負反饋放大電路的設計與制作

1、信息工程系課程設計報告課程題目課時專業(yè)班級姓名學號扌旨導教師設計任務：負反饋放大電路的設計與制作要求：1報告字數(shù)在30005000之間，并打印2報告書內容應具有三圖一書，即原理圖、印制電路圖和轉配圖（后兩圖可合一）3所選電路或設計電路越簡單越好名單必須滿足技術指標要求，容易安裝調試，無特殊器件4必須分析計算電路及元件參數(shù)，闡述工作原理1工作頻率：f =30Hz30kHz2工作電壓：單電源12V3 信號源：Ui =10Mv（有效值）Rs = 50'.14輸入要求：輸入電阻&20k，J5輸出要求：Uo -1V（有效值）Rof ：10門I。乞1mA （有效值）魚=10%=1%6工作穩(wěn)

2、定性：當電路元件改變時，若Au則A目錄一、摘要4二、設計任務及要求4三、負反饋放大電路設計的一般原則(1) 反饋方式的選擇 4(2) 放大管得選擇5(3) 級數(shù)的選擇6(4) 電路的確定6四、設計過程(1) 確定方案7(2) 電路參數(shù)的計算 9(3) 計算技術指標 13五、調試要點15負反饋放大電路的設計與制作摘要本文是負反饋放大電路的設計，而設計需要根據技術指標 及要求來確定放大電路的結構、級數(shù)和電路元件參數(shù)及型號 等，此次要求電路的輸入電阻高輸出電阻小，穩(wěn)定性要好，頻帶寬度適中，盡量小的失真等等。因而我們會根據這些要求， 一一計算出技術指標和元件的參數(shù) ，確定反饋類型，選取三種 預選方案，

3、通過比較選擇符合要求，我們最終選擇了方案一， 經過布線、焊接、調試等工作后負反饋放大電路設計制作成 功。關鍵詞：負反饋放大電路電路設計電路制作一、設計任務及要求用分離元器件設計一個交流放大電路，用于指示儀表放大弱信 號，具體指標如下：（1）工作頻率：f 二 3°Hz 30kHz。（2） 信號源：Ui =10mV（有效值），內阻甩二50。（3） 輸出要求：U°-1V （有效值），輸出電阻小于101，輸出 電流Io上1mA（有效值）。(4)輸入要求：輸入電阻大于20K，1Am(5)工作穩(wěn)定性：當電路元器件改變時如=10%，若Am(6)頻帶寬度：Bw = 30 600kHz、設計

4、原理框圖及基本公式反憒旗大電路的組成圖中X表示電壓或電流信號；箭頭表示信號傳輸?shù)姆较?；符號o 表示輸入求和，+、表示輸入信號 丄i與反饋信號是相減關系(負 反饋)，即放大電路的凈輸入信號為1I*心廣丄(1)基本放大電路的增益(開環(huán)增益)為=二心(2)反饋系數(shù)為負反饋放大電路的增益（閉環(huán)增益）為(4)三、負反饋放大電路設計的一般原則1、反饋方式的選擇采用什么反饋方式，主要根據負載的要求及信號源內阻的情況 來考慮。在負載變化的情況下，要求放大電路定壓輸出時，就需要 采用電壓負反饋；在負載變化情況下，要求放大電路衡量輸出時，就 要采用電流負反饋。至于輸入端采用串聯(lián)還是并聯(lián)方式，主要根據 對放大電路輸

5、入電阻的要求而定 。當要求放大電路具有高的輸入電 阻時，宜采用串聯(lián)反饋；當要求放大電路具有低輸入電阻時，宜采用 并聯(lián)反饋。如僅僅為了提高輸入電阻 ，降低輸出電阻（即阻抗變 換）時，宜采用射極輸出器。反饋深度主要根據放大電路的用途及指標要求而定 。對音頻放大電路，主要是用負反饋減小非線性失真 ，設計時一 般取1 AF =10左右。對測量儀表中使用的放大電路 ，要求放大倍數(shù)要有較高的穩(wěn)定 度，而采用負反饋的目的主要是提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定度，因此根據不同的要求可取1 AF為幾十幾百。對高放大倍數(shù)寬頻帶放大電路，采用負反饋的目的主要是展寬 頻帶，這時采用多級放大加深容易產生自激 ，且在幅頻特性的高、 底

