低频放大电路的设计与分析教材.docx
《低频放大电路的设计与分析教材.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《低频放大电路的设计与分析教材.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
低频放大电路的设计与分析教材
前言1
工程概况1
1．实验目的和意义2
2．目标与总体方案2
3．设计方法和内容2
3.1电路图设计3
3.2电路元件参数设计与相关计算过程：
4
3.2.1确定D4
3.2.2确定Re1、RF4
3.2.3设计Rc1、Rc2、ICQ1、ICQ24
3.3元件参数验算5
3.4电路仿真5
3.4.1放大倍数仿真测量6
3.4.2输入阻抗测量7
3.4.3输出阻抗测7
3.4.4输入输出与图形对比9
4．设计创新与关键技术10
4.1电路设计与图形分析10
4.1.1元器件选取以及测量：
10
4.1.2连接电路：
11
4.1.3初步测量：
11
4.1.4调节Q点以及测量闭环增益Auf：
11
4.1.5测量输出电阻Rof：
12
4.1.6测量输入电阻Rif：
12
4.1.7测量上下限频率fl和fH：
12
4.2结果分析与问题总结12
4.2.1放大电路的增益：
12
4.2.2输出电阻的测量：
12
4.2.3输入电阻的测量：
13
5.结论13
致谢13
参考文献14
前言
功率放大器在家电、数码产品中的应用越来越广泛，与我们日常生活有着密切关系。
随着生活水平的提高，人们越来越注重视觉，音质的享受。
在大多数情况下，增强系统性能，如更好的声音效果，是促使消费者购买产品的一个重要因素。
低频功率放大器作为音响等电子设备的后即放大电路，它的主要作用是将前级的音频信号进行功率放大以推动负载工作，获得良好的声音效果。
同时低频放大器又是音响等电声设备消耗电源能量的主要部分。
因此设计出实用、简洁、低价格的低频功率放大器是一个发展方向。
功率放大器随着科技的进步是不断发展的，从最初的电子管功率放大器到现在的集成功率放大器，功率放大器经历了几个不同的发展阶段：
电子管功放、晶体管功放、集成功放。
功放按不同的分类方法可分为不同的类型，按所用的放大器件分类，可分为电子管式放大器、晶体管式功率放大器（包括场效应管功率放大器）和集成电路功率放大器（包括厚膜集成功率放大器），目前以晶体管和集成电路式功率放大器为主，电子管功率放大器也占有一席之地。
电子管功率放大器俗称胆机，电子管功放的生产工艺相当成熟，产品的稳定性很高，而离散性极小，特别是它的工作机理决定了它的音色十分温柔，富有人情味，因而成为重要的音响电路形式。
电子管电路的设计、安装、调试都比较简单，期缺点是输出变压器、电源变压器的绕制工艺稍麻烦，耗电大、体积大、有一定的使用期限。
因此在实际使用中有一定的局限性。
现在大功率晶体管种类很多，优质功放电路也层出不穷，因此晶体管功率放大器是应用最广泛的形式。
人们研制出许多优质新型电路使功放的谐波失真，很容易减少到0.05%以下。
场效应管是一种很有潜力的功率放大器件，它具有噪声小、动态范围大、负温度特性等特点，音色和电子管相似，保护电路简单。
场效应管生产技术还在不断发展，场效应管放大器将有更为强大的生命力。
由于集成电路技术的迅速发展，集成电路功率放大器也大量涌现出来，其工艺和指标都达到了很高水平，它的突出特点是体积小、电路简单、性能优越、保护功能齐全等。
由于在很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。
现今功率放大器不仅仅是消费产品（音响）中不可缺少的设备,还广泛应用于控制系统和测量系统中。
前置放大级主要任务是完成小信号电压放大任务，同时要求低噪声、低温漂。
