低頻放大電路的設(shè)計(jì)制作

1、低頻放大電路設(shè)計(jì)制作 *模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告低頻放大電路設(shè)計(jì)制作本文主要論述如何設(shè)計(jì)制作一個(gè)低頻放大電路，包括實(shí)驗(yàn)的電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、模擬仿真以及電路實(shí)際制作與測(cè)試等各個(gè)步驟，最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案是可行的。2013*低頻放大電路的設(shè)計(jì)制作作者： *時(shí)間：2013年6月7日 地點(diǎn)：*參數(shù)要求：在f=1KHZ 時(shí)，電壓增益>100 ；輸入電阻 > 100K ；輸出電阻 < 1K；輸出動(dòng)態(tài)范圍盡可能的大。Vcc 為12V；>80.一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康腁、 掌握多級(jí)放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)的調(diào)試方法；B、 掌握多級(jí)放大電路的電壓放大倍數(shù)，輸入電阻，輸出電阻的測(cè)試方法；C

2、、 掌握負(fù)反饋對(duì)放大電路動(dòng)態(tài)參數(shù)的影響；D、 提高電路設(shè)計(jì)與制作能力，培養(yǎng)動(dòng)手能力，將理論運(yùn)用于實(shí)際；二、實(shí)驗(yàn)原理 l 考慮到該電路放大倍數(shù)要求較高，并實(shí)驗(yàn)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(jí)共射放大電路，但級(jí)數(shù)過多會(huì)影響輸出反饋信號(hào)的相移，電路容易自激，最后折中處理，本實(shí)驗(yàn)實(shí)際采用兩級(jí)共射放大；l 多級(jí)放大電路，由于各級(jí)之間參數(shù)會(huì)相互影響，若采用直接耦合，則對(duì)于靜態(tài)工作點(diǎn)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(fù)反饋，并最終設(shè)計(jì)為級(jí)間電壓串聯(lián)負(fù)反饋；三、 實(shí)驗(yàn)方案Ø 電路圖設(shè)計(jì)綜合考慮各個(gè)因數(shù)，本實(shí)驗(yàn)方案最終設(shè)計(jì)為

3、 兩級(jí)阻容耦合的共射放大電路，并且采用級(jí)間電壓串聯(lián)負(fù)反饋，電路設(shè)計(jì)如下圖（采用Mutisim10.0仿真）：共射放大器I共射放大器2電壓串聯(lián)負(fù)反饋圖一 電路設(shè)計(jì)方案Ø 電路元件參數(shù)設(shè)計(jì)與相關(guān)計(jì)算過程：本實(shí)驗(yàn)采用的是NPN 9011型號(hào)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(jì)算過程如下：ü 確定D根據(jù)要求AVF >100， AVF=AV1+AVF1F ， D=1+AVF1 因兩級(jí)共射放大器開環(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(fù)反饋。ü 確定Re1、RF 由于 riFDriDRe1 Re1riFD=100K

4、9*80=138.89 選定Re1=150 又 F=Re1RF+Re1<1Auf 則 RF>Auf-1Re1>100*150=15K選定Rf =20K.ü 設(shè)計(jì)Rc1、Rc2、IcQ1、IcQ2roFroDRc2RFD1K Rc2DrofRFRF-Drof=9*1K18K18K-9K=18K選定Rc2=17 K要求輸出動(dòng)態(tài)范圍大第二級(jí)工作點(diǎn)位于交流負(fù)載線中間左右Vc2'=VccRf+VCEQRC2RC2+RFVCEQ2=12VC2' （交流負(fù)載線）則 VCEQ2=VCCRF2RF+RC2=12*18K2*18K+15K4V 又在兼顧動(dòng)態(tài)范圍大又不影響

5、增益的情況下 取 Re2=800.則 ICQ2=12-VCEQ2RC2+Re2 由第二級(jí)放大電路采取分壓式偏置 則 VCCRb下Rb上+Rb下=VB=VBEQ+VE=0.7+IEQ2Re2 VCCRb上+Rb下=510ICQ2 由式解得： Rb上=274K Rb下=27K又 rbe2=rbb'+UTICQ2=300+80*26mvICQ2=4.408Kri2=Rb上Rb下rbe2 RC1=4ri2由式解得：Rc1=18.78K 即 20K又第一級(jí)工作在小信號(hào)狀態(tài)，交流負(fù)載線比直流負(fù)載線更陡，為計(jì)算簡(jiǎn)單，工作點(diǎn)選在此直流負(fù)載線中點(diǎn)偏高點(diǎn)，即接近交流負(fù)載線中點(diǎn)ICQ1VCC2(RC1+Re

