多級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)報(bào)告

..電工電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：多級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)二級(jí)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院年級(jí)專業(yè)14動(dòng)力本學(xué)號(hào)1401250029學(xué)生姓名周俊指導(dǎo)教師張?jiān)评蚪處熉毞Q講師目錄第一章．基本要求和放電電路的性能指標(biāo)...........................................................1第二章．概述和任務(wù)分析........................................................................................5第三章．電路原理圖和電路參數(shù)............................................................................6第四章．主要的計(jì)算過程........................................................................................9第五章．電路調(diào)試運(yùn)算結(jié)果..................................................................................11第六章．總結(jié)...........................................................................................................12制作調(diào)試步驟及結(jié)果......................................................................................12收獲和體會(huì)......................................................................................................13第七章．誤差和分析..............................................................................................14第八章．參考文獻(xiàn)..................................................................................................15第一章．基本要求和放電電路的性能指標(biāo)1.基本要求：用給定的三極管2SC1815<NPN>,2SA1015<PNP>設(shè)計(jì)多級(jí)放大器,已知VCC=+12V,-VEE=-12V,要求設(shè)計(jì)差分放大器恒流源的射極電流IEQ3=1~1.5mA,第二級(jí)放大射極電流IEQ4=2~3mA；差分放大器的單端輸入單端輸出不是真電壓增益至少大于10倍,主放大器的不失真電壓增益不小于100倍；雙端輸入電阻大于10kΩ,輸出電阻小于10Ω,并保證輸入級(jí)和輸出級(jí)的直流點(diǎn)位為零。設(shè)計(jì)并仿真實(shí)現(xiàn)。2.放電電路的性能指標(biāo)：第一種是對(duì)應(yīng)于一個(gè)幅值已定、頻率已定的信號(hào)輸入時(shí)的性能,這是放大電路的基本性能。第二種是對(duì)于幅值不變而頻率改變的信號(hào)輸出時(shí)的性能。第三種是對(duì)應(yīng)于頻率不變而幅值改變的信號(hào)輸入時(shí)的性能。1.1第一種類型的指標(biāo)：1.