實(shí)驗(yàn)六：兩級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)(2013.5.23)

模擬電路單元及系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

華南理工大學(xué)呂念玲主編

甘偉明劉鳳軍參編及課件制作機(jī)械工業(yè)出版社出版實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼莆斩嗉?jí)放大電路的工程設(shè)計(jì)方法組裝調(diào)試技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)任務(wù)11．設(shè)計(jì)題一：

用分立元件設(shè)計(jì)一阻容耦合兩級(jí)放大電路，在電源電壓為12V，Vi≤5mV，信號(hào)源內(nèi)阻為50Ω，RL=5.1kΩ的條件下，滿足以下指標(biāo)要求：（1）Ri>10kΩ；（2）Av>250；（3）BW=50Hz~50kHz；（4）D<5%。取ICQ1=0.7mA,VCEQ1=2V取ICQ2=1.2mA,VCEQ2=4V要求AV>250，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可取AV=300，其中取T1級(jí)AV1=？，T2級(jí)AV2=？

設(shè)計(jì)任務(wù)22．設(shè)計(jì)題二：

用分立元件設(shè)計(jì)一阻容耦合放大電路，在信號(hào)源內(nèi)阻為50Ω，Vi≤10mV，RL=1kΩ的條件下，滿足以下指標(biāo)要求：（1）Vo≥1V；（2）Ri≥20kΩ；（3）fL<30Hz；（4）AV的穩(wěn)定度提高10倍。設(shè)計(jì)題一提示設(shè)計(jì)題一：（1）從設(shè)計(jì)指標(biāo)要求看，設(shè)計(jì)該放大電路應(yīng)從電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和減小失真等方面考慮，至于通頻帶，由于要求不高，一般較容易達(dá)到，設(shè)計(jì)時(shí)可暫不考慮。（2）指標(biāo)要求該放大電路是對(duì)小信號(hào)放大且放大倍數(shù)不高，同時(shí)為了穩(wěn)定工作點(diǎn)，采用兩級(jí)分壓式偏置的共發(fā)射極放大電路即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。（3）為了滿足輸入電阻和失真度小于5%的要求，各級(jí)射極須引入交流串聯(lián)負(fù)反饋。（4）指標(biāo)中，上限頻率為50kHz，要求不高，故可選用一般的小功率管。現(xiàn)選用NPN型9013，取β=150。設(shè)計(jì)題二提示（1）從設(shè)計(jì)指標(biāo)要求看，設(shè)計(jì)該放大電路應(yīng)從電壓放大倍數(shù)及其穩(wěn)定性、輸入電阻等方面考慮，至于通頻帶，設(shè)計(jì)時(shí)可暫不考慮。（2）設(shè)計(jì)指標(biāo)要求放大電路的電壓放大倍數(shù)的穩(wěn)定度較高，因此電路應(yīng)引入適當(dāng)?shù)碾妷捍?lián)負(fù)反饋。（3）設(shè)計(jì)指標(biāo)要求輸入電阻的要求較高，須采用串聯(lián)負(fù)反饋才可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。（4）其余與設(shè)計(jì)選題A相同。設(shè)計(jì)指南放大級(jí)數(shù)的確定指標(biāo)分配各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)定電路形式的選擇半導(dǎo)體器件的選擇偏置電路設(shè)計(jì)與計(jì)算指標(biāo)核算與電路確定詳細(xì)方法參見本書3.3.1及3.3.2節(jié)放大級(jí)數(shù)的確定

多級(jí)放大電路的級(jí)數(shù)主要根據(jù)對(duì)電路的電壓增益（放大倍數(shù)）的要求來確定。由指標(biāo)要求：

Av>250

放大電路的級(jí)數(shù)。電路形式的選擇

要考慮的因素主要包括：是小信號(hào)放大型還是大信號(hào)（功率）放大型；各級(jí)放大電路的組態(tài)及級(jí)間信號(hào)的耦合方式等。由指標(biāo)要求：Vi≤10mV放大電路是小信號(hào)放大型；由Ri>10kΩ和D<5%放大電路的組態(tài)；由BW=50Hz~50kHz放大電路級(jí)間信號(hào)的耦合方式；由Ri>10kΩ是否需引入負(fù)反饋?何種負(fù)反饋?