电路系统设计简洁、实用并且达到高增益、高保真、高效率、低噪声、宽频带、快响应的指标。
工程概况
本次课程设计的主题是采用Mutisim10.0软件仿真实现低频放大电路的仿真与分析。
首先要求对Mutisim10.0软件有着较为深入地了解和认识，掌握一些Mutisim10.0软件的基本用法。
例如：
用Mutisim10.0软件实现电路的设计与结果分析等等。
同时利用软Mutisim10.0软件也能对书本上的知识进行验证，，与书本上的讲解进行对照分析和比较。
本次课程设计要求的技术对我们通信的学习起着很大的作用。
低频放大电路的设计与分析
1．实验目的和意义
A、掌握多级放大电路的静态工作点的调试方法；
B、掌握多级放大电路的电压放大倍数，输入电阻，输出电阻的测试方法；
C、掌握负反馈对放大电路动态参数的影响；
D、提高电路设计与制作能力，培养动手能力，将理论运用于实际；
2．目标与总体方案
基本放大电路一般是指有一个三级管和场效应管组成的放大电路。
放大电路的功能是利用晶体管的控制作用，把输入的微弱电信号不失真的放到所需的数值，实现将直流电源的能量部分的转化为按输入信号规律变化且有较大能量的输出信号。
放大电路的实质，是用较小的能量去控制较大能量转换的一种能量装换装置。
利用晶体管的以小控大作用，电子技术中以晶体管为核心元件可组成各种形式的放大电路。
其中基本放大电路共有三种组态：
共发射极放大电路、共集电极放大电路和共基极放大电路
考虑到该电路放大倍数要求较高，并实验要求采用分离元件的三极管来完成，故首先考虑到使用多级共射放大电路，但级数过多会影响输出反馈信号的相移，电路容易自激，最后折中处理，本实验实际采用两级共射放大；
多级放大电路，由于各级之间参数会相互影响，若采用直接耦合，则对于静态工作点的调节要求很高，故采用阻容耦合方式；
为了稳定电路，稳定输出电压，提高输入电阻，拟采用深度负反馈，并最终设计为级间电压串联负反馈；
3．设计方法和内容
放大电路（amplificationcircuit）能够将一个微弱的交流小信号（叠加在直流工作点上），通过一个装置，得到一个波形相似（不失真），但幅值却大很多的交流大信号的输出。
放大电路本身的特点：
一、有静态和动态两种工作状态，所以有时往往要画出它的直流通路和交流通路才能进行分析；
二、电路往往加有负反馈，这种反馈有时在本级内，有时是从后级反馈到前级，所以在分析这一级时还要能“瞻前顾后”。
在弄通每一级的原理之后就可以把整个电路串通起来进行全面综合。
实际的放大电路通常是由信号源、晶体三极管构成的放大器及负载组成。
共射放大电路既能放大电流又能放大电压，常作为低频放大电路的单元电路，通过R1R2来调节静态工作点和提供偏置，利用Re的直流负反馈作用，来稳定静态工作点，利用晶体管的电流放大作用，通过RC转换成电压的变化，从而实现电压的放大输出。
设计原理图如图1.1所示。
（a）双电源的单管共发射极放大电路（b）单电源的单管共发射极放大电路
参数要求：
在f=1KHZ时，电压增益>100；输入电阻>100KΩ；输出电阻<1KΩ；输出动态范围尽可能的大。
Vcc为12V；β>80.
3.1电路图设计
3.2电路元件参数设计与相关计算过程：
本实验采用的是NPN9011型号的三极管，电路中所用的电容全部采用10微法，Vcc=12V，其余电阻值的计算过程如下：
3.2.1确定D
根据要求AVF>100，AVF=AV/1+AVF≤1/F，D=1+AVF≫1
因两级共射放大器开环增益易作几百倍~一、二千倍故选定
D=9，使电路形成深度负反馈。
3.2.2确定Re1、RF
由于rif≈Dri≈D∙βRe1∴Re1≥riF/Dβ=100K/9∗80=138.89Ω
选定Re1=150Ω
又F=Re1/（RF+Re1）<1/Auf
则RF>Auf−1∙Re1>100∗150Ω=15kΩ
选定Rf=20KΩ.
