負(fù)反饋放大電路的設(shè)計與制作

信息工程系課程設(shè)計報告設(shè)計任務(wù)與要求后容咽求油要時標(biāo)和指曲印誼名妣計打嘮好r設(shè)并,B越蝕??跖聽一路試桁務(wù)r書合電調(diào)分任??4口告可選裝須計求肢肢圖所安必設(shè)要11羽兩3易4技術(shù)指導(dǎo)%\_y直一一財壬fW牛U(。則rO寸/#0Q0若5W一一<土S廣t?20EQ人變or獷-n-G3>v效人效元-1R阻有路OH源徴電W電=3fr10入>一當(dāng)/單輸〃。:?Z.亠亠」::::-八壟山：^^-定頻電源要要穩(wěn)作作號入出作匚匚信輸輸匚123456目錄、摘要二、設(shè)計任務(wù)及要求 4三、負(fù)反饋放大電路設(shè)計的一般原則TOC\o"1-5"\h\z（1）反饋方式的選擇 4\o"CurrentDocument"（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(shè)計過程（1）確定方案 7\o"CurrentDocument"（2）電路參數(shù)的計算 9（3）計算技術(shù)指標(biāo) 13五、調(diào)試要點(diǎn)負(fù)反饋放大電路的設(shè)計與制作摘要本文是負(fù)反饋放大電路的設(shè)計，而設(shè)計需要根據(jù)技術(shù)指標(biāo)及要求來確定放大電路的結(jié)構(gòu)、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(jù)這些要求，一一計算出技術(shù)指標(biāo)和元件的參數(shù)，確定反饋類型，選取三種預(yù)選方案，通過比較選擇符合要求，我們最終選擇了方案一，經(jīng)過布線、焊接、調(diào)試等工作后負(fù)反饋放大電路設(shè)計制作成功。關(guān)鍵詞：負(fù)反饋放大電路電路設(shè)計電路制作一、設(shè)計任務(wù)及要求用分離元器件設(shè)計一個交流放大電路，用于指示儀表放大弱信號，具體指標(biāo)如下：（1）工作頻率：f-30Hz~30kHz。（2） 信號源：U=10mV（有效值）內(nèi)阻R廣500。（3） 輸出要求：U0-1V（有效值），輸出電阻小于100，輸出電流1盧1mA（有效值）。（4） 輸入要求：輸入電阻大于20K0。工作穩(wěn)定性：當(dāng)電路元器件改變時，若<1%Am頻帶寬度：BW=30?600處二、設(shè)計原理框圖及基本公式反饋放大電路的組成圖中X表示電壓或電流信號；箭頭表示信號傳輸?shù)姆较?；符號Q表示輸入求和，+、-表示輸入信號盂與反饋信號是相減關(guān)系(負(fù)反饋)，即放大電路的凈輸入信號為TOC\o"1-5"\h\z亀=益一盂 (1)基本放大電路的增益(開環(huán)增益)為花盂/血 (2)反饋系數(shù)為花文J江 (3)負(fù)反饋放大電路的增益(閉環(huán)增益)為(4)三、負(fù)反饋放大電路設(shè)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(jù)負(fù)載的要求及信號源內(nèi)阻的情況來考慮。在負(fù)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(fù)反饋;在負(fù)載變化情況下，要求放大電路衡量輸出時，就要采用電流負(fù)反饋。至于輸入端采用串聯(lián)還是并聯(lián)方式，主要根據(jù)對放大電路輸入電阻的要求而定。當(dāng)要求放大電路具有高的輸入電阻時，宜采用串聯(lián)反饋;當(dāng)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(jù)放大電路的用途及指標(biāo)要求而定。對音頻放大電路，主要是用負(fù)反饋減小非線性失真，設(shè)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(fù)反饋的目的主要是提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定度，因此根據(jù)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(fù)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(chǎn)生自激，且在幅頻特性的高、底頻段易產(chǎn)生凸起的現(xiàn)象。因此首先要保證每一級有足夠?qū)挼念l帶，入在兩級之間采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(chǎn)生的影響，為此前置放大級因選用低噪聲的管子。當(dāng)要求放大電路的頻帶很寬時，應(yīng)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(diǎn)也要選得低一些（//J、），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(jù)無反饋時的放大倍數(shù)而定，而此放大倍數(shù)又要根據(jù)所要求的閉環(huán)放大倍數(shù)和反饋深度而定，因此設(shè)計時首先根據(jù)技術(shù)指標(biāo)確定出它的閉環(huán)放大倍數(shù)Af及反饋深度1AF，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(yīng)為這將給施加反饋后的補(bǔ)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(jù)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(diǎn)。如果信號源不允許取較大的電流，則輸入級應(yīng)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（［>IM。），可采用場效應(yīng)管，并采用自舉電路或多級串聯(lián)負(fù)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(diǎn)一般取IE9誣，UCE=（1?2）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0大的管子。其靜態(tài)工作點(diǎn)一般為I=（1?3）mA,U=（2?5）VCE（3） 輸出級。輸出級采用什么電路主要決定于負(fù)載要求。如負(fù)載電阻較大（幾千歐左右），而且主要是輸出電壓，則可用共射放大電路；反之，如負(fù)載為低阻，且在較大范圍內(nèi)變化時，則射級輸出器。如果負(fù)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(diǎn)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(shè)計方案及選定方案一采用三個NPN型三級管放大（1） 該設(shè)計采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋（2） 第一級采用局部電流負(fù)反饋，所需反饋深度為：1+AF二Zf，從放ri大性能穩(wěn)定度確定反饋深度，1+af二山」-,估算A值根據(jù)指標(biāo)的AA/Aufuf要求，計算電路閉環(huán)放大倍數(shù)：A>UfUi