放大倍數(shù)放大倍數(shù)是衡量放大電路放大能力的指標(biāo)。它定義為輸出變化量的幅值與輸入變化量的幅值之比,有時(shí)也稱為增益。雖然放大電路能實(shí)現(xiàn)功率的放大,然而在很多場(chǎng)合,人們常常只關(guān)心某一單項(xiàng)指標(biāo)的放大的倍數(shù),比如電壓或者電流的放大倍數(shù)。由于輸出和輸入信號(hào)都有電壓和電流量,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都是正弦信號(hào)的有效值。需要注意的是,若輸出波形出現(xiàn)明顯失真,則此值就失去意義了,因此在輸出端要有監(jiān)視失真的措施〔如用示波器觀察波形。其他指標(biāo)也是如此。2.輸入電阻作為一個(gè)放大電路,一定要有信號(hào)源來提供輸入信號(hào)。例如擴(kuò)大機(jī)就是利用話筒將聲音轉(zhuǎn)成電信號(hào)提供放大電路的。放大電路與信號(hào)源相連,就要從信號(hào)源取電流。取電流的大小表明了放大電路對(duì)信號(hào)源的影響程度,所以我們定義一個(gè)指標(biāo),來衡量放大電路對(duì)信號(hào)源的影響,叫做輸入阻抗。當(dāng)信號(hào)頻率不是很高時(shí),輸入電流QUOTE與輸入電壓QUOTE基本同相,因此通常用輸入電阻來表示。它定義為：〔1-5從圖1-1中可見,QUOTE就是向放大電路輸入端看進(jìn)去的等效電阻。QUOTE越大,表明它從信號(hào)源取的電流越小,放大電路輸入端所得到的電壓QUOTE越接近信號(hào)電壓QUOTE。因此作為測(cè)量?jī)x表用的放大電路其QUOTE要大。但是對(duì)于晶體管來說,QUOTE大則取電流小,講減低放大倍數(shù)。所以在需要放大倍數(shù)大而QUOTE為固定值的情況2.下,晶體管放大電路的QUOTE又以小一些為好。3.輸出電阻放大電路講信號(hào)放大后,總要送到某裝置區(qū)發(fā)揮作用。這個(gè)裝置我們通常稱為負(fù)載。比如揚(yáng)聲器就是擴(kuò)大機(jī)的負(fù)載。當(dāng)我們?cè)谠瓉淼膿P(yáng)聲器兩端再并聯(lián)一個(gè)揚(yáng)聲器時(shí),它兩端的電壓講要下降,這種現(xiàn)象說明向放大電路的輸出端看進(jìn)去有一個(gè)等效內(nèi)阻,通常稱為輸出電阻,記為QUOTE,如圖1-1所示。圖1-1求輸出電阻QUOTE的等效電路通常測(cè)定輸出電阻的辦法是輸入端加正弦波實(shí)驗(yàn)信號(hào),測(cè)出負(fù)載開路時(shí)的輸出電壓QUOTE,再測(cè)出接入負(fù)載QUOTE時(shí)的輸出電壓QUOTE。則讀者可自行證明〔1-6輸出電阻越大,表明接入負(fù)載后,輸出電壓的幅值下降越多。因此QUOTE反映了放大電路帶負(fù)載能力的大小。1.2第二種類型的指標(biāo)：4.通頻帶當(dāng)只改變輸入信號(hào)的頻率時(shí),發(fā)現(xiàn)放大電路的放大倍數(shù)是隨之變化的,輸出波形的相位也發(fā)生變化。這就需要有一定的指標(biāo)來反映放大電路對(duì)于不同頻率的信號(hào)的適應(yīng)能力。一般情況下,放大電路只適用于放大一個(gè)特定頻率范圍的信號(hào),當(dāng)信號(hào)頻率太高或太低時(shí),放大倍數(shù)都有大幅度的下降,如圖1-2所示。3.圖1-2放大電路的頻率指標(biāo)當(dāng)信號(hào)頻率升高而使放大倍數(shù)下降為中頻時(shí)放大倍數(shù)〔記作QUOTE的0.7倍時(shí),這個(gè)頻率稱為上限截止頻率,記作QUOTE。同樣,使放大倍數(shù)下降為QUOTE的0.7倍時(shí)的低頻信號(hào)頻率稱為下線截止頻率,記作QUOTE。我們將QUOTE和QUOTE之間形成的頻帶稱為通頻帶,記作QUOTE,即〔1-7通頻帶越寬,表明放大電路對(duì)信號(hào)頻率的適應(yīng)能力越強(qiáng)。對(duì)于收錄機(jī)、擴(kuò)大機(jī)來說,通頻帶寬意味著可以將原樂曲中豐富的高、低音都能完美的播放出來。然而有些情況下則希望頻帶窄,如帶通濾波電路等。1.3第三種類型的指標(biāo)：5.