3.2.3设计Rc1、Rc2、ICQ1、ICQ2
∵roF≈ro/D≈Rc2\\RF/D≤1KΩ
∴Rc2≤Drof∙RF/（*RF−Drof）=9∗1K∙18K/（18K−9K）=18K
∵要求输出动态范围大
∴第二级工作点位于交流负载线中间左右
VC2′=（VccRf+VCEQRC2）/（RC2+RF）
VCEQ2=1/2Vc2′（交流负载线）
则VCEQ2=Vcc∙RF2/（RF+RC2）=12∗18K/（2∗18K+15K）≈4V⋯⋯⋯⋯⋯⋯①
又在兼顾动态范围大又不影响增益的情况下取Re2=800Ω
则ICEQ2=（12−VCEQ2）/（RC2+Re2）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯②
由第二级放大电路采取分压式偏置
则VCC∙Rb下/（Rb上+Rb下）=VB=VBEQ+VE=0.7+IEQ2∙Re2⋯③
VCC/（Rb上+Rb下）=5~10ICQ2/β⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯④
由①~④式解得：
Rb上=274KΩRb下=27KΩ
又rbe2=rbb′+β∙UT/ICQ2=300+80∗26mv/ICQ2=4.408K
ri2=Rb上\\Rb下\\rbe2⋯⋯⋯⑤
RC1=4ri2⋯⋯⋯⋯⑥
由⑤⑥式解得：
Rc1=18.78KΩ即20KΩ
又第一级工作在小信号状态，交流负载线比直流负载线更陡，为计算简单，工作点选在此直流负载线中点偏高点，即接近交流负载线中点
∴ICQ1≥VCC/2（RC1+Re1）⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⑦
Rb1=（VCC−VBEQ−ICQ1∙RC1）/ICQ1/β⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⑧
将⑦代入⑧中得：
Rb1=3.31MΩ取为3.3MΩ
综上所述，电路中所有电阻值归纳如下：
由此，该电路中的元件参数全部取定。
3.3元件参数验算
首先画出交流等效电路图，如图所示
验算Au：
Au1=−β（Rc1//Rb2//rbe2）/（rbe1+（1+β）（Re1//Rf））=−βrbe2/（rbe1+βRe1）=−13.3
Au2=−β[Rc2//（Rf+Re1）]/rbe2=−β（Rc2//Rf）/rbe2=−245
Au=Au1∗Au2=3185
验算F：
F=Re1/（Re1+Rf）=7.44∗10^（−3）
验算Auf：
Auf=Au/（1+AuF）=129
验算D：
D=1+AuF=15
验算Rof：
ROf=Rc2//（Rf+Re1）/D=Rc2//Rf/D=613Ω
验算Rif：
Ri=rbe1+1+β（Re1//Rf）=rbe1+1+βRe1=14KΩ
Rif=Rb1//DRi=197KΩ
3.4电路仿真
Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。
凭借NIMultisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。
借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。
与NILabⅥEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。
在对电路进行初步理论设计后，还需要通过仿真来实际检测电路的可行性，这里我们使用的是Mutisim10.0软件进行的仿真，可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。
3.4.1放大倍数仿真测量
这里我们可以看到，输入信号时有效值为10mv的正弦波，输出用示波器观测，在波形不失真的情况下输出为1.27V，则放大倍数为
AVf=Uo/Ui=1.27V/10mv=127>100
亦即放大了127倍大于实验要求的100倍，故放大倍数满足设计要求
3.4.2输入阻抗测量
这里我们采用串联电阻法测量输入阻抗。
选用100KΩ的电阻串联到输入端，还是输入10mv的正弦波，用电表读取放大电路的输入电压，如图实际测量结果为5.533mv，则由输入阻抗计算公式：
Ri=Ui∙Rs/（Us−Ui）=5.533∗100K/（10−5.533）=123.89KΩ
3.4.3输出阻抗测