6、頻段易產生凸起的現(xiàn)象。因此首先要保證每一級有足夠寬的頻 帶，入在兩級之間米用低輸入電阻的接法（例如共射一共基的形式）去解決2、放大管得選擇如果放大電路的級數(shù)多，而輸入信號很弱時（微伏級），必須 考慮輸入級放大管得噪聲所產生的影響 ，為此前置放大級因選用低 噪聲的管子。當要求放大電路的頻帶很寬時，應選用截止頻率fT較 高的管子。從集電極損耗的角度出發(fā)，由前級放大的輸出變小，可 選用PCM小的管子，其靜態(tài)工作點也要選得低一些 （IE?。?，這樣可 以減小噪聲；但對輸出級而言，因其輸出電壓和輸出電流都較大 ， 故需選用PCM大得管子。3、級數(shù)的選擇放大電路級數(shù)可根據無反饋時的放大倍數(shù)而定 ，而此放大倍

7、數(shù) 又要根據所要求的閉環(huán)放大倍數(shù)和反饋深度而定 ，因此設計時首先 根據技術指標確定出它的閉環(huán)放大倍數(shù) Af及反饋深度1 AF ,然而確 定所需的Af ,確定了 A的數(shù)值，放大電路級數(shù)大致可以用下列原則來確定： 幾十至百倍左右采用一級或兩級，幾百至幾千倍左右采用兩級或三 級，幾千倍以上采用級或四級（射級輸出器不計，因其A約為1 ）。 一般情況下很少采用四級以上，應為這將給施加反饋后的補償工作帶來很大的困難，但如反饋只加在每兩級之間也是可以的。4、電路的確定根據不同要求，放大電路中各級所選用的電路也是吧不同的。（1） 輸入級。輸入級采用什么電路主要決定于信號源的特點 。 如果信號源不允許取較大的電

8、流，則輸入級應具有高的輸入電阻， 那么以采用射級輸出器為宜，如要求有較高的輸入電阻（），可采用場效應管，并采用自舉電路或多級串聯(lián)負反饋 放大電路。如信號源要求放大電路具有低的輸入電阻，則可用電壓 并聯(lián)反饋放大電路。如果無特殊要求，可選用一般的共射放大電 路。輸入級放大管的靜態(tài)工資點一般取Ie MA, Uce =（12）V。（2） 中間級。中間級只要是積累電壓及電流放大倍數(shù)，多采用 共射反大電路，而且選用-大的管子。其靜態(tài)工作點一般為 I 二（13）mA,UCE =（25）VO（3） 輸出級。輸出級采用什么電路主要決定于負載要求。如負 載電阻較大（幾千歐左右），而且主要是輸出電壓，則可用共射放

9、大電路；反之，如負載為低阻，且在較大范圍內變化時，則射級輸 出器。如果負載需要阻抗匹配，可用變壓器輸出。因輸出級的電壓和輸出電流都較大，其靜態(tài)工作點的選擇要比較中間級為高，具體數(shù)值要視輸出電壓和輸出電流的大小而定。四、設計方案及選定采用三個NPN型三級管放大(1) 該設計米用電壓串聯(lián)負反饋(2) 第一級采用局部電流負反饋，所需反饋深度為：1+AF二土,從放大性能穩(wěn)定度確定反饋深度，1 AF二 2 A估算A值根據指 人 Auf / Auf標的要求，計算電路閉環(huán)放大倍數(shù)：Af _UUi(3) 在Rfi和Rf2不加旁路電容以便引入局部負反饋以穩(wěn)定每一級的放大倍數(shù)(4) 放大管的選擇:因設計中前兩級放

10、大對管子無特別要求統(tǒng)一采用了 3DG100如圖:原理圖根據以上分析確定電路圖(5) 輸出到輸入級的反饋是從的射級反饋到的射級組成電壓串聯(lián)負反饋的形式方案二該設計采用集成運算放大器（1 ） 本方案采用差分放大電路原理與集成運算放大結合在一起形成電壓串聯(lián)負反饋放大電路（2） 反饋元件Rf，起到反饋作用，將集成運算放大器的輸出電壓反饋到t2的基級。（3）估算A值根據指標的要求，計算電路閉環(huán)放大倍數(shù)：宀乞Vi（4）根據設計要求確定電路電路元件的各種參數(shù)方案三方案三為一三級負反饋放大電路 ，信號從輸入級經電容耦合后 由第一個共發(fā)射極的三極管放大，并從集電極輸出，經電容耦合后 作為下一級的輸入信號。第二級