最大輸出幅值最大輸出幅值指的是當(dāng)輸入信號(hào)再增大就會(huì)使輸出波形的非線性失真系數(shù)超過額定數(shù)值〔比如10%時(shí)的輸出幅值。我們以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．最大輸出功率與效率最大輸出幅值是輸出不失真時(shí)的單項(xiàng)〔電壓和電流指標(biāo)。此外還應(yīng)該有一個(gè)綜合性的指標(biāo)即最大輸出功率。它是輸出信號(hào)基本不失真的情況下輸出的最大功率,記作QUOTE。前面我們說過,輸入信號(hào)的功率都是很小的,經(jīng)過放大電路,得到了較大的功率輸出。這些多出來的能量石由電源提供的,放大電路只不過是實(shí)現(xiàn)4.了有控制的能量轉(zhuǎn)換。既然是能量的轉(zhuǎn)換,就存在轉(zhuǎn)換效率的問題。也就是說,不能只看輸出功率的大小,還應(yīng)該看能量的利用率如何。效率QUOTE定義為〔1-8式中QUOTE為直流電源消耗的功率。7.非線性失真系數(shù)由于晶體管等器件都具有非線性的特性,所以當(dāng)輸出幅度大了之后,有時(shí)需要討論它的失真問題。我們?cè)谶@里定義的非線性失真系數(shù),是指放大電路在某一頻率的正弦波輸入信號(hào)下,輸出波形的諧波成分總量和基波成分之比。用QUOTE表示基波和各種諧波的幅值,則失真系數(shù)D定義為：〔1-9以上三類指標(biāo)是以輸入信號(hào)的幅值的頻率來劃分的。一般來說,第一類指標(biāo)多適用于輸入為低頻小信號(hào)時(shí)的情況；第二類指標(biāo)多適用于輸入信號(hào)幅值小但頻率變化范圍寬的情況；第三類指標(biāo)則多適用于低頻但輸出幅值較大的情況。第二章．概述和任務(wù)分析多級(jí)放大電路的概述：在我們?nèi)粘Ｉ詈涂茖W(xué)研究等工作中,常常會(huì)遇到放大電路。這些放大電路的形式不通,性能指標(biāo)也不同,使用的元器件也不相同,但它們都是用來進(jìn)行信號(hào)的放大,其基本工作原理都是一樣的。在這些放大電路中,管放大電路時(shí)構(gòu)成各種復(fù)雜電路的基本單元。本文以幾個(gè)簡(jiǎn)單的放大電路為例,介紹放大電路的組成原理、工作原理、性能指標(biāo)及計(jì)算方法。由于單級(jí)放大電路的放大倍數(shù)有限,不能滿足實(shí)際的需要,因此實(shí)5.用的放大電路都是由多級(jí)組成的。如圖。通?？煞譃閮纱蟛糠?即電壓放大<小信號(hào)放大>和功率放大<大信號(hào)放大>,前置級(jí)一般跟據(jù)信號(hào)源是電壓源還是電流源來選定,它與中間級(jí)主要的作用是放大信號(hào)電壓。中間級(jí)一般都用共發(fā)射極電路或組合電路組成。末級(jí)要求有一定的輸出功率供給負(fù)載RL,稱為功率放大器,一般由共集電極電路,或互補(bǔ)推挽電路,有時(shí)也用變壓器耦合放大電路。多級(jí)放大電路的放大倍數(shù)：第三章.電路原理圖和電路參數(shù)電路原理圖電路參數(shù)的選擇和計(jì)算1.參數(shù)的選擇：6.電容全部選用10μf,電阻在下列值范圍波動(dòng)：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.計(jì)算參數(shù)：一級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)：；；V；；；；電壓放大倍數(shù)：QUOTE=;<RL’=RC1//RE2>Au=輸入電阻Ri://QUOTE//QUOTEQUOTE=0.43K7.輸出電阻Ro:Ro≈QUOTE;Ro≈QUOTE=12k二級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)：;V;;;;電壓放大倍數(shù):Au=<RL’=RC1//RE2>Au=輸入電阻Ri://QUOTE//QUOTERi=0.28K輸出電阻Ro:Ro≈Rc1Ro≈Rc1=6k三級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)：;;8.;輸入電阻Ri://Ri=461K//<1.32+510.25>Ri=0.07K輸出電阻Ro:Ro=Re//Ro=14.5k第四章.