低頻放大電路的設(shè)計與分析

1、塔里木大學信息工程學院課程設(shè)計目錄前言1工程概況11實驗?zāi)康暮鸵饬x22目標與總體方案 l23設(shè)計方法和內(nèi)容 Ø23.1電路圖設(shè)計33.2 電路元件參數(shù)設(shè)計與相關(guān)計算過程：43.2.1 確定D43.2.2 確定Re1、RF43.2.3 設(shè)計Rc1、Rc2、ICQ1、ICQ243.3Ø 元件參數(shù)驗算53.4電路仿真53.4.1 放大倍數(shù)仿真測量63.4.2 輸入阻抗測量73.4.3 輸出阻抗測73.4.4輸入輸出與圖形對比94設(shè)計創(chuàng)新與關(guān)鍵技術(shù)104.1電路設(shè)計與圖形分析104.1.1 元器件選取以及測量：104.1.2連接電路：114.1.3初步測量：114.1.4 調(diào)節(jié)Q點

2、以及測量閉環(huán)增益Auf：114.1.5 測量輸出電阻Rof：124.1.6 測量輸入電阻Rif：124.1.7 測量上下限頻率fl和fH：124.2結(jié)果分析與問題總結(jié)124.2.1 放大電路的增益：124.2.2 輸出電阻的測量：124.2.3輸入電阻的測量：135.結(jié)論13致謝13參考文獻14前言功率放大器在家電、數(shù)碼產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越廣泛，與我們?nèi)粘Ｉ钣兄芮嘘P(guān)系。隨著生活水平的提高，人們越來越注重視覺，音質(zhì)的享受。在大多數(shù)情況下，增強系統(tǒng)性能，如更好的聲音效果，是促使消費者購買產(chǎn)品的一個重要因素。低頻功率放大器作為音響等電子設(shè)備的后即放大電路，它的主要作用是將前級的音頻信號進行功率放大

3、以推動負載工作，獲得良好的聲音效果。同時低頻放大器又是音響等電聲設(shè)備消耗電源能量的主要部分。因此設(shè)計出實用、簡潔、低價格的低頻功率放大器是一個發(fā)展方向。功率放大器隨著科技的進步是不斷發(fā)展的，從最初的電子管功率放大器到現(xiàn)在的集成功率放大器，功率放大器經(jīng)歷了幾個不同的發(fā)展階段：電子管功放、晶體管功放、 集成功放。功放按不同的分類方法可分為不同的類型，按所用的放大器件分類，可分為電子管式放大器、晶體管式功率放大器（包括場效應(yīng)管功率放大器）和集成電路功率放大器（包括厚膜集成功率放大器），目前以晶體管和集成電路式功率放大器為主，電子管功率放大器也占有一席之地。電子管功率放大器俗稱膽機，電子管功放的生產(chǎn)工

4、藝相當成熟，產(chǎn)品的穩(wěn)定性很高，而離散性極小，特別是它的工作機理決定了它的音色十分溫柔，富有人情味，因而成為重要的音響電路形式。電子管電路的設(shè)計、安裝、調(diào)試都比較簡單，期缺點是輸出變壓器、電源變壓器的繞制工藝稍麻煩，耗電大、體積大、有一定的使用期限。因此在實際使用中有一定的局限性?，F(xiàn)在大功率晶體管種類很多，優(yōu)質(zhì)功放電路也層出不窮，因此晶體管功率放大器是應(yīng)用最廣泛的形式。人們研制出許多優(yōu)質(zhì)新型電路使功放的諧波失真，很容易減少到0.05%以下。場效應(yīng)管是一種很有潛力的功率放大器件，它具有噪聲小、動態(tài)范圍大、負溫度特性等特點 ，音色和電子管相似，保護電路簡單。場效應(yīng)管生產(chǎn)技術(shù)還在不斷發(fā)展，場效應(yīng)管放大

5、器將有更為強大的生命力。由于集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，集成電路功率放大器也大量涌現(xiàn)出來，其工藝和指標都達到了很高水平，它的突出特點是體積小、電路簡單、性能優(yōu)越、保護功能齊全等。 由于在很多情況下主機的額定輸出功率不能勝任帶動整個音響系統(tǒng)的任務(wù)，這時就要在主機和播放設(shè)備之間加裝功率放大器來補充所需的功率缺口，而功率放大器在整個音響系統(tǒng)中起到了“組織、協(xié)調(diào)”的樞紐作用，在某種程度上主宰著整個系統(tǒng)能否提供良好的音質(zhì)輸出?，F(xiàn)今功率放大器不僅僅是消費產(chǎn)品(音響) 中不可缺少的設(shè)備,還廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)中。前置放大級主要任務(wù)是完成小信號電壓放大任務(wù)，同時要求低噪聲、低溫漂。電路系統(tǒng)設(shè)計簡潔、實用并