6、1) Rb1=VCC-VBEQ-ICQ1Rc1ICQ1/ 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：Re1RfRc2Re2Rb上Rb下Rc1Rb115020K17K800274K27K20K3.3M由此，該電路中的元件參數(shù)全部取定。Ø 元件參數(shù)驗(yàn)算首先畫出交流等效電路圖，如圖所示：驗(yàn)算Au：Au1=-(Rc1/Rb2/rbe2)rbe1+(1+)(Re1/Rf)=-rbe2rbe1+Re1=-13.3 Au2=-Rc2/(Rf+Re1)rbe2=-(Rc2/Rf)rbe2=-245 Au=Au1* Au2=3185驗(yàn)算F： F=Re1Re1+

7、RF=7.44*10（-3）驗(yàn)算Auf： Auf=Au1+AuF=129驗(yàn)算D：D=1+AuF=15驗(yàn)算Rof： Rof=Rc2/(Rf+Re1)D=Rc2/RfD=613驗(yàn)算Rif： Ri=rbe1+1+(Re1/Rf)=rbe1+1+Re1=14K Rif=Rb1/DRi=197 KØ 電路仿真在對(duì)電路進(jìn)行初步理論設(shè)計(jì)后，還需要通過仿真來實(shí)際檢測(cè)電路的可行性，這里我們使用的是Mutisim 10.0 軟件進(jìn)行的仿真，但在10.0版本里找不到實(shí)驗(yàn)用的NPN 9011三極管，通過參數(shù)比較，我們最終選擇用2N2222A來替代，并且最終實(shí)驗(yàn)證明這個(gè)替代是可行的。ü 放大倍數(shù)仿真

8、測(cè)量這里我們可以看到，輸入信號(hào)時(shí)有效值為10mv的正弦波，輸出用示波器觀測(cè)，在波形不失真的情況下輸出為1.27V，則放大倍數(shù)為AVf=UoUi=1.27V10mv=127>100亦即放大了127倍大于實(shí)驗(yàn)要求的100倍，故放大倍數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。ü 輸入阻抗測(cè)量 這里我們采用串聯(lián)電阻法測(cè)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(shí)際測(cè)量結(jié)果為7.973mv，則由輸入阻抗計(jì)算公式：Ri=UiUs-UiRs=7.97310-7.973*100K=393.3Kü 輸出阻抗測(cè)量加入10K負(fù)載測(cè)負(fù)載電壓空載時(shí)的輸出電

9、壓這里測(cè)量輸出阻抗時(shí)我們采用的是外加負(fù)載法，即分別測(cè)量并聯(lián)負(fù)載電阻后的電壓和開路電壓，然后根據(jù)輸出阻抗計(jì)算公式計(jì)算。我們選用的是10K的負(fù)載，輸入任然為10mv正弦波信號(hào)，上圖是加入負(fù)載后的測(cè)得的電壓為1.21V，下圖是開路時(shí)測(cè)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(cè)量的。則輸出阻抗為：Ro=Uo-UrUrR=1.27-1.211.21*10K=495.87<1K輸出阻抗計(jì)算出來為495.87，小于實(shí)驗(yàn)要求的1K，故符合要求。綜上所述，我們的設(shè)計(jì)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

10、結(jié)果完全滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求，證明該設(shè)計(jì)方案的確是可行的。四、 實(shí)驗(yàn)過程1. 元器件選取以及測(cè)量：首先根據(jù)上述理論推導(dǎo)過程、實(shí)驗(yàn)中老師的要求以及實(shí)驗(yàn)室所提供的元器件，選取本次實(shí)驗(yàn)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 K*1，3.0M*1；電位器1M*2；電容10uF*4，0.033uF*1；三極管NPN9011*2。2. 連接電路：將設(shè)計(jì)過程中，Rb1的3.3M電阻用電位器1M以及一個(gè)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(fù)極關(guān)系以及仿真的電路圖連接