主要的計(jì)算過程直耦式多級(jí)放大電路的主要涉及任務(wù)是模仿運(yùn)算放大器OP07的等效內(nèi)部結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)化部分電路,采用差分輸入,共射放大,互補(bǔ)輸出等結(jié)構(gòu)形式,設(shè)計(jì)出一個(gè)電壓增益足夠高的多級(jí)放大器,可對(duì)小信號(hào)進(jìn)行不失真的放大。1.輸入級(jí)電路的輸入級(jí)是采用NPN型晶體管的恒流源式差動(dòng)放大電路。差動(dòng)放大電路在直流放大中零點(diǎn)漂移很小,它常用作多級(jí)直流放大電路的前置級(jí),用以放大微笑的直流信號(hào)或交流信號(hào)。典型的差動(dòng)放大電路采用的工作組態(tài)是雙端輸入,雙端輸出。放大電路兩邊對(duì)稱,兩晶體管型號(hào)、特性一致,各對(duì)應(yīng)電阻阻值相同,電路的共模抑制比很高,利于抗干擾。該電路作為多級(jí)放大電路的輸入級(jí)時(shí),采用vi1單端輸入,uo1的單端輸出的工作組態(tài)。計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)：差動(dòng)放大電路的雙端是對(duì)稱的,此處令T1,T2的相關(guān)射級(jí)、集電極電流參數(shù)為IEQ1=IEQ2=IEQ,ICQ1=ICQ2=ICQ。設(shè)UB1=UB2≈0V,則Ue≈9.-Uon,算出T3的ICQ3,即為2倍的IEQ也等于2倍的ICQ。此處射級(jí)采用了工作點(diǎn)穩(wěn)定電路構(gòu)成的恒流源電路,此處有個(gè)較為簡(jiǎn)單的確定工作點(diǎn)的方法：因?yàn)镮C3≈IE3,所以只要確定了IE3就可以了,而,采用ui1單端輸入,uo1單端輸出時(shí)的增益2.主放大級(jí)本級(jí)放大器采用一級(jí)PNP管的共射放大電路。由于本實(shí)驗(yàn)電路是采用直接耦合,各級(jí)的工作點(diǎn)互相有影響。前級(jí)的差分放大電路用的是NPN型晶體管,輸出端uo1處的集電極電壓Uc1已經(jīng)被抬得較高,同時(shí)也是第二級(jí)放大級(jí)的基極直流電壓,如果放大級(jí)繼續(xù)采用NPN型共射放大電路,則集電極的工作點(diǎn)會(huì)被抬得更高,集電極電阻值不好設(shè)計(jì),選小了會(huì)使放大倍數(shù)不夠,選大了,則電路可能飽和,電路不能正常放大。對(duì)于這種情況,一般采用互補(bǔ)的管型來設(shè)計(jì),也就是說第二級(jí)的放大電路用PNP型晶體管來設(shè)計(jì)。這樣,當(dāng)工作在放大狀態(tài)下,NPN管的集電極電位高于基極點(diǎn)位,而PNP管的集電極電位低于基極電位,互相搭配后可以方便地配置前后級(jí)的工作點(diǎn),保證主放大器工作于最佳的工作點(diǎn)上,設(shè)計(jì)出不失真的最大放大倍數(shù)。采用PNP型晶體管作為中間主放大級(jí)并和差分輸入級(jí)鏈接的參考電路,其中T4為主放大器,其靜態(tài)工作點(diǎn)UB4、UE4、UC4由P1、R7、P2決定。差分放大電路和放大電路采用直接耦合,其工作點(diǎn)相互有影響,簡(jiǎn)單估計(jì)方式如下：,〔硅管,由于,相互影響,具體在調(diào)試中要仔細(xì)確定。此電路中放大級(jí)輸出增益10.3.輸出級(jí)電路輸出級(jí)采用互補(bǔ)對(duì)稱電路,提高輸出動(dòng)態(tài)范圍,降低輸出電阻。其中T4就是主放大管,其集電極接的D1、D2是為了克服T5、T6互補(bǔ)對(duì)稱的交越失真。本級(jí)電路沒有放大倍數(shù)。第五章.電路調(diào)試運(yùn)算結(jié)果用Multisim仿真設(shè)計(jì)結(jié)果,并調(diào)節(jié)電路參數(shù)以滿足性能指標(biāo)要求。給出所有的仿真結(jié)果。