11、放大電路同樣也是從集電極輸出信 號，同時形成電流并聯(lián)負反饋作用與第一級放大電路的輸入端。從第二級放大電路輸出的信號經電容耦合后輸入第三級共集電極的放大電路，放大后從發(fā)射極經電容耦合后輸出 。同時形成電流串聯(lián)負 反饋。因為基極與集電極，基極與發(fā)射間有電阻所以該電路的優(yōu)點 是各級放大電路的靜態(tài)工作點相互獨立，能很好的穩(wěn)定電路且輸入電阻大，放大倍數(shù)高。缺點是不能放大變化緩慢的信號，輸出電阻 很可能達不到要求。方案比較 在以上三個方案中比較選擇一個最終確定方案方案二與方案一比較：方案二采用了集成運算放大器，與差分放大 電路,經過數(shù)據分析達到指標要求，但與方案一相比，方案一在實驗室更 易實現(xiàn)（集成運算放

12、大器不僅價格貴，在實驗中易損壞），而方案二缺 點是各靜態(tài)工作點不能相互獨立，不能保證輸出穩(wěn)定。方案三放大 變化緩慢的信號。通過以上比較最終確定采用方案一。五、方案一設計過程1、確實方案參數(shù)（1）確實反饋深度。從所給的指標來看，設計中需要解決的主要是輸出電阻、輸入電阻及對放大性能穩(wěn)定的要求等三個問題。由 于要求輸出電阻較低，故輸出級米用射級輸出器，但它的輸出的電 阻大致歐。為幾十歐，應此需要引入一定程度的電壓負反饋才能達到指標要求。設射級輸出器的輸出電阻為1001 ,則所需反饋深度為1 AF -roro f10010-10另外，還要考慮輸入電阻和放大性能的穩(wěn)定性對反饋深度的要求，才能最后確定反饋

13、深度的大小。由于放大電路的輸入電阻指標為 20k,此數(shù)值不是很高，故可 以采用電壓串聯(lián)負反饋的方式來實現(xiàn)。假定無反饋時，基本放大電 路的輸入電阻為一25心（第一級可采用局部電流負反饋 ），則所 需的反饋深度為1 AFrifri2.520最后從放大性能穩(wěn)定度也可以確定出所需反饋深度為1 AF =代訂代0=10心Auf /每1綜上所述，在設計放大電路時所需反饋深度為10，故取1+AF=10.（2）估算A值。根據指標要求，放大電路的閉環(huán)放大倍數(shù)應為Af-Ui =100mV=100由此可以求出A _(1 AF)Af =10 100 =1000因輸出級才用了射級輸入器，其電壓放大倍數(shù)接近1,故所需用兩級

14、共射放大才能達到1000倍?？紤]到儀表對放大電路穩(wěn)定性能 要求較高，故采用典型的兩級直接耦合雙管放大單元，如圖6.43所 示。其中幣和rf2不加旁路電容式為了引入局部負反饋以穩(wěn)定每一 級的放大倍數(shù)。R1和C4是去耦電路，用以消弱由于電源存在內阻而 在VCC3出現(xiàn)的電壓波動，使它盡可能少傳到VCC1。（3 ）放大管得的選擇。由于VT3需要輸出電流的最大值 心一磯".4皿,為了保證不失真，要求右一2心，因此它的射級電流 Ie2 i-4mA : 3mA，故選用小功率管3DG100即可，其參數(shù)如下： 1 cm = 2°mA,U（BR）CEO = 45V ,PCM = 100 mW。

15、因前兩級放大對管子無特殊要求，為了統(tǒng)一起見，均采用3DG100。根據以上考慮，初步電路如原理圖所示。輸出級到輸入級的負反饋 是從VT3的射級反饋到VT1的射級，組成電壓串聯(lián)負反饋的形式。2.電路參數(shù)的計算首先要初步確定出給級的電壓放大倍數(shù)，然后才能根據它們來 計算出各級的電路參數(shù)。前面已經指出雙管放大單元的電壓放大倍 數(shù)應滿足代人2-10。，那么，如何分配Au1及AU2呢？郵電路結構可 知，為了使放大電路的輸入阻抗高，工作性能穩(wěn)定，在第1級和第2 級中都串入了 陷和RF2以便實現(xiàn)局部負反饋作用，因此它們的電壓 放大倍數(shù)都不會很高。各級的電壓放大倍數(shù)可初步分配為 Aj1 ： 30,Au2 ： 4

