多級放大電路的設計報告

..電工電子技術課程設計報告題目：多級放大電路的設計二級學院機械工程學院年級專業(yè)14動力本學號1401250029學生姓名周俊指導教師張云莉教師職稱講師目錄第一章．基本要求和放電電路的性能指標...........................................................1第二章．概述和任務分析........................................................................................5第三章．電路原理圖和電路參數(shù)............................................................................6第四章．主要的計算過程........................................................................................9第五章．電路調試運算結果..................................................................................11第六章．總結...........................................................................................................12制作調試步驟及結果......................................................................................12收獲和體會......................................................................................................13第七章．誤差和分析..............................................................................................14第八章．參考文獻..................................................................................................15第一章．基本要求和放電電路的性能指標1.基本要求：用給定的三極管2SC1815<NPN>,2SA1015<PNP>設計多級放大器,已知VCC=+12V,-VEE=-12V,要求設計差分放大器恒流源的射極電流IEQ3=1~1.5mA,第二級放大射極電流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,并保證輸入級和輸出級的直流點位為零。設計并仿真實現(xiàn)。2.放電電路的性能指標：第一種是對應于一個幅值已定、頻率已定的信號輸入時的性能,這是放大電路的基本性能。第二種是對于幅值不變而頻率改變的信號輸出時的性能。第三種是對應于頻率不變而幅值改變的信號輸入時的性能。1.1第一種類型的指標：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。它定義為輸出變化量的幅值與輸入變化量的幅值之比,有時也稱為增益。雖然放大電路能實現(xiàn)功率的放大,然而在很多場合,人們常常只關心某一單項指標的放大的倍數(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。其他指標也是如此。2.輸入電阻作為一個放大電路,一定要有信號源來提供輸入信號。例如擴大機就是利用話筒將聲音轉成電信號提供放大電路的。放大電路與信號源相連,就要從信號源取電流。取電流的大小表明了放大電路對信號源的影響程度,所以我們定義一個指標,來衡量放大電路對信號源的影響,叫做輸入阻抗。當信號頻率不是很高時,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去的等效電阻。QUOTE越大,表明它從信號源取的電流越小,放大電路輸入端所得到的電壓QUOTE越接近信號電壓QUOTE。因此作為測量儀表用的放大電路其QUOTE要大。但是對于晶體管來說,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放大后,總要送到某裝置區(qū)發(fā)揮作用。這個裝置我們通常稱為負載。比如揚聲器就是擴大機的負載。當我們在原來的揚聲器兩端再并聯(lián)一個揚聲器時,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去有一個等效內阻,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的等效電路通常測定輸出電阻的辦法是輸入端加正弦波實驗信號,測出負載開路時的輸出電壓QUOTE,再測出接入負載QUOTE時的輸出電壓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載能力的大小。1.2第二種類型的指標：4.通頻帶當只改變輸入信號的頻率時,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來反映放大電路對于不同頻率的信號的適應能力。一般情況下,放大電路只適用于放大一個特定頻率范圍的信號,當信號頻率太高或太低時,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當信號頻率升高而使放大倍數(shù)下降為中頻時放大倍數(shù)〔記作QUOTE的0.7倍時,這個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倍時的低頻信號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,表明放大電路對信號頻率的適應能力越強。對于收錄機、擴大機來說,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：5.最大輸出幅值最大輸出幅值指的是當輸入信號再增大就會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的單項〔電壓和電流指標。此外還應該有一個綜合性的指標即最大輸出功率。它是輸出信號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現(xiàn)4.了有控制的能量轉換。既然是能量的轉換,就存在轉換效率的問題。也就是說,不能只看輸出功率的大小,還應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,所以當輸出幅度大了之后,有時需要討論它的失真問題。我們在這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以上三類指標是以輸入信號的幅值的頻率來劃分的。一般來說,第一類指標多適用于輸入為低頻小信號時的情況；第二類指標多適用于輸入信號幅值小但頻率變化范圍寬的情況；第三類指標則多適用于低頻但輸出幅值較大的情況。第二章．概述和任務分析多級放大電路的概述：在我們日常生活和科學研究等工作中,常常會遇到放大電路。這些放大電路的形式不通,性能指標也不同,使用的元器件也不相同,但它們都是用來進行信號的放大,其基本工作原理都是一樣的。