多級(jí)放大電路的分析與設(shè)計(jì)

1、摘要電子設(shè)備中，往往需要放大微弱的信號(hào)，這主要是通過(guò)放大電路實(shí)現(xiàn)的。基本放大電路由單個(gè)晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成，為單級(jí)放大電路，其電壓放大倍數(shù)可以達(dá)到幾十倍。而當(dāng)信號(hào)非常微弱時(shí)，單級(jí)放大電路無(wú)法滿(mǎn)足放大需求，此時(shí)我們把若干個(gè)單級(jí)放大電路串接在一起，級(jí)聯(lián)組成多級(jí)放大電路。本文主要研究多級(jí)放大電路的分析與設(shè)計(jì)，根據(jù)各級(jí)電路級(jí)間耦合方式的不同，分別設(shè)計(jì)了直接耦合放大電路、阻容耦合放大電路和光耦合放大電路，分析了電路的靜態(tài)工作點(diǎn)、電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻等指標(biāo)特性。在此基礎(chǔ)上，討論了差分放大電路以及消除互補(bǔ)輸出級(jí)交越失真的方法。最后，以前面的討論為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一款具有差分輸入的多級(jí)放大電路，對(duì)電路

2、性能指標(biāo)進(jìn)行了設(shè)定，并分析了各部分的作用。2.1直接耦合多級(jí)放大電路的設(shè)計(jì)2.1.1 設(shè)計(jì)原理根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)主要采用兩級(jí)放大，為了傳遞變化緩慢的直流信號(hào)，可以把前級(jí)的輸出端直接接到后級(jí)的輸入端。這種連接方式稱(chēng)為直接耦合。如圖2.1所示。直接耦合式放大電路有很多優(yōu)點(diǎn)，它既可以放大和傳遞交流信號(hào)，也可以放大和傳遞變化緩慢的信號(hào)或者是直流信號(hào)，且便于集成。實(shí)際的集成 運(yùn)算放大器其內(nèi)部就是一個(gè)高增益的直接耦合多級(jí)放大電路。直接耦合放大電路，由于前后級(jí)之間存在著直流通路，使得各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)互相制約、互相影響。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)必須采取一定的措施，以保證既能有效地傳遞信號(hào)，又要使各級(jí)有合適的工

3、作點(diǎn)。圖2.1 直接耦合兩級(jí)放大電路通常在第二級(jí)的發(fā)射極接入穩(wěn)壓二極管，這樣既提高了第二級(jí)的基級(jí)電位，也使第一級(jí)的集電極靜態(tài)電位抬高，脫離飽和工作區(qū)，可以使整個(gè)電路穩(wěn)定正常的工作，穩(wěn)定三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)。但是在一個(gè)多級(jí)放大電路的輸入端短路時(shí)，輸出電壓并非始終不變，而是會(huì)出現(xiàn)電壓的隨機(jī)漂動(dòng)，這種現(xiàn)象叫做零點(diǎn)漂移，簡(jiǎn)稱(chēng)零漂。產(chǎn)生零漂的原因有很多，主要是以下兩點(diǎn)：一方面，由于元器件參數(shù)，特別是晶體管的參數(shù)會(huì)隨溫度的變化而變化；另一方面，即使溫度不變化，元器件長(zhǎng)期使用也會(huì)使遠(yuǎn)見(jiàn)老化，參數(shù)就會(huì)發(fā)生變化，由溫度引起的叫做溫漂，由元器件老化引起的叫做零漂，在多級(jí)放大電路中，第一級(jí)的影響尤為嚴(yán)重，它將被逐級(jí)放