在R和R不加旁路電容以便引入局部負(fù)反饋以穩(wěn)定每-f1 f2級的放大倍數(shù)放大管的選擇：因設(shè)計中前兩級放大對管子無特別要求，統(tǒng)根據(jù)以上分析確定電路圖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(fù)反饋的形式方案二該設(shè)計采用集成運(yùn)算放大器1）本方案采用差分放大電路原理與集成運(yùn)算放大結(jié)合在一起形成電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路（2）反饋元件R，起到反饋?zhàn)饔茫瑢⒓蛇\(yùn)算放大F器的輸出電壓反饋到T2的基級。（3） 估算A值根據(jù)指標(biāo)的要求，計算電路閉環(huán)放大倍數(shù):AV-Fvi（4） 根據(jù)設(shè)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(fù)反饋放大電路，信號從輸入級經(jīng)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(jīng)電容耦合后作為下一級的輸入信號。第二級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(fù)反饋?zhàn)饔门c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(jīng)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(jīng)電容耦合后輸出。同時形成電流串聯(lián)負(fù)反饋。因?yàn)榛鶚O與集電極，基極與發(fā)射間有電阻所以該電路的優(yōu)點(diǎn)是各級放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)相互獨(dú)立，能很好的穩(wěn)定電路且輸入電阻大，放大倍數(shù)高。缺點(diǎn)是不能放大變化緩慢的信號，輸出電阻很可能達(dá)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(yùn)算放大器,與差分放大電路,經(jīng)過數(shù)據(jù)分析達(dá)到指標(biāo)要求,但與方案一相比,方案一在實(shí)驗(yàn)室更易實(shí)現(xiàn)（集成運(yùn)算放大器不僅價格貴,在實(shí)驗(yàn)中易損壞），而方案二缺點(diǎn)是各靜態(tài)工作點(diǎn)不能相互獨(dú)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(shè)計過程1、確實(shí)方案參數(shù)（1）確實(shí)反饋深度。從所給的指標(biāo)來看，設(shè)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，故輸出級采用射級輸出器，但它的輸出的電阻大致歐。為幾十歐，應(yīng)此需要引入一定程度的電壓負(fù)反饋才能達(dá)到指標(biāo)要求。設(shè)射級輸出器的輸出電阻為100。，則所需反饋深度為r1001+AF=—^= =10r 100f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，才能最后確定反饋深度的大小。由于放大電路的輸入電阻指標(biāo)為20k。，此數(shù)值不是很高，故可以采用電壓串聯(lián)負(fù)反饋的方式來實(shí)現(xiàn)。假定無反饋時，基本放大電路的輸入電阻為ri=25心（第一級可采用局部電流負(fù)反饋），則所需的反饋深度為r201+AF=存= =8r2.5i最后從放大性能穩(wěn)定度也可以確定出所需反饋深度為AA/A_10_in1+AF—uouo— —10AA/A1

ufuf綜上所述，在設(shè)計放大電路時所需反饋深度為10，故取1+AF=102)估算A值。根據(jù)指標(biāo)要求，放大電路的閉環(huán)放大倍數(shù)應(yīng)為A,U-亠-100