16、0,Au3 1，這樣總的電壓放大倍數(shù)代：30 40仁1200，略 大于1000 （多出的數(shù)值是為了留一定的余量）。（1）輸出級的計算。由于輸出電壓U0=1V （有效值），輸出電流 Io =1mA （有效值），故負載電阻尺=“ =1K01 O確定VCC和Re3。在射級輸出器中，一般根據珂12)Rl來選 擇Re ,取系數(shù)為2,貝“Re3 = 2Rl = 2kl, Rl = Re3 Rl = 667C在圖6.44中，取Icmin "mAUcmin =1V,可以求出UlR 2X1"V *3i2mAVcc min 二u C min *Ulp *Ie3 況 Re3"M.4+3

17、.12x2 = 8.64V 式中，ulp 是輸出負載電壓峰值。為了留有余量取Ie3 =3.5皿,氐"2V ；由此可以求出 U e3= I E3RE3 =3.5 2 = 7V確定Rb31及Rb32。為了計算b31及332 ,首先要求出Ub3及Ib3 , 由圖 6.44 可知，UB3 二Ue3 UBE3 =7 °.7 =7.7V。選用 3 =50 的管子， 則IB lc = 3.5 =0.07m70uAb3飛 50選用Irb=(510)Ib3、0.350.7mA,為了提高本級輸入電阻，取 0.35mA ,貝卩得Rb3 二Ub3/Irb =7.7/0.35 =22Rb32 =(V

18、cc -Ub3)/Irb =(12-7.7)/0.35 =12.32取Rb32二13。；由此可以求出輸出級對第2級的等效負載電阻約為Rl2 “3 二Rb32Rb3i(13)Rl =13/22/(51 0.67p 6.6K'1式中忽略了 rbe3的影響。確定c3及c2。由于有三級電容耦合，根據多級放大器下限截止頻率的計算公式fL=1.1jfL1+ 仁2 + 仁3假設沒級下限頻率相同，則各級的下限頻率為：15Hz為了留有余地，忽略第2級輸出電阻(因尚未標出)，則C2 =(3 10)2兀x1fL Rl2=(4.8216.1) 16»F =(4.8216.1)uF計JVt±

19、lh3£比(放大單元電路圖)放大倍數(shù)為：Rcrbe2(1QRF2RC2rbe2rbe2RF2rbe2Rf因此，可選用10uF點解電容器。同理，忽略射級輸出器的輸出電阻，貝S1 6C3=(310). .(31.8 106.2) 16 F =(31.8106.2)uF2兀X忙x R_因此，可選用100uF電解電容(2)雙管放大單元電路的計算； 確定第2級的電路參數(shù)。為了穩(wěn)定放 大倍數(shù)，在電路中引入Rf2，如圖6.45所示，一般取幾歐至幾百歐。由于希望 這一級的電壓放大倍數(shù)大些，故取較小的Rf2 =5佇,由此可以求出這級的電壓選 =1mA ,且十50 ,則rbe2 二 rbb2 (V -2

20、)Ut =300 (50 1)蘭：1.63K"IE2IE2又由于預先規(guī)定了 AU2 =40,Rf2=51，代入A2的公式則得4030.6Rc21 30.6 0.051由此可以解得RC2=3.35k。再利用 &2 =住2 &2代入 R|_2 = 6.6S3.35二竺陛6.6 + RC2由此可以求出RC2 = 6.8k1.1。選 U CE - 3V ,1 C2=1mA 則由 VCC = 1 C ( 2+2+ RE2 ) + U CE2 可得12 =1 (6.8 0.051 - RE2) 3由此可以求出住2 =2.15k0取 RE2 = 2.2k0。第2級的輸入電阻可以計算

21、如下ri2 二 he2 (1 )Rf2 =1.63 51 0.051 =4.23K確定第1級的電路參數(shù)。電路如圖所示。為了提高輸入電阻而又不致使放大倍數(shù)大抵，應取咕=0.5mA，并選伍“二 rbb (1 打)歸=300 51 旦 2.95k'1Ie10.5理由同樣的原理可以求得A1 :%1(11)Rf1rbe1RC111+廠 Rf1r*be1為了獲得高輸入電阻，而且希望Au1也不要太小，并與第2級的 阻值一致以減少元器件的種類，取Rfi =52 ,代入入=30，可得 Rci =3.3KC 再利用 &1 = RC1 / ri2 求出 &1 =152。為了計算賂選Ue1 =