6、且達到高增益、高保真、高效率、低噪聲、寬頻帶、快響應(yīng)的指標。工程概況本次課程設(shè)計的主題是采用Mutisim 10.0軟件仿真實現(xiàn)低頻放大電路的仿真與分析。首先要求對Mutisim 10.0軟件有著較為深入地了解和認識，掌握一些Mutisim 10.0軟件的基本用法。例如：用Mutisim 10.0軟件實現(xiàn)電路的設(shè)計與結(jié)果分析等等。同時利用軟Mutisim 10.0軟件也能對書本上的知識進行驗證，與書本上的講解進行對照分析和比較。本次課程設(shè)計要求的技術(shù)對我們通信的學習起著很大的作用。低頻放大電路的設(shè)計與分析1實驗?zāi)康暮鸵饬x A、 掌握多級放大電路的靜態(tài)工作點的調(diào)試方法； B、 掌握多級放大電路的

7、電壓放大倍數(shù)，輸入電阻，輸出電阻的測試方法； C、 掌握負反饋對放大電路動態(tài)參數(shù)的影響； D、 提高電路設(shè)計與制作能力，培養(yǎng)動手能力，將理論運用于實際； 2目標與總體方案 l 基本放大電路一般是指有一個三級管和場效應(yīng)管組成的放大電路。放大電路的功能是利用晶體管的控制作用，把輸入的微弱電信號不失真的放到所需的數(shù)值，實現(xiàn)將直流電源的能量部分的轉(zhuǎn)化為按輸入信號規(guī)律變化且有較大能量的輸出信號。放大電路的實質(zhì)，是用較小的能量去控制較大能量轉(zhuǎn)換的一種能量裝換裝置。 利用晶體管的以小控大作用 ，電子技術(shù)中以晶體管為核心元件可組成各種形式的放大電路。其中基本放大電路共有三種組態(tài)：共發(fā)射極放大電路、共集電極放大

8、電路和共基極放大電路考慮到該電路放大倍數(shù)要求較高，并實驗要求采用分離元件的三極管來完 成，故首先考慮到使用多級共射放大電路，但級數(shù)過多會影響輸出反饋信號的相移，電路容易自激，最后折中處理，本實驗實際采用兩級共射放大； l 多級放大電路，由于各級之間參數(shù)會相互影響，若采用直接耦合，則對于 靜態(tài)工作點的調(diào)節(jié)要求很高，故采用阻容耦合方式； l 為了穩(wěn)定電路，穩(wěn)定輸出電壓，提高輸入電阻，擬采用深度負反饋，并最 終設(shè)計為級間電壓串聯(lián)負反饋； 3設(shè)計方法和內(nèi)容 Ø 放大電路（amplification circuit）能夠?qū)⒁粋€微弱的交流小信號（疊加在直流工作點上），通過一個裝置，得到一個波形相

9、似（不失真），但幅值卻大很多的交流大信號的輸出。放大電路本身的特點：一、有靜態(tài)和動態(tài)兩種工作狀態(tài)，所以有時往往要畫出它的直流通路和交流通路才能進行分析；二、電路往往加有負反饋，這種反饋有時在本級內(nèi)，有時是從后級反饋到前級，所以在分析這一級時還要能“瞻前顧后”。在弄通每一級的原理之后就可以把整個電路串通起來進行全面綜合。實際的放大電路通常是由信號源、晶體三極管構(gòu)成的放大器及負載組成。共射放大電路既能放大電流又能放大電壓，常作為低頻放大電路的單元電路，通過R1R2 來調(diào)節(jié)靜態(tài)工作點和提供偏置，利用Re的直流負反饋作用，來穩(wěn)定靜態(tài)工作點，利用晶體管的電流放大作用，通過RC轉(zhuǎn)換成電壓的變化，從而實現(xiàn)電

10、壓的放大輸出。設(shè)計原理圖如圖1.1所示。(a) 雙電源的單管共發(fā)射極放大電路 (b) 單電源的單管共發(fā)射極放大電路參數(shù)要求：在f=1KHZ 時，電壓增益>100 ；輸入電阻 > 100K ；輸出電阻 < 1K；輸出動態(tài)范圍盡可能的大。Vcc 為12V；>80.3.1電路圖設(shè)計3.2 電路元件參數(shù)設(shè)計與相關(guān)計算過程： 本實驗采用的是NPN 9011型號的三極管，電路中所用的電容全部采用10微法，Vcc =12V，其余電阻值的計算過程如下： ü 3.2.1 確定D 根據(jù)要求 AVF >100， AVF=AV/ 1+AVF1/ F ， D=1+AVF1因兩級共