——設(shè)計(jì)指南指標(biāo)分配—放大倍數(shù)的分配

通常，分配給前級(jí)放大電路的電壓增益低一些，后級(jí)放大電路電壓增益高一些為宜，并要留有15%～20%的余量。要求AV>250，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可取AV=300，其中取T1級(jí)AV1=？，T2級(jí)AV2=？

半導(dǎo)體器件的選擇半導(dǎo)體器件根據(jù)電路輸出信號(hào)幅度、通頻帶、輸入阻抗及電路的某些指標(biāo)要求來選擇。

指標(biāo)中，電路為小信號(hào)放大，對(duì)電路噪聲沒有特別要求，上限頻率fH=50kHz，要求不高，故可選一般的小功率管。現(xiàn)選取NPN型管9013，測(cè)量其取β=150。動(dòng)態(tài)范圍估算：T1級(jí)：T2級(jí)：——設(shè)計(jì)指南各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)定≥可見，T1級(jí)VCEQ1可選小些，T2級(jí)VCEQ2可選大些。T1級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)確定：由指標(biāo)要求：Ri>10kΩrbe1ICQ1由IＣQ1

IＢQ1

選定ICQ1和ＶCQ1的值

VCEQ的選擇要考慮到電路在正常工作范圍應(yīng)使輸出電壓幅度Vom足夠大，同時(shí)在滿足放大倍數(shù)的前提下，輸出電壓不應(yīng)出現(xiàn)飽和失真，為此,VCEQ應(yīng)滿足下列關(guān)系：

ICQ取值考慮：ICQ設(shè)定主要根據(jù)ICQ≥ICM+ICEQ

，由于小信號(hào)電壓放大電路ICM

較小，另從減少噪聲及降低直流功率損耗出發(fā)，T1、T2工作電流應(yīng)選小些，并取前一級(jí)電流小于后一級(jí)電流?！O(shè)計(jì)指南T２級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)確定：由ICQ2＞ICQ1

和VCEQ2＞VCEQ1

選定ICQ２和ＶCQ２的值偏置電路設(shè)計(jì)與計(jì)算偏置電阻Rb1、Rb2值的選擇

，

由電源電壓VCCVBQ;由I1=(5～10)IBQ１

和VBQ

Rb2

和Rb１。射級(jí)電阻Re的選擇

Re

由——設(shè)計(jì)指南集電極電阻Rc的選擇集電極電阻Rc的選擇:一是要滿足放大倍數(shù)要求，二是不能產(chǎn)生飽和失真。

RC

由或由RC

——設(shè)計(jì)指南各電容值的選擇

耦合電容C1和C2的作用是隔直流耦合交流，對(duì)交流信號(hào)應(yīng)是近似短路，所以耦合電容的阻抗應(yīng)遠(yuǎn)小于與之串聯(lián)的電阻，旁路電容阻抗應(yīng)遠(yuǎn)小于與之并聯(lián)的等效電阻。在本電路中，電容的耐壓值應(yīng)取實(shí)際工作電壓的2倍以上．——設(shè)計(jì)指南指標(biāo)核算與電路確定靜態(tài)工作點(diǎn)的核算

T1級(jí)：與上述取值比較，是否符合設(shè)計(jì)要求。T２級(jí)的核算與T1級(jí)相同。

指標(biāo)核算是指根據(jù)已設(shè)計(jì)的電路參數(shù)逐級(jí)進(jìn)行理論計(jì)算，核算各項(xiàng)指標(biāo)（靜態(tài)工作點(diǎn)、Av、Ri、Ro、fL、fH等）是否滿足設(shè)計(jì)要求，否則需要重新設(shè)計(jì)計(jì)算。尤其是對(duì)靜態(tài)及動(dòng)態(tài)指標(biāo)均有影響的電路參數(shù)，需要通過指標(biāo)核算，確認(rèn)其取值是否合理。——設(shè)計(jì)指南指標(biāo)核算核算Ri、Av、BW是否符合下列指標(biāo)的要求：Ri>10kΩ；Av>250；BW=50Hz~50kHz否則需要重新設(shè)計(jì)計(jì)算。核算無誤后，畫出整機(jī)電路圖，列出元器件清單表?！O(shè)計(jì)指南面包板的結(jié)構(gòu)凹槽，凹槽上下不連通電位器電源接入插孔電源輸出接口電位器輸出接口信號(hào)輸入接口信號(hào)輸出接口第一塊面包板第二塊面包板