22、1V，則有1 E1（ Rf1RE1） = 1得出Re1 =11 E1-RF11 - 0.05 =1.9520.5選Re1為2心。為了求RB1，可先求I B1牛 5h10uA由此可得RB1Ue2-Ub1 =22 一。0.7）=512Ib10.01選 512。為了確定去耦電阻R，需先求出UC1 = IE21 E2 RF 2 U BE2 = 2.95V再利用 Uc1 =Vcc Tc1（R1 +RC1），可求得 R =3.1kO，取 R 為 3.3俎。為了減少元件種類，C1選10uF,CE1及CE2選用100uF，均為電解« Rb1 / »Rf1 « Rf2 + %爲 “

23、1電容。有下限頻率7可以驗證7L- 2反饋元器件Rf3及Cf的計算。由于AF=10，又已知A =1000。則 F =0.9%。再利用RfF 二RF +3可求出Rf3 =5肌，選5.1小。C4選用10uF電容器，可以驗證1''lC4:R13、核算技術指標確定放大管得靜態(tài)工作點及電路元件后，放大電路的各項技術 指標是否能滿足要求，尚需進行最后的核算。(1)核算A 核算射級輸出器的電壓放大倍數(shù) 。射級輸出器的電壓放大倍 數(shù)可用下式求得A(13) RL313)rL式中RL 賂尺住3只1_(只卩3 +RF1) = 215.1 賂O.59K0rbe3 =300 (1一飛)-6 =300 5

24、1-6 =679： 680"I E335因此得“(1 50) 5907978680(150) 590 核算第2級電壓放大倍數(shù)'2RC2第2級電壓放大倍數(shù)由用下式求得A _22_ qRC2RB31R B32 如2證2 (1QRF2%2 (1 QRF2式 中ri3 = %3 + (1 + 03)Rl =0.68+ (1+50)X0.59 瘁30.7kO%2 =1.63心。因此可得A _50x(6.7/13/22/30.7) q%u 239.11.63 (1 50) 0.051 核算第1級電壓放大器放大倍數(shù)mRL第1級電壓放大倍數(shù)用下式求得A1、+（&1陀）也（11）Rf1

25、（11）Rf1式中 RF1 = RF1 / RF3 叱 51。re1 2.96kCri2 = 4.233因此可得A卄冊鬻簽訂9.7因此可求出 Au HAU1AU2AU3 =29.7 39.1 0.978=1136 1000這說明放大電路元器件的選擇是合適的（2）核算輸出電阻。放大電路開環(huán)時的輸入電阻為二 Re3reb3 ' (RC2/ RB32/ RB31 )/Rf2/0.68(6.8 13 22)1+505.1 =81門故得因此可滿足要求r°f 二1 AF81=8"10核算輸入電阻放大電路開環(huán)時的輸入電阻為A = Rb1 仃1式中，ri1= %1(11) (RF1

26、RF3)=2.96 (150) 0.051 =5.56k此可求出閉環(huán)時的輸入電阻為ri1f 十（1 AF） =5.55 10 = 55.5k"因此，總輸入電阻為rif =ri1f/RB1=55.5/51=26.6k20k，可滿足要 求。（4）核算放大電路是否穩(wěn)定，可以判斷本例電路不會產生震蕩以上電路是利用分離元件構成的負反饋放大電路，當上限截止頻率不高時（一般幾百千赫一下），也可以利用通用集成運算放大器實 現(xiàn)（如圖）。六、實際制板操作 印制電路的設計與制作 按一比一的比例繪出電路圖（寬80mm、高70mm）標出尺寸（見附錄） 單面敷銅板下料并打磨邊框 在敷銅面復制電路。 用鋼板尺和木

27、工刀雕刻電路。 在鉆場上鉆出？ =0.8mm的通孔。 去氧化層涂助焊劑 元器件的識別與參數(shù)的測量及引腳的成形。 元件的裝插（首環(huán)在左邊）。焊接按五步法焊接1、烙鐵頭緊靠焊接頭2、喂錫要飽和3、侵潤一秒4、去烙鐵，整理（3 5秒）5、形成合金。七、電路的測量與組成：靜態(tài)調試與設置，通上12V電壓后分別測量Vcc的電路，根據數(shù)據所示電路VaVbVcVdVe電壓12左右10.2左右1左右1278（v）（1）、乂、Vc波形測量加入偏置電流，用測量的波形，用毫 伏表測量出V,Vo的大小，令Vi =1°mV f =1kHz。輸入電阻的測量。在放大器并聯(lián)24歐姆的電阻，頻率不變，測出Ui.則 Rjf 二生 RVsRof的測量