11、電路。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，防止電路自激影響，盡量簡(jiǎn)化了電路，避免了導(dǎo)線過長或者交叉。3. 初步測(cè)量：電路連接完，反復(fù)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(hào)發(fā)生器，輸出端接示波器，進(jìn)行初步測(cè)量。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量，較小的輸入信號(hào)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，電路穩(wěn)定無自激現(xiàn)象。4. 調(diào)節(jié)Q點(diǎn)以及測(cè)量閉環(huán)增益Auf：適當(dāng)調(diào)節(jié)輸入信號(hào)電壓，使輸出波形產(chǎn)生失真，由實(shí)際實(shí)驗(yàn)所得波形為底部失真，因此調(diào)小Rbe1和Rbe上部分的兩個(gè)電位器的阻值，當(dāng)調(diào)得不失真情況下，繼續(xù)增大輸入信號(hào)電壓，使之再次失真，重復(fù)上述步驟，最終當(dāng)增大輸入信號(hào)電壓時(shí)，同時(shí)產(chǎn)生了頂部失真

12、和截止失真，此時(shí)Q點(diǎn)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。5. 測(cè)量輸出電阻Rof：電路的輸出端接上1.5 K的負(fù)載電阻Rl，利用分壓法進(jìn)行測(cè)量輸出電阻。當(dāng)接入負(fù)載Rl時(shí)，改變了交流負(fù)載線的斜率，因此調(diào)小輸入信號(hào)電壓，使得輸出Ul不失真。此時(shí)測(cè)得Rl兩端電壓為Ul=430mV，斷開負(fù)載Rl，測(cè)得輸出電壓Uo=561mv。因此Ro=（Uo-Ul）*Rl/Ul=457 。6. 測(cè)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(jìn)行輸入電阻的測(cè)量。當(dāng)輸入電壓為10mV時(shí)，測(cè)得輸入端Ui為6.72mV，因此測(cè)得R

13、i=Ui*R/(Ui-Ui)=204.8 K。7. 測(cè)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(hào)的頻率，當(dāng)輸出電壓Uo下降到0.7Uo時(shí)，用示波器測(cè)出輸入信號(hào)的fl和fH。測(cè)得fl=52.00HZ，fH=420KHZ。即該電路的通頻帶寬為 52.000HZ420KHZ五、 結(jié)果分析與問題總結(jié)l 電路的連接由于實(shí)驗(yàn)箱的插孔位置相對(duì)于集中，因此便于將整個(gè)電路在相對(duì)較小的空間進(jìn)行安排，首先確定兩個(gè)三極管的位置，然后根據(jù)電路圖分別再確定第一級(jí)放大電路和第二級(jí)放大電路的其他元器件位置，最終連接電路設(shè)計(jì)相對(duì)較好，并且為避免自激現(xiàn)象的產(chǎn)生，電路的連接都盡量使用短的導(dǎo)線進(jìn)行連接并且導(dǎo)線之

14、間很少或近乎沒有交叉，這同樣使我們連接的電路未產(chǎn)生自激的現(xiàn)象，節(jié)省了電容來消除自激，節(jié)省了元器件并且節(jié)約了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。電路連接的實(shí)圖如下所示：l 工作點(diǎn)的設(shè)置：在設(shè)置工作點(diǎn)的過程中，首先減小輸入信號(hào)的電壓保證輸出波形是穩(wěn)定的正弦波，避免在調(diào)節(jié)電位器時(shí)，輸出波形一直失真。然后逐漸輸入信號(hào)的電壓緩慢增大，觀察波形產(chǎn)生的何種失真，對(duì)電位器進(jìn)行相對(duì)的調(diào)節(jié)，使其同時(shí)出現(xiàn)頂部失真和底部失真。在實(shí)驗(yàn)的過程中，由于一開始未減小輸入電壓，導(dǎo)致波形失真，影響了實(shí)驗(yàn)的測(cè)量以及進(jìn)行進(jìn)度，后改正，最終調(diào)得Q點(diǎn)。工作點(diǎn)調(diào)節(jié)完畢后，觀察輸出電壓和輸入電壓波形，以及增益滿足實(shí)驗(yàn)要求，因此滿足實(shí)驗(yàn)預(yù)期，工作點(diǎn)的設(shè)置完成。l 放大