4、大，以至影響整個(gè)電路的工作，所以零漂問(wèn)題是直接耦合放大電路的特殊問(wèn)題。解決零漂的方法有很多種，例如引入直流負(fù)反饋來(lái)穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，以減小零漂；利用溫度補(bǔ)償元件補(bǔ)償放大管的零點(diǎn)漂移，利用熱敏電阻或二極管來(lái)與工作管的溫度特性相補(bǔ)償；利用工作特性相同的管子構(gòu)成對(duì)稱(chēng)的一種電路差動(dòng)放大電路，這是最為行之有效的方法，故本次設(shè)計(jì)采用差動(dòng)放大電路來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。2.1.2 設(shè)計(jì)電路與仿真仿真電路如圖2.2所示，第一級(jí)為差分輸入電路，第二季為放大電路，第一級(jí)的兩個(gè)差分對(duì)管由兩個(gè)特性相同的管子構(gòu)成，屬于雙端輸入單端輸出電路。圖2.2 仿真電路圖為了電路處在正常的工作范圍內(nèi)，需要在零輸入的情況下，是系統(tǒng)的輸出盡可能的小

5、，所以在測(cè)試過(guò)程中，需要校準(zhǔn)調(diào)零，除此之外，在第一級(jí)采用射級(jí)差動(dòng)電路，共射級(jí)輸出接三極管，該三極管的基級(jí)利用3.7V的穩(wěn)壓管來(lái)實(shí)現(xiàn)供電，使得差分管的集電極電位保持穩(wěn)定電位，減小集電極電流的變化，使得管子正常工作，提高穩(wěn)定性。如圖2.3所示，萬(wàn)用表顯示調(diào)零示數(shù) 圖2.3 調(diào)零示數(shù)顯示調(diào)零過(guò)程中，電位的變化如表2.1所示表2.1R1/K9.339.329.319.309.299.279.28UCQ2/V10.93510.93810.93710.93810.93910.9410.94UCQ4/mv20.9352.803-14.997-32.784-50.781-68.406-86.213 由于整個(gè)輸

6、入級(jí)采取差分輸入的電路，因此在測(cè)量的過(guò)程中，測(cè)出的電壓放大倍數(shù)就是差模電壓放大倍數(shù)，整個(gè)電壓的測(cè)量結(jié)果利用示波器顯示，示波器顯示結(jié)果如圖2.4所示，測(cè)量結(jié)果表格如表2.2所示圖2.4 示波器測(cè)量結(jié)果圖表2.2 電壓放大倍數(shù)的測(cè)試輸入差模信號(hào)/mv第一級(jí)差模輸出電壓/mv第一級(jí)差模放大倍數(shù)第二級(jí)輸出電壓峰峰值/mv第二級(jí)放大倍數(shù)整個(gè)電路放大倍數(shù)238.64619.323-668.567-17.300-334.284 為了更好完善電路的功能，電路的設(shè)計(jì)的過(guò)程中考慮到共模抑制比的問(wèn)題，在測(cè)量的過(guò)程中考慮到，工模電壓放大倍數(shù)的測(cè)量，整個(gè)測(cè)量電路圖與整個(gè)仿真電路圖相同，測(cè)量數(shù)據(jù)的表格如表2.3所示表2.

7、3 共模電壓倍數(shù)的測(cè)量輸入共模信電壓峰值/mv第一級(jí)輸出電壓峰值/pv第二級(jí)輸出電壓峰值/pv第一級(jí)共模放大倍數(shù)整個(gè)電路的共模放大倍數(shù)共模抑制比1008.745164.876-8.9*10-91.68*10-92.46*1011 具有理想對(duì)稱(chēng)的差分放大電路抑制共模信號(hào)的能力很強(qiáng)，因此以它作直接耦合多級(jí)放大電路的輸入級(jí)可提高整個(gè)電路的的共模抑制比.2.2 阻容耦合多級(jí)放大電路 2.2.1 設(shè)計(jì)原理圖2.5 阻容耦合多級(jí)放大電路通過(guò)電阻和電容將前級(jí)輸出接下一級(jí)的輸入，相當(dāng)于只接入了一個(gè)電容，但考慮到輸入電阻，則每個(gè)電容都與電阻相連，故稱(chēng)這種連接為阻容耦合。前后級(jí)電路通過(guò)前一級(jí)的電容與后一級(jí)的電阻相