fU 100mVi由此可以求出A>(1+AF)A—10x100—1000f因輸出級才用了射級輸入器，其電壓放大倍數(shù)接近1，故所需用兩級共射放大才能達(dá)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RF1和Rf2不加旁路電容式為了引入局部負(fù)反饋以穩(wěn)定每一級的放大倍數(shù)。R和C4是去耦電路,用以消弱由于電源存在內(nèi)阻而在瞧3出現(xiàn)的電壓波動，使它盡可能少傳到-C1。(3)放大管得的選擇。由于VT3需要輸出電流的最大值ILM—巨I廣ZmA,為了保證不失真，要求「>2Ilm,因此它的射級電流IE3>2x1-4mA?3mA，故選用小功率管3DG100即可，其參數(shù)如下：I—20mA,U —45V,P—100mW。CM (BR)CEO CM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(jù)以上考慮，初步電路如原理圖所示。輸出級到輸入級的負(fù)反饋是從乞的射級反饋到VT1的射級，組成電壓串聯(lián)負(fù)反饋的形式。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(jù)它們來計算出各級的電路參數(shù)。前面已經(jīng)指出雙管放大單元的電壓放大倍數(shù)應(yīng)滿足AuiAu2'1000，那么，如何分配Aul及Au2呢？郵電路結(jié)構(gòu)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Rf1和Rf2以便實(shí)現(xiàn)局部負(fù)反饋?zhàn)饔?，因此它們的電壓放大倍?shù)都不會很高。各級的電壓放大倍數(shù)可初步分配為Aui?3°，Au2?40,Au3?1，這樣總的電壓放大倍數(shù)Au?30x40X1=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1mA（有效值），故負(fù)載電阻R=Uo二1KQLIO確定VCC和Re3。在射級輸出器中，一般根據(jù)Re-d~2）RL來選擇re，取系數(shù)為2,則R=2R=2kQ,R=R//R=6670E3 L LE3L在圖6.44中，取Icmn=1mA，Ucmin=1V，可以求出I=I+ULR=1 =3.12mAE3CminR 0.667LVCCmin=UCmin+L+?-1++ 2=&64V式中，「是輸出負(fù)載電壓峰值。為了留有余量取Ie3=3-5mA,Jc=12V；由此可以求出U=IR=3.5X2=7VE3E3E3確定Rb31及Rb32。為了計算Rb31及Rb32，首先要求出J及，由圖6.44可知，UB3=UE3+UBE3=7+0.7=7-7V 。選用03=50的管子，則

I3.5I二-C3二 二0.07mA二70uAB3 B503選用Irb=(5~10)IB3顯°.35?0?7mA,為了提高本級輸入電阻,取0.35mA，則得R=U/1=7.7/0.35=2KGB3B3RBR=(V—U)/1=(12—7.7)/0.35=12.3K0B32CCB3RB取RB32=13尬，由此可以求出輸出級對第2級的等效負(fù)載電阻約為R=r=R//R〃(1+0)R=13//22//(51x0.67)沁6.6KQL2 i3 B32 B31 3L式中忽略了13的影響。③確定C3及C2。由于有三級電容耦合，根據(jù)多級放大器下限截止頻率的計算公式f=I」'：f2+f2+f2L 'LI L2 L3假設(shè)沒級下限頻率相同，則各級的下限頻率為為了留有余地，忽略第2級輸出電阻(因尚未標(biāo)出)，則C二(3-10) -二(4.82~16.1)X16—F二(4.82~16.1)uF2 2兀xfxRL L2因此，可選用10uF點(diǎn)解電容器。同理，忽略射級輸出器的輸出電阻，則二(3-10)2二(3-10)2兀xfxRLL=(31.8?106.2)x16-6F二(31.8?106.2)uF因此，可選用100uF電解電容。雙管放大單元電路的計算;①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(放大單元電路圖)的RF2=51。，由此可以求出這級的電壓放大倍數(shù)為:be2丄?rr cbe2丄?rr c2be21u?rr c2be2111+B1+——^2. r?rF21+—?rr f2P-R2c2r+(1+忙)R2F2be2 be2則選IE2=1mA，且B廣50，TOC\o"1-5"\h\zTJ 0Ar二r+(1+B)件二300+(50+1)-6沁1.63KQ

be2 bb2 2/ /E2 E2又由于預(yù)先規(guī)定了Au2=4°，Rf2=51°，代入Au2的公式則得“ 30.6R40二 C2 1+30.6-0.051由此可以解得Rc2=3-35kQ。再利用Rc2=Rc2〃Rl2代入Rl廣6曲，3.35二6.6x3.35二6.6+RC2由此可以求出R由此可以求出Rc2=6.8kQ選U選UCE2=3V，ZC2=1mA，則由VCC=ZC(RC2+RF2+RE2)+UCE2可得12=1x(6.8+0.051+R)+3E2由此可以求出RE2=2?15k。，取化=2.2k。第2級的輸入電阻可以計算如下

r=r+(1+0)R=1.63+51x0.051=4.23KQi2 be2 2F2確定第1級的電路參數(shù)。電路如圖所示。、、RC111+RC111+匹)?Rrf1丿be1阻值一致以減少元器件的種類，取rf1=51°，代入A=30，可得u1A0?0?0A= + u卜u1r+(1+0)Rr