11、射放大器開環(huán)增益易作幾百倍一、二千倍 故選定D=9，使電路形成深度負反饋。3.2.2 確定Re1、RF由于 rifDriDRe1 Re1riF/D= 100K/980 =138.89 選定 Re1=150 又 F= Re1/(RF+Re1) < 1/Auf 則 RF> Auf1 Re1>100150=15k 選定Rf =20K. ü 3.2.3 設(shè)計Rc1、Rc2、ICQ1、ICQ2 roF ro/DRc2RF/D 1K Rc2 DrofRF/(*RFDrof)=91K18K/(18K9K) =18K要求輸出動態(tài)范圍大 第二級工作點位于交流負載線中間左右 VC2 =

12、 (VccRf+VCEQRC2)/(RC2+RF)VCEQ2=1/2 Vc2 （交流負載線）則 VCEQ2=VccRF2/(RF+RC2) =1218K/（218K+15K） 4V 又在兼顧動態(tài)范圍大又不影響增益的情況下 取Re2=800則 ICEQ2 = (12VCEQ2)/( RC2+Re2) 由第二級放大電路采取分壓式偏置 則 VCCRb下/(Rb上 +Rb下)=VB=VBEQ+VE=0.7+IEQ2Re2 VCC/( Rb上+Rb下) = 510 ICQ2/ 由式解得：Rb上=274K Rb下=27K又 rbe2=rbb+UT/ ICQ2=300+8026mv/ICQ2=4.408K

13、ri2=Rb上Rb下rbe2 RC1=4ri2 由式解得： Rc1=18.78K 即 20K又第一級工作在小信號狀態(tài)，交流負載線比直流負載線更陡，為計算簡單，工作點選在此直流負載線中點偏高點，即接近交流負載線中點 ICQ1VCC/2(RC1+Re1) Rb1= (VCCVBEQICQ1RC1) /ICQ1/ 將代入中得： Rb1=3.31M 取為 3.3M 綜上所述，電路中所有電阻值歸納如下：由此，該電路中的元件參數(shù)全部取定。3.3Ø 元件參數(shù)驗算 首先畫出交流等效電路圖，如圖所示驗算Au： Au1=(Rc1/Rb2/rbe2)/(rbe1+(1+)(Re1/Rf)=rbe2/(rb

14、e1+Re1)=13.3 Au2= Rc2/(Rf+Re1)/ rbe2 =(Rc2/Rf) /rbe2 =245 Au=Au1 Au2=3185 驗算F： F=Re1/(R e1+Rf) =7.4410（3） 驗算Auf： Auf= Au/(1+AuF) =129 驗算D： D=1+AuF=15 驗算Rof： ROf=Rc2/(Rf+Re1)/D=Rc2/Rf/D =613 驗算Rif： Ri=rbe1+ 1+ (Re1/Rf)=rbe1+ 1+ Re1=14K Rif=Rb1/DRi=197 K Ø 3.4電路仿真 Multisim軟件結(jié)合了直觀的捕捉和功能強大的仿真，能夠快速、

15、輕松、高效地對電路進行設(shè)計和驗證。憑借NI Multisim，您可以立即創(chuàng)建具有完整組件庫的電路圖，并利用工業(yè)標準SPICE模擬器模仿電路行為。借助專業(yè)的高級SPICE分析和虛擬儀器，您能在設(shè)計流程中提早對電路設(shè)計進行的迅速驗證，從而縮短建模循環(huán)。與NI LabEW和SignalExpress軟件的集成，完善了具有強大技術(shù)的設(shè)計流程，從而能夠比較具有模擬數(shù)據(jù)的實現(xiàn)建模測量。在對電路進行初步理論設(shè)計后，還需要通過仿真來實際檢測電路的可行性，這里我們使用的是Mutisim 10.0 軟件進行的仿真，可以很方便地把剛剛學到的理論知識用計算機仿真真實的再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己

16、的儀表。 3.4.1 放大倍數(shù)仿真測量這里我們可以看到，輸入信號時有效值為10mv的正弦波，輸出用示波器觀測，在波形不失真的情況下輸出為1.27V，則放大倍數(shù)為 AVf=Uo/Ui=1.27V/10mv =127>100亦即放大了127倍大于實驗要求的100倍，故放大倍數(shù)滿足設(shè)計要求3.4.2 輸入阻抗測量這里我們采用串聯(lián)電阻法測量輸入阻抗。 選用100K的電阻串聯(lián)到輸入端，還是輸入10mv的正弦波，用電表讀取放大電路的輸入電壓，如圖實際測量結(jié)果為5.533mv，則由輸入阻抗計算公式： Ri=UiRs /(UsUi) =5.533100K /(105.533) =123.89K 