電路圖如圖1所示 圖1輸入輸出端電壓測(cè)試：輸入電壓為VPP=4mV,輸出電壓為VPP=51.5mV得到差分放大器放大倍數(shù)大約為12.89倍。放大倍數(shù)符合要求。輸入電壓為VPP=51.5mV,輸出電壓為VPP=6.75V放大倍數(shù)為131.56倍。得到輸入電壓為VPP=4mV,輸出電壓為VPP=4.29V,放大倍數(shù)計(jì)算得到為1062倍。11.第六章.總結(jié)制作調(diào)試步驟及結(jié)果：各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)測(cè)量及調(diào)整與輸入輸出電阻放大倍數(shù)測(cè)量①第一級(jí)：先按圖3連接第一級(jí)線路,用萬用表測(cè)得Vbe1＝0.6V,Vce1=5.94V,再接入U(xiǎn)s=200mV信號(hào),串聯(lián)一個(gè)Rs=5.1KΩ的電阻,用雙蹤示波器測(cè)得3,由于輸出電壓與輸入電壓比值太小,調(diào)節(jié)R1、Re12,測(cè)得,使Au=Ui/Uo=23,然后在輸出端接一負(fù)載為RL=3KΩ的電阻,測(cè)得電阻兩端電壓UL=1.25V,按輸入輸出電阻計(jì)算可得Ri=15.3KΩ,Ro=5.4KΩ,此時(shí),再測(cè)得電路靜態(tài)工作點(diǎn)為Vbe1＝0.61V,Vce1=3.94V,以及Re12=0.38KΩ,R1=39KΩ.圖2②第二級(jí)：先按圖2連接第二級(jí)線路,用萬用表測(cè)得Vbe2＝0.62V,Vce2=5.78V,再接入U(xiǎn)s=200mV信號(hào),串聯(lián)一個(gè)Rs=5.1KΩ的電阻,用雙蹤示波器測(cè)得,由于輸出電壓與輸入電壓比值太小,調(diào)節(jié)R2、Re22,測(cè)得,使Au=Ui/Uo=23,然后在輸出端接一負(fù)載為RL=3KΩ的電阻,測(cè)得電阻兩端電壓UL=1.25V,按輸入輸出電阻計(jì)算可得Ri=15.3KΩ,Ro=5.4KΩ,此時(shí)再測(cè)得電路靜態(tài)工作點(diǎn)為Vbe2＝0.59V,Vce2=3.52V,以及Re22=0.085KΩ,R2=24KΩ③第三級(jí)：先按圖2連接第三級(jí)線路,用萬用表測(cè)得Vbe3＝0.64V,Vce3=5.62V,再接入U(xiǎn)s=200mV信號(hào),串聯(lián)一個(gè)Rs=5.1KΩ的電阻,用雙蹤示波12.器測(cè)得,調(diào)節(jié)R3,測(cè)得,然后在輸出端接一負(fù)載為RL=3KΩ的電阻,測(cè)得電阻兩端電壓UL=190mV,按輸入輸出電阻計(jì)算可得Ri=96.9KΩ,Ro=0,此時(shí),再測(cè)得電路靜態(tài)工作點(diǎn)為Vbe1＝0.63V,Vce1=5.52V.以及R3=192.7KΩ.2.三級(jí)開環(huán)放大電路輸入輸出電阻及放大倍數(shù)測(cè)量如圖2接線,不引入反饋,將三級(jí)放大電路連接在一起,再接入U(xiǎn)s=30mV信號(hào),串聯(lián)一個(gè)Rs=5.1KΩ的電阻,用雙蹤示波器測(cè)得Ui=22mV,然后測(cè)得Uo=11.1v,接入負(fù)載為RL=3KΩ的電阻,測(cè)得電阻兩端電壓UL=10.9V,此時(shí)得到符合技術(shù)指標(biāo)。3.三級(jí)閉環(huán)放大電路輸入輸出電阻、放大倍數(shù)及反饋電阻測(cè)量如圖2接線,接入U(xiǎn)s=75mV信號(hào),串聯(lián)一個(gè)Rs=5.1KΩ的電阻,用雙蹤示波器測(cè)得Ui=50mV,然后測(cè)得Uo=1.55v,接入負(fù)載為RL=3KΩ的電阻,測(cè)得電阻兩端電壓UL=1.5V,此時(shí)得到Auf=Ui/Uo=31>20,Rif=50.2KΩ>10KΩ,符合技術(shù)指標(biāo)。此時(shí)測(cè)得4。收獲和體會(huì)：在此電路中利用了差動(dòng)放大電路,利用PNP管放大級(jí)實(shí)現(xiàn)主放大電路,利用互補(bǔ)對(duì)稱輸出電路。可以有效地抑制零點(diǎn)漂移,消除交越失真的影響,設(shè)計(jì)的多級(jí)放大電路,得到放大倍數(shù)為1058倍,符