be1 1 F1 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RC1=''KG,再利用RC1=RC1〃r.2，求出RC1=15kQ為了計算R為了計算RE1，選UE11V，則有得出E1I(R+R)=1E1 F1 E1得出E1I(R+R)=1E1 F1 E1-R=丄-0.05=1.95KGF1 0.5E1選rei為2kQ。為了求Rb1，可先求=仃=05=10uAB1 0 501由此可得R 二一R 二一E2 B1B1IB12.2x1-（1+0.7）0.01選51KQ。為了確定去耦電阻R，需先求出U=R+1xR+U=2.95VC1E2E2F2BE21 ?r+R——<<R+■① F2 PL2再利用UC廣VCC-IC1(R1+RC1),可求得R廣3?曲，取R為3.32。為了減少元件種類，9選10uF,1 ?r+R——<<R+■① F2 PL2電容?！?lt;<R//PR電容。有下限頻率?L可以驗(yàn)證迅 B1F1,⑶反饋元器件Rf3及^的計算。由于1+AF=10，又已知A=1000。則F=0.9%。再利用R F R+RF F3可求出Rf3=5?5kQ，選5.1kO。C4選用10uF電容器，可以驗(yàn)證oCoCL4<<R13、核算技術(shù)指標(biāo)確定放大管得靜態(tài)工作點(diǎn)及電路元件后，放大電路的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是否能滿足要求，尚需進(jìn)行最后的核算。(1)核算Au：①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)可用下式求得彳 （1+P）R'A= 3L-u3r+（1+P）R'be3 3L

式中，Rl沁RR//R//(R+R)=2//1//5.1沁0.59式中，RlLE3 L F3 F1rbe3-300+(1+03)半-300+51H-67心680。E3因此得Au3?冊—0.978②核算第2級電壓放大倍數(shù)第2級電壓放大倍數(shù)由用下式求得A-u20R' 0[R //R//R//r]2C2 因此得Au3?冊—0.978②核算第2級電壓放大倍數(shù)第2級電壓放大倍數(shù)由用下式求得A-u20R' 0[R //R//R//r]2C2 2 C2 B31 B32 i3r+(1+0)R r+(1+0)Rbe2 2F2 be2 2F2式中r-r+(1+0)R-0.68+(1+50)x0.59?30.7k。i3 be3 3Lr=1.63kQbe2因此可得_50x(6.7//13//22//30?7)_2。1A— —39.1u2 1.63+(1+50)X0.051③核算第1級電壓放大器放大倍數(shù)第1級電壓放大倍數(shù)用下式求得A 卩R' 卩(R//r)u1 r+(1+0)R'r+(1+0)R'be1 1 F1 be1式中R-R//R沁51。r-2.96kQF1 F1 F3 e1ri2—4.23k。，因此可得50(15//4.23)A—U12.96+(1+50)X0.051二29.7因此可求出A—AAA—29.7x39.1x0.978—1136>1000u u1u2u3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r-R//reb3+(RC2〃R32〃R丿//R-2//06皿竺竺//5.1—81。o E3 1+0 F331+50故得■oof1■oof1+AF1081二8.10因此可滿足要求。核算輸入電阻。放大電路開環(huán)時的輸入電阻為r=R//ri B1 i1式中r=r+(1+p1)x(R//R)=2.96+(1+50)x0.051=5.56k0 因此i1 be1 F1 F3可求出閉環(huán)時的輸入電阻為r=r(1+AF)=5.55x10=55.5kOi1.fi1因此，總輸入電阻為r=rnf〃RB1=55.5〃51=26.6k0>20kQ，可滿足要求。核算放大電路是否穩(wěn)定，可以判斷本例電路不會產(chǎn)生震蕩以上電路是利用分離元件構(gòu)成的負(fù)反饋放大電路，當(dāng)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(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)(如圖)。六、實(shí)際制板操作①印制電路的設(shè)計與制作②按一比一的比例繪出電路圖（寬80mm、高70mm）標(biāo)出尺寸（見附錄）單面敷銅板下料并打磨邊框在敷銅面復(fù)制電路。用鋼板尺和木工刀雕刻電路。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(diào)試與設(shè)置，通上12V電壓后分別測量Vcc的電路，根據(jù)數(shù)據(jù)所示電路VAVBVCVDVE電壓（V）12左右10.2左右1左右1~27~8（1）、Vc、Vc波形測量加入偏置電流，用測量Y,的波形，用毫伏表測量出Y,匕的大小，令丫=10mVf-1kHz。

(2)、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R=I.RifVss⑶、Rof的測量。V=10mV,f不變，測量V，斷開R1測量出VOC。V-VRof=oc o?RVO⑷、%測量保持V-=10mV不變，讓f從1000Hz下降