實(shí)驗(yàn)七 多級交流放大器的設(shè)計(jì)

1、實(shí)驗(yàn)七 多級交流放大器的設(shè)計(jì)一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 學(xué)習(xí)多級交流放大器的設(shè)計(jì)方法。2掌握多級交流放大器的安裝、調(diào)試與測量方法二 預(yù)習(xí)要求 1根據(jù)教材中介紹的方法，設(shè)計(jì)一個(gè)滿足指標(biāo)要求的多級交流放大器，計(jì)算出多級交流放大器中各元件的參數(shù)，畫出標(biāo)有元件值的電路圖。2 預(yù)習(xí)多級交流放大器的調(diào)試與測量方法，制定出實(shí)驗(yàn)方案，選擇實(shí)驗(yàn)用的儀器設(shè)備。三 實(shí)驗(yàn)原理 當(dāng)需要放大低頻范圍內(nèi)的交流信號時(shí)，可用集成運(yùn)算放大器組成具有深度負(fù)反饋的交流放大器。由于交流放大器的級與級之間可以采用電容耦合方式，所以不用考慮運(yùn)算放大器的失調(diào)參數(shù)和漂移的影響。因此，用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的交流放大器具有組裝簡單、調(diào)試方便、工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。如果

2、需要組成具有較寬頻帶的交流放大器，應(yīng)選擇寬帶集成放大器，并使其處于深度負(fù)反饋。若要得到較高增益的寬帶交流放大器，可用兩個(gè)或兩個(gè)以上的單級交流放大器級聯(lián)組成。在設(shè)計(jì)小信號多級寬帶交流放大器時(shí)，輸入到前級運(yùn)算放大器的信號幅值較小，為了減小動態(tài)誤差，應(yīng)選擇寬帶運(yùn)算放大器，并使它處于深度負(fù)反饋。由于運(yùn)放的增益帶寬積是一個(gè)常數(shù)，因此，加大負(fù)反饋深度，可以降低電壓放大倍數(shù)，從而達(dá)到擴(kuò)展頻帶寬度的目的。由于輸入到后級運(yùn)放的信號幅度較大，因此，后級運(yùn)放在大信號的條件下工作，這時(shí)，影響誤差的主要因素是運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率，運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率越大，誤差越小。四 設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)舉例1 設(shè)計(jì)方法與步驟：（1） 確定放大器的級數(shù)

3、n 根據(jù)多級放大器的電壓放大倍數(shù)Au和所選用的每級放大器的放大倍數(shù)Aui，確定多級放大器的級數(shù)n。 （2） 選擇電路形式（3） 選擇集成運(yùn)算放大器 先初步選擇一種類型的運(yùn)放，然后根據(jù)所選運(yùn)放的單位增益帶寬BW，計(jì)算出每級放大器的帶寬。 （1）并按（2）式算出。 （2） 多級放大器的總帶寬必須滿足： （3） 若，就不能滿足技術(shù)指標(biāo)提出的帶寬要求，此時(shí)可再選擇增益帶寬積更高的運(yùn)放。一直到多級放大器的總帶寬滿足（3）式為止。當(dāng)所選擇的運(yùn)放滿足帶寬要求后，對末級放大器所選用的運(yùn)放，其轉(zhuǎn)換速率必須滿足： （4）否則會使輸出波形嚴(yán)重失真。 （4） 選擇供電方式在交流放大器中的運(yùn)放可以采用單電源供電或正負(fù)雙

4、電源供電方式。單電源供電與正負(fù)雙電源供電的區(qū)別是：單電源供電的電位參考點(diǎn)為負(fù)電源端（此時(shí)負(fù)電源端接地）。而正負(fù)雙電源供電的參考電位是總電源的中間值（當(dāng)正負(fù)電源的電壓值相等時(shí)，參考電位為零）。 （5）計(jì)算各電阻值 根據(jù)交流放大器的輸入電阻和對第一級電壓放大倍數(shù)的要求，先確定出第一級的輸入電阻和負(fù)反饋支路的電阻，然后再根據(jù)第二級電壓放大倍數(shù)的要求，確定出第二級的輸入電阻和負(fù)反饋支路的電阻。按此順序，逐漸地把每級的電阻值確定下來。（6）計(jì)算耦合電容 當(dāng)信號源的內(nèi)阻和運(yùn)放的輸出電阻被忽略時(shí)，信號源與輸入級之間、級與級之間的耦合電容可按下式計(jì)算。 （5） 上式中，是耦合電容C所在級的輸入電阻。類似地輸出

