低頻放大電路的設(shè)計制作

1、低頻放大電路設(shè)計制作 *模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗設(shè)計報告低頻放大電路設(shè)計制作本文主要論述如何設(shè)計制作一個低頻放大電路，包括實驗的電路設(shè)計、參數(shù)計算、模擬仿真以及電路實際制作與測試等各個步驟，最后實驗結(jié)果表明該實驗設(shè)計方案是可行的。2013*低頻放大電路的設(shè)計制作作者： *時間：2013年6月7日 地點：*參數(shù)要求：在f=1KHZ 時，電壓增益>100 ；輸入電阻 > 100K ；輸出電阻 < 1K；輸出動態(tài)范圍盡可能的大。Vcc 為12V；>80.一、實驗?zāi)康腁、 掌握多級放大電路的靜態(tài)工作點的調(diào)試方法；B、 掌握多級放大電路的電壓放大倍數(shù)，輸入電阻，輸出電阻的測試方法；C

2、、 掌握負(fù)反饋對放大電路動態(tài)參數(shù)的影響；D、 提高電路設(shè)計與制作能力，培養(yǎng)動手能力，將理論運用于實際；二、實驗原理 l 考慮到該電路放大倍數(shù)要求較高，并實驗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共射放大電路，但級數(shù)過多會影響輸出反饋信號的相移，電路容易自激，最后折中處理，本實驗實際采用兩級共射放大；l 多級放大電路，由于各級之間參數(shù)會相互影響，若采用直接耦合，則對于靜態(tài)工作點的調(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)計為級間電壓串聯(lián)負(fù)反饋；三、 實驗方案Ø 電路圖設(shè)計綜合考慮各個因數(shù)，本實驗方案最終設(shè)計為

3、 兩級阻容耦合的共射放大電路，并且采用級間電壓串聯(lián)負(fù)反饋，電路設(shè)計如下圖（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)計方案Ø 電路元件參數(shù)設(shè)計與相關(guān)計算過程：本實驗采用的是NPN 9011型號的三極管，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Rc1、Rc2、IcQ1、IcQ2roFroDRc2RFD1K Rc2DrofRFRF-Drof=9*1K18K18K-9K=18K選定Rc2=17 K要求輸出動態(tài)范圍大第二級工作點位于交流負(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又第一級工作在小信號狀態(tài)，交流負(fù)載線比直流負(fù)載線更陡，為計算簡單，工作點選在此直流負(fù)載線中點偏高點，即接近交流負(fù)載線中點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)驗算首先畫出交流等效電路圖，如圖所示：驗算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驗算F： F=Re1Re1+

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

8、測量這里我們可以看到，輸入信號時有效值為10mv的正弦波，輸出用示波器觀測，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倍大于實驗要求的100倍，故放大倍數(shù)滿足設(shè)計要求。ü 輸入阻抗測量 這里我們采用串聯(lián)電阻法測量輸入阻抗。 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，如圖實際測量結(jié)果為7.973mv，則由輸入阻抗計算公式：Ri=UiUs-UiRs=7.97310-7.973*100K=393.3Kü 輸出阻抗測量加入10K負(fù)載測負(fù)載電壓空載時的輸出電

9、壓這里測量輸出阻抗時我們采用的是外加負(fù)載法，即分別測量并聯(lián)負(fù)載電阻后的電壓和開路電壓，然后根據(jù)輸出阻抗計算公式計算。我們選用的是10K的負(fù)載，輸入任然為10mv正弦波信號，上圖是加入負(fù)載后的測得的電壓為1.21V，下圖是開路時測得的電壓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輸出阻抗計算出來為495.87，小于實驗要求的1K，故符合要求。綜上所述，我們的設(shè)計方案最后在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)果完全滿足實驗設(shè)計要求，證明該設(shè)計方案的確是可行的。四、 實驗過程1. 元器件選取以及測量：首先根據(jù)上述理論推導(dǎo)過程、實驗中老師的要求以及實驗室所提供的元器件，選取本次實驗所需的電阻，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)計過程中，Rb1的3.3M電阻用電位器1M以及一個定值電阻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。為保證實驗結(jié)果準(zhǔn)確，防止電路自激影響，盡量簡化了電路，避免了導(dǎo)線過長或者交叉。3. 初步測量：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)信號發(fā)生器，輸出端接示波器，進(jìn)行初步測量。經(jīng)實驗測量，較小的輸入信號經(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點以及測量閉環(huán)增益Auf：適當(dāng)調(diào)節(jié)輸入信號電壓，使輸出波形產(chǎn)生失真，由實際實驗所得波形為底部失真，因此調(diào)小Rbe1和Rbe上部分的兩個電位器的阻值，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)增大輸入信號電壓時，同時產(chǎn)生了頂部失真