8、連，實(shí)現(xiàn)前后級(jí)耦合，耦合電容起隔直流通交流的作用，因此，各級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)彼此獨(dú)立，互不影響。只要耦合電容足夠大，前級(jí)信號(hào)就能在一定的頻率范圍內(nèi)幾乎無(wú)衰減的通過(guò)。阻容耦合電路具有交流信號(hào)傳輸損失小，放大倍數(shù)高，電路的溫漂小，體積小，成本低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用。 2.2.2 設(shè)計(jì)電路及仿真仿真電路如圖2.5所示，前一級(jí)為共集電極放大電路，前一級(jí)的帶負(fù)載能力比較強(qiáng)，后一級(jí)為共射級(jí)放大電路，電流與電壓的放大倍數(shù)比較大。 圖 2.5 阻容耦合多級(jí)仿真電路 如圖所示，經(jīng)過(guò)計(jì)算電路的輸入電阻為82K，輸出電阻10K，第一級(jí)的放大倍數(shù)為0.968，第二級(jí)的放大倍數(shù)為-147，從而得到整個(gè)電路的放大倍數(shù)為-114

9、，下面就瞬態(tài)響應(yīng)，直流分析，交流分析對(duì)電路進(jìn)行講解。瞬態(tài)分析的過(guò)程主要是對(duì)針對(duì)電路的時(shí)域響應(yīng)進(jìn)行分析，本次設(shè)計(jì)主要針對(duì)電路的設(shè)計(jì)，將電路的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓情況進(jìn)行分析，第一級(jí)的輸入節(jié)點(diǎn)1，第一級(jí)的輸出節(jié)點(diǎn)3，第二級(jí)的輸出節(jié)點(diǎn)8，瞬態(tài)分析的波形圖如圖2.6,2.7,2.8所示，分別為節(jié)點(diǎn)1,3,8的波形圖圖2.6圖 2.7圖2.8根據(jù)仿真的波形圖，觀察輸出電壓的幅值，可知第一級(jí)的放大倍數(shù)約為0.968左右，總的放大倍數(shù)約為114左右，滿(mǎn)足理論計(jì)算的要求，同時(shí)輸出波形的失真比較小，滿(mǎn)足放大電路的設(shè)計(jì)要求。交流分析，交流分析主要是對(duì)頻率，幅度的分析，仿真過(guò)程如圖2.9,2.10所示圖2.9 交流分析參

10、數(shù)設(shè)置圖2.10 交流仿真結(jié)果 交流仿真的過(guò)程主要是對(duì)節(jié)點(diǎn)8的輸出電壓信號(hào)進(jìn)行仿真觀察，由上述的波形圖可知，電路的放大倍數(shù)約為110左右，與理論計(jì)算結(jié)果相符合，同時(shí)可以看到幅度和相位對(duì)于頻率的響應(yīng)，電路在頻率為100Hz-1MHz之間可以保證信號(hào)幾乎無(wú)失真的通過(guò)，放大電路對(duì)于頻率在這一范圍內(nèi)的信號(hào)的放大能力最強(qiáng)，由于電路中電容、電感及半導(dǎo)體器件結(jié)電容等電抗元件的存在，在輸入信號(hào)較低或較高時(shí)，放出倍數(shù)的數(shù)值會(huì)下降并產(chǎn)生相移。直流分析，直流分析主要是用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于直流信號(hào)掃描過(guò)程中的響應(yīng)，仿真的過(guò)程如圖2.11，2.12所示圖2.11 直流參數(shù)設(shè)置2.12 直流仿真結(jié)果掃面過(guò)程中的信號(hào)源為VCC，電路的掃描范圍設(shè)置為0-12V，觀察節(jié)點(diǎn)6的電壓變化情況，輸出變量V相對(duì)于輸入變量的小信號(hào)轉(zhuǎn)移特性分析。在線(xiàn)性?huà)呙璧那闆r下，當(dāng)VCC在0-12V變化時(shí)，V6在0-19V內(nèi)線(xiàn)性變化。在進(jìn)行電路的仿真和測(cè)試中，明顯的看到兩級(jí)阻容耦合放大電路的放大能力比單管的放大電路的放大能力強(qiáng)，在交流分析、直流分析、瞬態(tài)分析、溫度分析中看到