5、電容可按下式計(jì)算。 （6）2 設(shè)計(jì)舉例要求設(shè)計(jì)一個(gè)交流放大器，性能指標(biāo)為：中頻電壓放大倍數(shù)：輸入電阻： 通頻帶：，其中 ， 最大不失真輸出電壓：已知負(fù)載電阻：設(shè)計(jì)步驟：（1） 確定放大器的級數(shù)n由于所要求的電壓放大倍數(shù)Au=1000，同相放大器的電壓放大倍數(shù)在1100之間，反相放大器的電壓放大倍數(shù)在0.1100之間，因此采用兩級就可以滿足設(shè)計(jì)要求。在本例中放大器的級數(shù)選用兩級。 （2） 選擇電路形式由于同相放大器的輸入電阻比較高，在不接同相端平衡電阻RP時(shí)，同相放大器的輸入電阻在10M100M之間，接了同相端平衡電阻RP后，輸入電阻主要由RP的值決定。反相放大器的輸入電阻Ri=R1，R1的取值

6、一般在1k1M之間，對于所設(shè)計(jì)的交流放大器，要求輸入電阻Ri=20k，因此輸入級無論采用同相放大器還是反相放大器都能滿足要求。 由于交流放大器所要求的最大不失真輸出電壓Uom=5V，因此最大不失真輸出電流： 對于普通運(yùn)放，其輸出電流一般都在幾毫安與十幾毫安之間，因此無須采用擴(kuò)流方式。根據(jù)以上分析，采用圖1所 Rf1 Rf2示兩極交流放大電路。在圖1的 R1 C2 R2 C3交流放大電路中，第一級采用同 A1 A2 uo 相放大器，選擇其電壓放大倍數(shù) ui C1 RLAu1=10，以降低放大電路的信噪比。 RP1 RP2第二級采用反相放大器，選擇其電壓放大倍數(shù)Au2=100。此時(shí)，第 圖1 兩級

7、交流放大電路一級運(yùn)放工作在小信號情況下，第二級運(yùn)放工作在大信號的情況下。 （3）選擇集成運(yùn)算放大器 第一級交流放大器中，若該級運(yùn)放選擇，由于其單位增益帶寬，因此第一級交流放大器的帶寬為：因此，故第一級交流放大器采用型運(yùn)放，可滿足設(shè)計(jì)要求。 第二級交流放大器中，若該級運(yùn)放也選擇，則該級放大器的帶寬為： 因此（其中），若第二級交流放大器采用，就不能滿足設(shè)計(jì)要求。 若選用LF347（或），由于LF347的單位增益帶寬為4MHz，轉(zhuǎn)換速率。因此第二級的帶寬為： 因此，能滿足設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求。由于第二級運(yùn)算放大器工作在大信號情況下，因此選擇運(yùn)放時(shí)，除了要考慮集成運(yùn)放的增益帶寬積外，還要考慮運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率，

8、要求所選運(yùn)放的轉(zhuǎn)換速率滿足：將，代入上式，可求得，對于LF347集成運(yùn)放，其轉(zhuǎn)換速率，因此滿足設(shè)計(jì)要求。 （4）選擇供電方式在本設(shè)計(jì)課題中采用正負(fù)雙電源供電方式。 （5） 計(jì)算電阻值根據(jù)性能指標(biāo)要求，輸入電阻，第一級放大器的輸入電阻既是平衡電阻，也是整個(gè)放大器的輸入電阻，因此取，由 和，可得：,.對于第二級放大器，取，則，。（6） 計(jì)算耦合電容對于交流同相放大器，耦合電容：取標(biāo)稱值，得：C1=1F第一級放大器與第二級放大器之間的耦合電容：其中，Ri2=R2=10k，電容取標(biāo)稱值，得：C2=1F第二級放大器輸出端的的耦合電容：取標(biāo)稱值，得：C3=4.7F四.調(diào)試方法1 按圖2所示連接第一級交流放