12、和截止失真，此時Q點調(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)行測量輸出電阻。當(dāng)接入負(fù)載Rl時，改變了交流負(fù)載線的斜率，因此調(diào)小輸入信號電壓，使得輸出Ul不失真。此時測得Rl兩端電壓為Ul=430mV，斷開負(fù)載Rl，測得輸出電壓Uo=561mv。因此Ro=（Uo-Ul）*Rl/Ul=457 。6. 測量輸入電阻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)行輸入電阻的測量。當(dāng)輸入電壓為10mV時，測得輸入端Ui為6.72mV，因此測得R

13、i=Ui*R/(Ui-Ui)=204.8 K。7. 測量上下限頻率fl和fH：保證輸入電壓不變，分別減小和增大輸入信號的頻率，當(dāng)輸出電壓Uo下降到0.7Uo時，用示波器測出輸入信號的fl和fH。測得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 電路的連接由于實驗箱的插孔位置相對于集中，因此便于將整個電路在相對較小的空間進(jìn)行安排，首先確定兩個三極管的位置，然后根據(jù)電路圖分別再確定第一級放大電路和第二級放大電路的其他元器件位置，最終連接電路設(shè)計相對較好，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)約了實驗時間。電路連接的實圖如下所示：l 工作點的設(shè)置：在設(shè)置工作點的過程中，首先減小輸入信號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，輸出波形一直失真。然后逐漸輸入信號的電壓緩慢增大，觀察波形產(chǎn)生的何種失真，對電位器進(jìn)行相對的調(diào)節(jié)，使其同時出現(xiàn)頂部失真和底部失真。在實驗的過程中，由于一開始未減小輸入電壓，導(dǎo)致波形失真，影響了實驗的測量以及進(jìn)行進(jìn)度，后改正，最終調(diào)得Q點。工作點調(diào)節(jié)完畢后，觀察輸出電壓和輸入電壓波形，以及增益滿足實驗要求，因此滿足實驗預(yù)期，工作點的設(shè)置完成。l 放大

15、電路的增益：由上述的驗算可知：理論值計算的Auf=129，而實際的Auf=126.6。首先滿足了實驗的要求，閉環(huán)增益大于等于100倍。再者，由于理論值在計算的過程中，電路圖首先進(jìn)行了等效，在算理論值時也進(jìn)行了相當(dāng)多的估算，也同時會產(chǎn)生一定的誤差。因此，滿足了實驗預(yù)期。l 輸出電阻的測量：由驗算分析可得：實際測量的輸出電阻為Ro=457，在實際測量當(dāng)中，采用了分壓式的測量方法，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。實際的輸出電阻Ro滿足實驗要求，小于1 K。首先由于實際的測量方式和理論推導(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，也會造成相對的計算誤差。因此，實際測量值在誤差的允許范圍之內(nèi)，滿足實驗要求，滿足預(yù)期。當(dāng)輸出端串聯(lián)負(fù)載后，會改變交流負(fù)載線的斜率，因此導(dǎo)致新的Q點并非在中點，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單有效，節(jié)省了實驗時間。l 輸入電阻的測量：有之前的驗算可得，理論值為：實際測量的輸入電阻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驗

17、要求，由于理論值計算過程中存在估算，會產(chǎn)生誤差，因此誤差在允許在范圍內(nèi)，滿足實驗的預(yù)期。測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候?qū)е螺敵霾ㄐ尾环€(wěn)定甚至有較大改變或者未測出輸出波形的情況。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，電壓信號可以進(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)行測量，最終得出了結(jié)果，完成了實驗。六、 總結(jié) 這次設(shè)計實驗，雖然并不是一個很難的實驗，對于我們來說，理論計算都不是大問題，但是從設(shè)計、計算、仿真到實際操作的確耗費了我們大量的

18、時間和精力?？赡芪覀円呀?jīng)習(xí)慣了題目給出電路來計算靜態(tài)工作點，習(xí)慣了題目電路里標(biāo)出電阻值參數(shù)來計算放大倍數(shù)，但我們貌似總是跳過了最重要的環(huán)節(jié)。其實電路的設(shè)計，參數(shù)的計算才是整個電路設(shè)計制作的核心，操作、測量都是其次，我們平時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)計實驗給我的感觸的確很深刻，我原以為電路不過十多個元器件半天就可以搞定，我原以為電路設(shè)計完了參數(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完全滿足，我原以為仿真成功了實際操作時結(jié)果也不會和仿真相差太遠(yuǎn)，我原以為對于示波器、信號發(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，但我貌似全錯了。各個環(huán)節(jié)都有我考慮不周全的地方，可能導(dǎo)致電路設(shè)計不合理，導(dǎo)致全部重來。所以這次設(shè)計實驗給我的感觸的確夠深刻，對我的幫助也真是不僅僅是一個實驗，歸納總結(jié)如下：² 提高電路制作能力，培養(yǎng)了獨立設(shè)計電路的能力，將理論運用于實際；² 一個電路設(shè)計的好壞電路結(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)如何計算，估算怎么做，估算完后帶回電路重新檢驗等等都是直