在這些放大電路中,管放大電路時構成各種復雜電路的基本單元。本文以幾個簡單的放大電路為例,介紹放大電路的組成原理、工作原理、性能指標及計算方法。由于單級放大電路的放大倍數(shù)有限,不能滿足實際的需要,因此實5.用的放大電路都是由多級組成的。如圖。通?？煞譃閮纱蟛糠?即電壓放大<小信號放大>和功率放大<大信號放大>,前置級一般跟據(jù)信號源是電壓源還是電流源來選定,它與中間級主要的作用是放大信號電壓。中間級一般都用共發(fā)射極電路或組合電路組成。末級要求有一定的輸出功率供給負載RL,稱為功率放大器,一般由共集電極電路,或互補推挽電路,有時也用變壓器耦合放大電路。多級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：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.計算參數(shù)：一級放大電路的靜態(tài)工作點：；；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二級放大電路的靜態(tài)工作點：;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三級放大電路的靜態(tài)工作點：;;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.主要的計算過程直耦式多級放大電路的主要涉及任務是模仿運算放大器OP07的等效內部結構,簡化部分電路,采用差分輸入,共射放大,互補輸出等結構形式,設計出一個電壓增益足夠高的多級放大器,可對小信號進行不失真的放大。1.輸入級電路的輸入級是采用NPN型晶體管的恒流源式差動放大電路。差動放大電路在直流放大中零點漂移很小,它常用作多級直流放大電路的前置級,用以放大微笑的直流信號或交流信號。典型的差動放大電路采用的工作組態(tài)是雙端輸入,雙端輸出。放大電路兩邊對稱,兩晶體管型號、特性一致,各對應電阻阻值相同,電路的共模抑制比很高,利于抗干擾。該電路作為多級放大電路的輸入級時,采用vi1單端輸入,uo1的單端輸出的工作組態(tài)。計算靜態(tài)工作點：差動放大電路的雙端是對稱的,此處令T1,T2的相關射級、集電極電流參數(shù)為IEQ1=IEQ2=IEQ,ICQ1=ICQ2=ICQ。設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。此處射級采用了工作點穩(wěn)定電路構成的恒流源電路,此處有個較為簡單的確定工作點的方法：因為IC3≈IE3,所以只要確定了IE3就可以了,而,采用ui1單端輸入,uo1單端輸出時的增益2.主放大級本級放大器采用一級PNP管的共射放大電路。由于本實驗電路是采用直接耦合,各級的工作點互相有影響。前級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,同時也是第二級放大級的基極直流電壓,如果放大級繼續(xù)采用NPN型共射放大電路,則集電極的工作點會被抬得更高,集電極電阻值不好設計,選小了會使放大倍數(shù)不夠,選大了,則電路可能飽和,電路不能正常放大。對于這種情況,一般采用互補的管型來設計,也就是說第二級的放大電路用PNP型晶體管來設計。這樣,當工作在放大狀態(tài)下,NPN管的集電極電位高于基極點位,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的工作點,保證主放大器工作于最佳的工作點上,設計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并和差分輸入級鏈接的參考電路,其中T4為主放大器,其靜態(tài)工作點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,其工作點相互有影響,簡單估計方式如下：,〔硅管,由于,相互影響,具體在調試中要仔細確定。此電路中放大級輸出增益10.3.輸出級電路輸出級采用互補對稱電路,提高輸出動態(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互補對稱的交越失真。本級電路沒有放大倍數(shù)。第五章.電路調試運算結果用Multisim仿真設計結果,并調節(jié)電路參數(shù)以滿足性能指標要求。給出所有的仿真結果。電路圖如圖1所示 圖1輸入輸出端電壓測試：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)計算得到為1062倍。11.第六章.總結制作調試步驟及結果：各級靜態(tài)工作點測量及調整與輸入輸出電阻放大倍數(shù)測量①第一級：先按圖3連接第一級線路,用萬用表測得Vbe1＝0.6V,Vce1=5.94V,再接入Us=200mV信號,串聯(lián)一個Rs=5.1KΩ的電阻,用雙蹤示波器測得3,由于輸出電壓與輸入電壓比值太小,調節(jié)R1、Re12,測得,使Au=Ui/Uo=23,然后在輸出端接一負載為RL=3KΩ的電阻,測得電阻兩端電壓UL=1.25V,按輸入輸出電阻計算可得Ri=15.3KΩ,Ro=5.4KΩ,此時,再測得電路靜態(tài)工作點為Vbe1＝0.61V,Vce1=3.94V,以及Re12=0.38KΩ,R1=39KΩ.圖2②第二級：先按圖2連接第二級線路,用萬用表測得Vbe2＝0.62V,Vce2=5.78V,再接入Us=200mV信號,串聯(lián)一個Rs=5.1KΩ的電阻,用雙蹤示波器測得,由于輸出電壓與輸入電壓比值太小,調節(jié)R2、Re22,測得,使Au=Ui/Uo=23,然后在輸出端接一負載為RL=3KΩ的電阻,測得電阻兩端電壓UL=1.25V,按輸入輸出電阻計算可得Ri=15.3KΩ,Ro=5.4KΩ,此時再測得電路靜態(tài)工作點為Vbe2＝0.59V,Vce2=3.52V,以及Re22=0.085KΩ,R2=24KΩ③第三級：先按圖2連接第三級線路,用萬用表測得Vbe3＝0.64V,Vce3=5.62V,再接入Us=200mV信號,串聯(lián)一個Rs=5.1KΩ的電阻,用雙蹤示波12.器測得,調節(jié)R3,測得,然后在輸出端接一負載為RL=3KΩ的電阻,測得電阻兩端電壓UL=190mV,按輸入輸出電阻計算可得Ri=96.9KΩ,Ro=0,此時,再測得電路靜態(tài)工作點為Vbe1＝0.63V,Vce1=5.52V.以及R3=192.7KΩ.2.三級開環(huán)放大電路輸入輸出電阻及放大倍數(shù)測量如圖2接線,不引入反饋,將三級放大電路連接在一起,再接入Us=30mV信號,串聯(lián)一個Rs=5.1KΩ的電阻,用雙蹤示波器測得Ui=22mV,然后測得Uo=11.1v,接入負載為RL=3KΩ的電阻,測得電阻兩端電壓UL=10.9V,此時得到符合技術指標。3.三級閉環(huán)放大電路輸入輸出電阻、放大倍數(shù)及反饋電阻測量如圖2接線,接入Us=75mV信號,串聯(lián)一個Rs=5.1KΩ的電阻,用雙蹤示波器測得Ui=50mV,然后測得Uo=1.55v,接入負載為RL=3KΩ的電阻,測得電阻兩端電壓UL=1.5V,此時得到Auf=Ui/Uo=31>20,Rif=50.2KΩ>10KΩ,符合技術指標。此時測得4。收獲和體會：在此電路中利用了差動放大電路,利用PNP管放大級實現(xiàn)主放大電路,利用互補對稱輸出電路?？梢杂行У匾种屏泓c漂移,消除交越失真的影響,設計的多級放大電路,得到放大倍數(shù)為1058倍,符