17、2; 3.4.3 輸出阻抗測加入10K負載測負載電壓空載時的輸出電壓這里測量輸出阻抗時我們采用的是外加負載法，即分別測量并聯(lián)負載電阻后的電壓和開 路電壓，然后根據(jù)輸出阻抗計算公式計算。 我們選用的是10K的負載，輸入任然為10mv正弦波信號，上圖是加入負載后的測得的電壓為1.21V，下圖是開路時測得的電壓1.27v，所有參數(shù)都是在保證輸出波形不失真的情況下測量的。則輸出阻抗為： Ro=（UoUr）R /Ur =(1.271.21) 10K /1.21 =495.87<1k 輸出阻抗計算出來為495.87，小于實驗要求的1K，故符合要求。 3.4.4輸入輸出與圖形對比輸入波形輸出波形調(diào)節(jié)C

18、H1幅值后的波形圖由圖上可知，該低頻信號被放大，波形前后對比明顯，清楚可知該低頻放大電路設(shè)計正確。綜上所述，我們的設(shè)計方案最后在Mutisim 10.0上仿真的結(jié)果為：放大倍數(shù)是127倍，輸入阻抗為393.3K，輸出阻抗為495.87。仿真結(jié)果完全滿足實驗設(shè)計要求，證明該設(shè)計方案的確是可行的。4設(shè)計創(chuàng)新與關(guān)鍵技術(shù) 4.1電路設(shè)計與圖形分析4.1.1 元器件選取以及測量： 首先根據(jù)上述理論推導過程、實驗中老師的要求以及實驗室所提供的元器件，選取本次實驗所需的電阻，電容，三極管，電位器等。所取元件分別如下：電阻150 *1，820 *1，18.0 K*1，20.0 K*2，27.0 K*1，50

19、K*1， 3.0M*1；電位器1M*2；電容10uF*4，0.033uF*1；三極管NPN9011*2。4.1.2連接電路： 將設(shè)計過程中，Rb1的3.3M電阻用電位器1M以及一個定值電阻3.0M串聯(lián)替代，Rb上用電位器1M以及電阻50K串聯(lián)替代，按照電容的正負極關(guān)系以及仿真的電路圖連接電路。為保證實驗結(jié)果準確，防止電路自激影響，盡量簡化了電路，避免了導線過長或者交叉。4.1.3初步測量： 電路連接完，反復檢查電路是否連接正確。檢查無誤后，輸入端接入函數(shù)信號發(fā)生器，輸出端接示波器，進行初步測量。經(jīng)實驗測量，較小的輸入信號經(jīng)放大電路放大后，在輸出端可以得到，穩(wěn)定且不失真的輸出波形，滿足初步要求，

20、電路穩(wěn)定無自激現(xiàn)象。4.1.4 調(diào)節(jié)Q點以及測量閉環(huán)增益Auf： 適當調(diào)節(jié)輸入信號電壓，使輸出波形產(chǎn)生失真，由實際實驗所得波形為底部失真，因此調(diào)小Rbe1和Rbe上部分的兩個電位器的阻值，當調(diào)得不失真情況下，繼續(xù)增大輸入信號電壓，使之再次失真，重復上述步驟，最終當增大輸入信號電壓時，同時產(chǎn)生了頂部失真和截止失真，此時Q點調(diào)節(jié)到最佳。輸入電壓以及輸出電壓的波形如下：輸入波形輸出波形電壓放大倍數(shù)Auf=Uo/Ui=126.6。4.1.5 測量輸出電阻Rof： 電路的輸出端接上1.5 𝐾的負載電阻Rl，利用分壓法進行測量輸出電阻。當接入負載Rl時，改變了交流負載線的斜率，因此調(diào)小輸入

21、信號電壓，使得輸出Ul不失真。此時測得Rl兩端電壓為Ul=430mV，斷開負載Rl，測得輸出電壓Uo=561mv。因此 Ro=（Uo-Ul）*Rl/Ul=457 。 4.1.6 測量輸入電阻Rif： 電路的輸入端串聯(lián)100 k的電阻R，同樣采用分壓的方法進行輸入電阻的測 量。當輸入電壓為10mV時，測得輸入端Ui為6.72mV，因此測得Ri=Ui*R/(Ui-Ui)=204.8 𝐾。 4.1.7 測量上下限頻率fl和fH： 保證輸入電壓不變，分別減小和增大輸入信號的頻率，當輸出電壓Uo下降到0.7Uo時，用示波器測出輸入信號的fl和fH。測得fl=52.00HZ，fH=420K