加入10KΩ负载测负载电压
空载时的输出电压
这里测量输出阻抗时我们采用的是外加负载法，即分别测量并联负载电阻后的电压和开路电压，然后根据输出阻抗计算公式计算。
我们选用的是10KΩ的负载，输入任然为10mv正弦波信号，上图是加入负载后的测得的电压为1.21V，下图是开路时测得的电压1.27v，所有参数都是在保证输出波形不失真的情况下测量的。
则输出阻抗为：
Ro=（Uo−Ur）∙R/Ur=（1.27−1.21）∗10K/1.21=495.87Ω<1kΩ
输出阻抗计算出来为495.87Ω，小于实验要求的1KΩ，故符合要求。
3.4.4输入输出与图形对比
输入波形
输出波形
调节CH1幅值后的波形图
由图上可知，该低频信号被放大，波形前后对比明显，清楚可知该低频放大电路设计正确。
综上所述，我们的设计方案最后在Mutisim10.0上仿真的结果为：
放大倍数是127倍，输入阻抗为393.3KΩ，输出阻抗为495.87Ω。
仿真结果完全满足实验设计要求，证明该设计方案的确是可行的。
4．设计创新与关键技术
4.1电路设计与图形分析
4.1.1元器件选取以及测量：
首先根据上述理论推导过程、实验中老师的要求以及实验室所提供的元器件，选取本次实验所需的电阻，电容，三极管，电位器等。
所取元件分别如下：
电阻150Ω*1，820Ω*1，18.0KΩ*1，20.0KΩ*2，27.0KΩ*1，50KΩ*1，3.0MΩ*1；电位器1MΩ*2；电容10uF*4，0.033uF*1；三极管NPN9011*2。
4.1.2连接电路：
将设计过程中，Rb1的3.3M电阻用电位器1M以及一个定值电阻3.0M串联替代，Rb上用电位器1M以及电阻50K串联替代，按照电容的正负极关系以及仿真的电路图连接电路。
为保证实验结果准确，防止电路自激影响，尽量简化了电路，避免了导线过长或者交叉。
4.1.3初步测量：
电路连接完，反复检查电路是否连接正确。
检查无误后，输入端接入函数信号发生器，输出端接示波器，进行初步测量。
经实验测量，较小的输入信号经放大电路放大后，在输出端可以得到，稳定且不失真的输出波形，满足初步要求，电路稳定无自激现象。
4.1.4调节Q点以及测量闭环增益Auf：
适当调节输入信号电压，使输出波形产生失真，由实际实验所得波形为底部失真，因此调小Rbe1和Rbe上部分的两个电位器的阻值，当调得不失真情况下，继续增大输入信号电压，使之再次失真，重复上述步骤，最终当增大输入信号电压时，同时产生了顶部失真和截止失真，此时Q点调节到最佳。
输入电压以及输出电压的波形如下：
输入波形
输出波形
电压放大倍数
Auf=Uo/Ui=126.6。
4.1.5测量输出电阻Rof：
电路的输出端接上1.5𝐾Ω的负载电阻Rl，利用分压法进行测量输出电阻。
当接入负载Rl时，改变了交流负载线的斜率，因此调小输入信号电压，使得输出Ul不失真。
此时测得Rl两端电压为Ul=430mV，断开负载Rl，测得输出电压Uo=561mv。
因此
Ro=（Uo-Ul）*Rl/Ul=457Ω。
4.1.6测量输入电阻Rif：
电路的输入端串联100kΩ的电阻R’，同样采用分压的方法进行输入电阻的测量。
当输入电压为10mV时，测得输入端Ui’为6.72mV，因此测得
Ri=Ui’*R’/（Ui-Ui’）=204.8𝐾Ω。
4.1.7测量上下限频率fl和fH：
保证输入电压不变，分别减小和增大输入信号的频率，当输出电压Uo下降到0.7Uo时，用示波器测出输入信号的fl和fH。
测得fl=52.00HZ，fH=420KHZ。
即该电路的通频带宽为
52.000HZ~420KHZ
4.2结果分析与问题总结
4.2.1放大电路的增益：
由上述的验算可知：
Au1=−β（Rc1//Rb2//rbe2）/（rbe1+（1+β）（Re1//Rf））=−βrbe2/（rbe1+βRe1）=−13.3
Au2=−β[Rc2//（Rf+Re1）]/rbe2=−β（Rc2//Rf）/rbe2=−245
Au=Au1∗Au2=3185
验算F:
F=Re1/（Re1+RF）=7.44*10^（-3）
验算Auf:
Auf=Au/（1+Auf）=129
理论值计算的A’uf=129，而实际的Auf=126.6。
首先满足了实验的要求，闭环增益大于等于100倍。
再者，由于理论值在计算的过程中，电路图首先进行了等效，在算理论值时也进行了相当多的估算，也同时会产生一定的误差。
因此，满足了实验预期。
4.2.2输出电阻的测量：
由验算分析可得：
验算D：
D=1+AuF=15