9、大器。 Rf1其中，R2是第一級交流放大器的負(fù)載，也是 R1 C2第二級交流放大器的輸入電阻Ri2，C2是第 A1 uo一級交流放大器與第二級交流放大器之間的 ui C1 R2 耦合電容。 RP1 2從放大器的輸入端輸入頻率為1kHz，幅度Uim=5mV的交流信號，用示波器在放大器 圖2 第一級交流放大器的輸出端測出輸出電壓的幅值Uo1m，根據(jù)Uim 圖中：RP1=20k，R1=22k，Rf1=200k，與Uo1m算出該級電壓放大倍數(shù)Au1。然后將輸 C1=1F，C2=1F，R2=10k入信號的頻率改為20Hz，輸入信號的幅度保持5mV不變，測出對應(yīng)的輸出電壓U´o1m，若U

10、0;o1m =0.707 Uo1m， 說明已達(dá)到指標(biāo)要求，若U´o1m < 0.707 Uo1m ，說明C1、C2的值取得太小，此時(shí)應(yīng)先加大C1 的值，同時(shí)觀察對應(yīng)的輸出電壓U´o1m ，然后再改變C2 的值，一直調(diào)節(jié)到U´o1m =0.707 Uo1m為止；若U´o1m >0.707 Uo1m，說明C1、C2的值取得太大，此時(shí)應(yīng)先減小C1的值，同時(shí)觀察對應(yīng)的輸出電壓U´o1m ，然后再改變C2的值，一直調(diào)節(jié)到U´o1m =0.707 Uo1m。此時(shí)第一級放大器就已經(jīng)調(diào)試好了，接著就可以調(diào)試第二級放大器。3 按圖3所示連接

11、第二級放大器，在第二 Rf2級交流放大器的輸入端輸入頻率為1kHz，幅度 C2 R2 C3 Uim=50mV的交流信號，用示波器在放大器的輸 A2 出端測出輸出電壓的幅值Uo2m，根據(jù)Uim與Uo2m RL算出該級電壓放大倍數(shù)Au2。然后將輸入信號的 RP2頻率改為20Hz，輸入信號的幅度保持不變，測出對應(yīng)的輸出電壓U´o2m，若U´o2m =0.707 Uo2m， 圖3 第二級交流放大器說明已達(dá)到指標(biāo)要求，若U´o2m < 0.707 Uo2m ， 圖中：C2取第一級交流放大器調(diào)試后的值，說明C2、C3的值取得太小，此時(shí)應(yīng)先加大C2 RP2=9.1k,Rf

12、2=1M，C3=4.7F,RL=2k的值，同時(shí)觀察對應(yīng)的輸出電壓U´o2m，然后再改變C3的值，一直調(diào)節(jié)到U´o2m=0.707Uo2m為止；若U´o2m>0.707Uo2m，說明C2、C3的值取得太大，此時(shí)應(yīng)先減小C2的值，同時(shí)觀察對應(yīng)的輸出電壓U´o2m ，然后再改變C3的值，一直調(diào)節(jié)到U´o2m =0.707 Uo2m。此時(shí)第二級放大器就已經(jīng)調(diào)試好了。接著就可以將兩級放大器連接起來調(diào)試。4按圖1所示連接兩級交流放大器（圖中的元件值?。篟P1=20k，R1=22k，Rf1=200k，R2=10k，RP2=10k，Rf2=1M，RL=2

13、k，C1、C2，C3取前面調(diào)試后的值）從放大器的輸入端輸入頻率為1kHz，幅度Uim=5mV的交流信號，用示波器在放大器的輸出端測量輸出電壓的幅值Uom，根據(jù)Uim與Uom算出總的電壓放大倍數(shù)Au。然后將輸入信號的頻率改為20Hz，保持輸入信號的幅度不變，測出對應(yīng)的輸出電壓U´om，若U´om =0.707 Uom，說明已達(dá)到指標(biāo)要求，若U´om < 0.707 Uom ，可適當(dāng)加大C1的值，同時(shí)觀察對應(yīng)的輸出電壓U´om ，然后再改變C2與C3的值，一直調(diào)節(jié)到U´om =0.707 Uom時(shí)為止；若U´om >0.707 Uom，可適當(dāng)減小C1的值，同時(shí)觀察對應(yīng)的輸出電壓U´om ，然后再改變C2與C3的值，一直調(diào)節(jié)到U´om =0.707 Uom。此時(shí)兩級放大器就已經(jīng)調(diào)試好了。接著可以進(jìn)行其它性能的測試。五實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1設(shè)計(jì)一個(gè)交流放大器，性能指標(biāo)為：中頻電壓放大倍數(shù)：輸入電阻： 通頻帶： ，其中， 最大不失真輸出電壓：已知負(fù)載電阻：