15、電路的增益：由上述的驗(yàn)算可知：理論值計(jì)算的Auf=129，而實(shí)際的Auf=126.6。首先滿足了實(shí)驗(yàn)的要求，閉環(huán)增益大于等于100倍。再者，由于理論值在計(jì)算的過程中，電路圖首先進(jìn)行了等效，在算理論值時(shí)也進(jìn)行了相當(dāng)多的估算，也同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。因此，滿足了實(shí)驗(yàn)預(yù)期。l 輸出電阻的測(cè)量：由驗(yàn)算分析可得：實(shí)際測(cè)量的輸出電阻為Ro=457，在實(shí)際測(cè)量當(dāng)中，采用了分壓式的測(cè)量方法，串聯(lián)負(fù)載電阻Rl，利用兩者的分壓關(guān)系，來確定輸出電阻Ro。實(shí)際的輸出電阻Ro滿足實(shí)驗(yàn)要求，小于1 K。首先由于實(shí)際的測(cè)量方式和理論推導(dǎo)采用的方法不同，尤其串聯(lián)了負(fù)載電阻，對(duì)原電路產(chǎn)生了影響，因此產(chǎn)生了誤差。再者，在理論推導(dǎo)

16、的過程中，也不斷的進(jìn)行估算，也會(huì)造成相對(duì)的計(jì)算誤差。因此，實(shí)際測(cè)量值在誤差的允許范圍之內(nèi)，滿足實(shí)驗(yàn)要求，滿足預(yù)期。當(dāng)輸出端串聯(lián)負(fù)載后，會(huì)改變交流負(fù)載線的斜率，因此導(dǎo)致新的Q點(diǎn)并非在中點(diǎn)，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(shí)際的操作過程中，由于初始的輸入電壓過大，導(dǎo)致輸出波形失真，無法用分壓關(guān)系進(jìn)行測(cè)量輸出電阻，并且試圖增大負(fù)載Rl的阻值來改變交流負(fù)載先斜率，但最終發(fā)現(xiàn)，減小輸入電壓的方法簡(jiǎn)單有效，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。l 輸入電阻的測(cè)量：有之前的驗(yàn)算可得，理論值為：實(shí)際測(cè)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(shí)驗(yàn)

17、要求，由于理論值計(jì)算過程中存在估算，會(huì)產(chǎn)生誤差，因此誤差在允許在范圍內(nèi)，滿足實(shí)驗(yàn)的預(yù)期。測(cè)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(shí)候?qū)е螺敵霾ㄐ尾环€(wěn)定甚至有較大改變或者未測(cè)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(dǎo)致信號(hào)未進(jìn)入電路內(nèi)部進(jìn)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(hào)，電壓信號(hào)可以進(jìn)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(jìn)行測(cè)量，最終得出了結(jié)果，完成了實(shí)驗(yàn)。六、 總結(jié) 這次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，雖然并不是一個(gè)很難的實(shí)驗(yàn)，對(duì)于我們來說，理論計(jì)算都不是大問題，但是從設(shè)計(jì)、計(jì)算、仿真到實(shí)際操作的確耗費(fèi)了我們大量的

18、時(shí)間和精力?？赡芪覀円呀?jīng)習(xí)慣了題目給出電路來計(jì)算靜態(tài)工作點(diǎn)，習(xí)慣了題目電路里標(biāo)出電阻值參數(shù)來計(jì)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(shí)電路的設(shè)計(jì)，參數(shù)的計(jì)算才是整個(gè)電路設(shè)計(jì)制作的核心，操作、測(cè)量都是其次，我們平時(shí)太過于注重理論書上的做題，反而忽略了最重要的。 這次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)給我的感觸的確很深刻，我原以為電路不過十多個(gè)元器件半天就可以搞定，我原以為電路設(shè)計(jì)完了參數(shù)立馬就可以確定了，我原以為參數(shù)確定了仿真肯定效果肯定會(huì)完全滿足，我原以為仿真成功了實(shí)際操作時(shí)結(jié)果也不會(huì)和仿真相差太遠(yuǎn)，我原以為對(duì)于示波器、信號(hào)發(fā)生器等儀器我已經(jīng)足夠熟悉，出現(xiàn)什么問題都可以解決，我原以為所有的狀況我都考慮全面了，但我貌似全錯(cuò)了。各個(gè)環(huán)節(jié)都有我考慮不周全的地方，可能導(dǎo)致電路設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致全部重來。所以這次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)給我的感觸的確夠深刻，對(duì)我的幫助也真是不僅僅是一個(gè)實(shí)驗(yàn)，歸納總結(jié)如下：² 提高電路制作能力，培養(yǎng)了獨(dú)立設(shè)計(jì)電路的能力，將理論運(yùn)用于實(shí)際；² 一個(gè)電路設(shè)計(jì)的好壞電路結(jié)構(gòu)是一方面，但不是最重要的，參數(shù)的選擇合理，參數(shù)如何計(jì)算，估算怎么做，估算完后帶回電路重新檢驗(yàn)等等都是直