實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)電位器、電源接入插孔、信號(hào)輸入、輸出接孔內(nèi)部互不連通，使用時(shí)需用導(dǎo)線連起來。為了避免干擾，安裝時(shí)用第一塊面包板。

提醒：——電路的安裝每列有5個(gè)小孔且互相連通，但每列之間的小孔不連通。兩行插孔，每行插孔中的小孔互相連接，但兩行絕緣，可作為電源線或地線使用。布線要點(diǎn)1、接線前應(yīng)先畫好布線圖，以免發(fā)生差錯(cuò)，一般以集成電路或三極管為中心，并根據(jù)輸入輸出分離的原則，以適當(dāng)?shù)拈g距來安排其他元件。2、集成塊與晶體管的布局，一般按主電路信號(hào)流向的順序在插座板上直線排列，各級(jí)元器件圍繞各級(jí)的集成塊或晶極管布置，各元件間的間距應(yīng)視周圍元件多少而定。3、第一級(jí)的輸入線與末級(jí)的輸出線、高頻線與低頻線要遠(yuǎn)離，以免形成空間交叉耦合。4、合理布置地線。當(dāng)電路有多級(jí)時(shí)，應(yīng)將各級(jí)單獨(dú)接地，再分別接公共地線?！娐返陌惭b布線注意事項(xiàng)1、布線的順序一般是先布電源線與地線，然后按布線圖從輸入到輸出依次連接好各元器件和接線。在此條件下，盡量做到接線短、接線少、測(cè)量方便。2、集成電路的安裝：集成電路引腳必須插在面包板中央凹槽兩邊的孔中。3、為便于檢查，盡可能采用不同顏色的導(dǎo)線；盡量在器件周圍連線，并不允許導(dǎo)線在集成塊上方跨過，或從三極管下方穿過。4、查線無誤，才能接通電源。查線時(shí)仍以集成電路或三極管的引腳為出發(fā)點(diǎn)，逐一檢查與之相連的元件和導(dǎo)線?！娐返陌惭b實(shí)驗(yàn)內(nèi)容自擬步驟測(cè)試下列指標(biāo)參數(shù)：1．完成靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)整，并列表測(cè)量每一級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)Q的參數(shù)。2．列表測(cè)量第一級(jí)的增益AV1、第二級(jí)的增益AV2及兩級(jí)總的增益AV。3．列表測(cè)量總電路的Ri、Ro、BW。4．測(cè)量放大電路輸出波形的失真度D?！{(diào)試與測(cè)量

把測(cè)量結(jié)果與設(shè)計(jì)任務(wù)中的指標(biāo)要求對(duì)照，看是否滿足指標(biāo)要求。實(shí)驗(yàn)前,應(yīng)先用數(shù)字萬用表測(cè)量三極管的β值，同時(shí)判別三極管的好壞?！收戏治稣{(diào)試電路的常用方法及步驟：一、通電調(diào)試前的直觀檢查－電路安裝完畢,不宜急于通電，先要認(rèn)真檢查以下內(nèi)容:1.連線是否正確？要按照電路原理圖檢查已接好的線路，確保每個(gè)元件的引腳都連接正

確；2.元器件引腳之間有無短路、接觸不良，三極管、電容極性有無接錯(cuò)？3.電源供電、信號(hào)源連線極性是否正確？4.電源端對(duì)地是否存在短路，電源的電流示數(shù)是否正常？二、通電調(diào)試電路1.檢查電路的靜態(tài)工作點(diǎn)：VBEQ、VCEQ、ICQ是否正常？與設(shè)計(jì)結(jié)果相比較如何？2.從信號(hào)發(fā)生器輸出一正弦信號(hào)作為測(cè)試信號(hào)，接至電路的輸入端，觀察電路各級(jí)能否