验算Rof：
ROf=Rc2//（Rf+Re1）/D=Rc2//Rf/D=613Ω
实际测量的输出电阻为Ro=457Ω，在实际测量当中，采用了分压式的测量方法，串联负载电阻Rl，利用两者的分压关系，来确定输出电阻Ro。
实际的输出电阻Ro满足实验要求，小于1KΩ。
首先由于实际的测量方式和理论推导采用的方法不同，尤其串联了负载电阻，对原电路产生了影响，因此产生了误差。
再者，在理论推导的过程中，也不断的进行估算，也会造成相对的计算误差。
因此，实际测量值在误差的允许范围之内，满足实验要求，满足预期。
当输出端串联负载后，会改变交流负载线的斜率，因此导致新的Q点并非在中点，因此为避免输出电压的失真，可以才用减小输入电压，保证输出电压是稳定的正弦波。
在实际的操作过程中，由于初始的输入电压过大，导致输出波形失真，无法用分压关系进行测量输出电阻，并且试图增大负载Rl的阻值来改变交流负载先斜率，但最终发现，减小输入电压的方法简单有效，节省了实验时间。
4.2.3输入电阻的测量：
有之前的验算可得，理论值为：
验算Rif：
Ri=rbe1+1+β（Re1//Rf）=rbe1+1+βRe1=14KΩ
Rif=Rb1//DRi=197KΩ
实际测量的输入电阻Rif=204.8kΩ。
同前面的分析，得出相同的结论，输入电阻阻值符合实验要求，由于理论值计算过程中存在估算，会产生误差，因此误差在允许在范围内，满足实验的预期。
测量输入电阻的过程中，出现了一些问题，在接入输入电阻的时候导致输出波形不稳定甚至有较大改变或者未测出输出波形的情况。
经过分析得出很可能是由于串联的输入电阻过大，导致信号未进入电路内部进行放大。
因此我们采取减小串联的输入电阻R’为100𝐾Ω，并且再串联过后，增大输入信号，电压信号可以进入电路并且被放大，在得到输出波形后采用分压原理的方法进行测量，最终得出了结果，完成了实验。
5.结论
这次设计实验，虽然并不是一个很难的实验，对于我们来说，理论计算都不是大问题，但是从设计、计算、仿真到实际操作的确耗费了我们大量的时间和精力。
可能我们已经习惯了题目给出电路来计算静态工作点，习惯了题目电路里标出电阻值参数来计算放大倍数，但我们貌似总是跳过了最重要的环节。
其实电路的设计，参数的计算才是整个电路设计制作的核心，操作、测量都是其次，我们平时太过于注重理论书上的做题，反而忽略了最重要的。
各个环节都有我考虑不周全的地方，可能导致电路设计不合理，导致全部重来。
所以这次设计实验给我的感触的确够深刻，对我的帮助也真是不仅仅是一个实验，归纳总结如下：
*提高电路制作能力，培养了独立设计电路的能力，将理论运用于实际；
*一个电路设计的好坏电路结构是一方面，但不是最重要的，参数的选择合理，参数如何计算，估算怎么做，估算完后带回电路重新检验等等都是直接影响最后电路的功效的；
*实际操作了如何根据波形来调节静态工作点，更熟练的掌握了电路的调试以及各个测量器件的使用；
*熟练掌握了多级放大电路的输入和输出阻抗的测量；
*提高了实际连接电路的动手能力；
*对电路中多级放大和深度负反馈的知识理解更加深刻；
致谢
感谢老师一个星期的陪伴和指导，让我更清楚地了解了关于放大电路的结构、组成和作用。
同时我想说老师您辛苦了！
参考文献
[1]胡翔骏，电路分析（第二版）[M].北京：
高等教育出版社,2007.
[2]华成英,童诗白，模拟电子学基础（第四版）[M].北京：
高等教育出版社,2006.
[3]高吉祥，全国大学生电子设计竞赛培训系列教程之模拟电子线路设计[M].北京：
电子工业出版,2007.
[6]夏路易,石宗义，电路原理图与电路板设计教程PROTEL99SE.北京希望电子出版社.2002.
[4]黄智伟，全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2006.
[5]谭博学,苗汇静，集成电路原理及应用（第二版）.北京：
电子工业出版社,2008.
[6]林灵，基本放大电路交流参数的求解[J].思茅师范高等专科学校学报.2006（06）
[7]毛自娟，放大电路图解分析法的探讨[J].黔西南民族师范高等专科学校学报.2008（04）
[8]孔龙，共发射极基本放大电路分析[J].企业导报.2012（23）
[9]计科峰,刘安芝,邹焕新,刘希顺，放大电路反馈判断问题的教学方法[J].电气电子教学学报.2013（02）
[10]苏娟,严正国,吴银川，基本放大电路信号放大过程解析[J].中国现代教育装备.2009（04）
升级会员 