、 侵润一秒4、 去烙铁，整理（3—5秒）。5、 形成合金。七、电路的测量与组成：静态调试与设置，通上12V电压后分别测量Vcc的电路，根据数据所示电路VAVBVCVDVE电压（V）12左右10.2左右1左右1~27~8（1）、Vc、Vc波形测量加入偏置电流，用测量Y,的波形，用毫伏表测量出Y,匕的大小，令丫=10mVf-1kHz。

(2)、输入电阻的测量。在放大器并联24欧姆的电阻，频率不变，测出Ui•则R=I.RifVss⑶、Rof的测量。V=10mV,f不变，测量V，断开R1测量出VOC。V-VRof=oc o・RVO⑷、%测量保持V-=10mV不变，让f从1000Hz下降