正常放大？放大倍數(shù)是否符合預(yù)期？會(huì)不會(huì)出現(xiàn)截止或飽和失真？3.適當(dāng)調(diào)整該測(cè)試信號(hào)的電壓和頻率，測(cè)量電路的其它動(dòng)態(tài)指標(biāo)：Ri、Ro、BW？是否符

合預(yù)期設(shè)計(jì)值？若不符，該改變哪個(gè)元件的取值最直接有效？三、排查電路故障

在電路調(diào)試的過程中，若發(fā)現(xiàn)電路未能正常放大，可利用信號(hào)尋跡檢查的方法，查找故障所在的位置。一般使用示波器來檢測(cè)信號(hào)的傳輸過程。電路故障排查提示1.檢查確定三極管s9013的e、b、c腳順序，檢查

確認(rèn)耦合電容、旁路電路的管腳極性，插接電路

時(shí)應(yīng)避免三極管和電容的管腳出現(xiàn)短接情況；2.檢查12V電源線和地線是否已經(jīng)與電路中的元件

連接上；3.檢查兩級(jí)電路各自的VBQ是否等于VCC×Rb1/Rb2

？

否則，應(yīng)檢查Rb1和Rb2的阻值是否正確？4.測(cè)量?jī)杉?jí)電路各自的VCEQ、ICQ

是否與參考值相

符？否則，應(yīng)檢查Rc和Re

的阻值是否正確？5.接入vi，用示波器依次檢測(cè)A、B、C、D、E點(diǎn)

的波形，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)未能顯示正常的波形，則從

改節(jié)點(diǎn)前后級(jí)的電路中分析故障原因

從第一級(jí)輸入信號(hào)，用示波器由前級(jí)到后級(jí)（從A到E），逐級(jí)觀察各點(diǎn)信號(hào)的變化情況，如發(fā)現(xiàn)某一級(jí)的輸出波形不正確或沒有輸出時(shí)，則故障就發(fā)生在該級(jí)或下級(jí)電路，這時(shí)可將級(jí)間連線或耦合電路斷開，進(jìn)行單獨(dú)測(cè)試，即可判斷故障級(jí)。提示：在測(cè)量前級(jí)放大器時(shí)，應(yīng)把信號(hào)源電壓調(diào)得較大，在測(cè)量后級(jí)放大器時(shí)，應(yīng)把信號(hào)源電壓調(diào)得較小。1.由前向后逐級(jí)檢查，尋找故障級(jí)。ABCDE

由后向前逐級(jí)推進(jìn)尋找故障級(jí)（從E到A）。可在某級(jí)輸入端加信號(hào)，測(cè)試其后各級(jí)輸出端信號(hào)是否正常，無故障則往前級(jí)推進(jìn)，若在某級(jí)輸出信號(hào)不正常時(shí)，則故障就發(fā)生在該級(jí).2.由后向前逐級(jí)檢查，尋找故障級(jí)。ABCDE多級(jí)放大電路常見故障及排除方法

（1）現(xiàn)象原因排除方法靜態(tài)工作點(diǎn)不正?；虿荒苷{(diào)整1.電源電壓未接入電

路。用萬用表測(cè)量電路的電源電壓是否正常。2.元器件連線或阻值

選取有誤。確認(rèn)元器件的阻值及連接關(guān)系正確。3.三極管管腳連接錯(cuò)

誤。確認(rèn)三極管管腳排列順序。靜態(tài)工作點(diǎn)正常，無任何輸出1.測(cè)量電路連接線未

連接好。檢查信號(hào)發(fā)生器連接線、示波器探頭是否與電路連接好；連接線是否開路。2.耦合電容未連接好或損壞。連接好耦合電容仍無輸出，更換耦合電容。多級(jí)放大電路常見故障及排除方法

（2）排除方法原因現(xiàn)象避免輸入輸出信號(hào)交