22、HZ。 即該電路的通頻帶寬為 52.000HZ420KHZ4.2結(jié)果分析與問題總結(jié)4.2.1 放大電路的增益：由上述的驗算可知：Au1=(Rc1/Rb2/rbe2)/(rbe1+(1+)(Re1/Rf)=rbe2/(rbe1+Re1)=13.3 Au2= Rc2/(Rf+Re1)/ rbe2 =(Rc2/Rf) /rbe2 =245 Au=Au1 Au2=3185 驗算F:F=Re1/(Re1+RF)=7.44*10(-3)驗算Auf:Auf =Au/（1+Auf）=129理論值計算的Auf=129，而實際的Auf=126.6。首先滿足了實驗的要求，閉環(huán)增益大于等于100倍。再者，由于理論值在

23、計算的過程中，電路圖首先進行了等效，在算理論值時也進行了相當多的估算，也同時會產(chǎn)生一定的誤差。因此，滿足了實驗預(yù)期。4.2.2 輸出電阻的測量： 由驗算分析可得： 驗算D： D=1+AuF=15 驗算Rof： ROf=Rc2/(Rf+Re1)/D=Rc2/Rf/D =613 實際測量的輸出電阻為Ro=457，在實際測量當中，采用了分壓式 的測量方法，串聯(lián)負載電阻Rl，利用兩者的分壓關(guān)系，來確定輸出電阻Ro。實際的輸出電阻Ro滿足實驗要求，小于1K。首先由于實際的測量方式和理論推導采用的方法不同，尤其串聯(lián)了負載電阻，對原電路產(chǎn)生了影響，因此產(chǎn)生了誤差。再者，在理論推導的過程中，也不斷的進行估算，

24、也會造成相對的計算誤差。因此，實際測量值在誤差的允許范圍之內(nèi)，滿足實驗要求，滿足預(yù)期。當輸出端串聯(lián)負載后，會改變交流負載線的斜率，因此導致新的Q點并非在中點，因此為避免輸出電壓的失真，可以才用減小輸入電壓，保證輸出電壓是穩(wěn)定的正弦波。在實際的操作過程中，由于初始的輸入電壓過大，導致輸出波形失真，無法用分壓關(guān)系進行測量輸出電阻，并且試圖增大負載Rl的阻值來改變交流負載先斜率，但最終發(fā)現(xiàn)，減小輸入電壓的方法簡單有效，節(jié)省了實驗時間。4.2.3輸入電阻的測量：有之前的驗算可得，理論值為：驗算Rif： Ri=rbe1+ 1+ (Re1/Rf)=rbe1+ 1+ Re1=14K Rif=Rb1/DRi=

25、197 K實際測量的輸入電阻Rif=204.8 k。同前面的分析，得出相同的結(jié)論，輸入電阻阻值符合實驗要求，由于理論值計算過程中存在估算，會產(chǎn)生誤差，因此誤差在允許在范圍內(nèi)，滿足實驗的預(yù)期。測量輸入電阻的過程中，出現(xiàn)了一些問題，在接入輸入電阻的時候?qū)е螺敵霾ㄐ尾环€(wěn)定甚至有較大改變或者未測出輸出波形的情況。經(jīng)過分析得出很可能是由于串聯(lián)的輸入電阻過大，導致信號未進入電路內(nèi)部進行放大。因此我們采取減小串聯(lián)的輸入電阻R為100 𝐾，并且再串聯(lián)過后，增大輸入信號，電壓信號可以進入電路并且被放大，在得到輸出波形后采用分壓原理的方法進行測量，最終得出了結(jié)果，完成了實驗。5.結(jié)論 這次設(shè)計實驗，雖然并不是一個很難的實驗，對于我們來說，理論計算都不是大問題，但是從設(shè)計、計算、仿真到實際操作的確耗費了我們大量的時間和精力?？赡芪覀円呀?jīng)習慣了題目給出電路來計算靜態(tài)工作點，習慣了題目電路里標出電阻值參數(shù)來計算放大倍數(shù)，但我們貌似總是跳過了最重要的環(huán)節(jié)。其實電路的設(shè)計，參數(shù)的計算才是整個電路設(shè)計制作的核心，操作、測量都是其次，我們平時太過于注重理論書上的做題，反而忽略了最重要的。各個環(huán)節(jié)都有我考慮不周全的地方，可能導致電路設(shè)計不合理，導致全部