西安邮电大学开放性实验.docx

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西安邮电大学开放性实验

开放式电子电路实验

专业：

电子信息工程

班级：

电子***班

姓名：

******

学号：

**********

时间：

2012到2013第二学期

实验一：

放大器的设计

1、设计要求：

（1）信号源内阻：

51kΩ；

（2）信号频率范围在20Hz~20kHz;

（3）负载阻抗Rl=200Ω

（4）指定频段恒定增益：

3倍

（5）输出动态Vo=3Vpp,Vi>=1Vpp;

（6）功率消耗P<50mW;

（7）增益不平坦度：

20~20kHz范围内小于0.1dB。

2、设计过程

1.基本的三极管的放大电路及主要性能

在学习模电的时候我们接触过三种基本的放大电路：

共基级、共射级、共集电极电路，在此先得了解并知道他们的区别，最后选择最适合设计要求的电路，以下是该该三种电路的基本性能：

由上图我们可以知道可以知道以下几点

共射级放大电路：

电压和增益都大于1，输入电阻在三种组态中居中，输出电阻与集电极电阻有很大的关系。

适合于低频情况下作为多级放大电路的中间级。

集电极电路放大器：

只有电流的放大，没有电压的放大，有电压的跟随作用，在三种组态中，输入电阻最高，输出电阻最小，频率特性好，可用于输入级，输出级或缓冲级。

共基极放大电路：

只有电压放大作用，没有电流放大，有电流跟随作用，输入电阻小，输出电阻与集电极电阻有关。

高频特性好，常用于高频或宽频带低输入阻抗的场合。

经过认真分析和仔细对比以及各类放大器的特性，我选择了用共射级放大电路作为中间级实现一定大的可调放大，再用一个共集电极放大器作为第二级，实现电压的跟随和提高电路的负载能力！

综合整个电路之后，就实现了三倍电压的放大。

2.整体电路设计

a.初级电路设计

根据所学过的知识进行了基本的设计，设计了如上图所示的电路图，但由上图的示波器可以看出来，B通道的电压值太小，即使射级放大器的放大倍数很大，也很难达到要求。

通过分析才知道在该试验中对电路的分析跟平时所学的分析方法有一点误差，在模电的学习中我们在画等效电容的时候会把它看作是导线，在高频电子电路中我们又要将其看着是电阻，在这里我们同样要将电容看成是电阻，同时在对三极管的等效过程中也有不同的地方，在该过程中还有一个级间电容是经常被忽略的。

所以对课本上提供的等效电路图做修改后的等效电路图如下图：

同时

；

则Av的推导也发生了变化：

；

由上公式可以得知：

VB/VS＜1；所以为了让Av达到设计要求，尽量使VB/VS趋近于1；由于Rs是51KΩ，所以Rb1||Rb2||Ri的值要相对于Rs很大才行，已知

是100，Re1要到kΩ级别上去，同理电容也尽量大，这样才使电容上的分压能力小。

在这里让C>=100uf即可，

由于电源内阻是51kΩ,所以R1,R2的电阻阻值的等级要在MΩ单位级附近，经过大致调制，电阻的各阻值大致如下电路图设计：

基本上初级放大电路就是这样，基本上第一级实现3倍放大是可以的实现的。

b.第二级电路加上之后的的基本整体电路效果如下：

通过基本的观察之后很明显可以知道，该电路的设计结果和所要求的很明显相差很多，该电路的放大倍数只有不到两倍而已，由于第二级的加入，导致对之前设计的第一级电路的放大倍数有很大的影响，所以导致最后的放大倍数有问题。

所以的重新设定电阻的阻值，在调整阻值的时候会遇到几个基本的问题，那就是输出的电路有失真，常见的失真有截止失真和饱和失真。

几种情况如下：

截至失真：

电路图的负半轴出现失真，是由于工作点过低造成的，故需要提高工作点，此时应增大R1或降低R2的阻值，因为R2增大或R1减小时,基极电压增大，使得Ic增大，可以使VCE减小，从而

提高了静态工作点。

饱和失真：

电路图的正半轴出现失真工作点太高，应降低工作点Q，可以通过增大R2或减小R1的大小来解决该问题，因为当R1增大或者减小R2时，基极的电压减小，使得Ic减小，可以使Vce增大,从而让三极管工作在放大区。

在调整阻值的时候出现的如上所述的失真的时候就针对相应的阻值进行调整。

C.最终的电路如下：

由于实验室所提供的电阻阻值只有1、1.2、1.5、1.8、2.0、2.2、2.4、2.7、3.0、3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6、6.2、6.8、7.5、8.2、9.1数值的10到1000000倍的数值，所以在完善电路的时候尽量将电阻的阻值设置在以上的数值上，以免在后期搭建电路的时候还得对电阻进行改变。

3、性能指标的检测及对电路的验证

以上图是电路的基本测量指标，这个图不是一次就能调的出来了，通过多次调整之后得到了如上的指标，功率消耗和增益不平坦度是满足的，但电压增益不满足设计要求，在该电路设计中我的电压增益只有

2.63倍，但是自己通过很多次调试还是无法达到3倍。

四．硬件电路验证

1.实验所用仪器：

直流电源、信号发生器、示波器、万用表、

电阻：

2.4MΩ、2MΩ、2.2KΩ、2KΩ、43KΩ、200Ω；

电容：

470uf

2.实验步骤：

a.简单检查所用仪器的好坏

b.根据所设计的电路图进行电路的搭建

c.进行数据测量及分析

频率f

输入Vin（Vpp）

输出Vout（Vpp）

失真时Vin（Vpp）

增益Av

20Hz

0.8

2.06

0.88

2.575

100Hz

0.8

2.1

0.9

2.625

1K

0.8

2.12

0.94

2.65

20K

0.8

2.08

1.0

2.6

根据所得的数据可以大致知道电压增益基本满足电路所设计的。

五．电路存在的问题及改进措施

之前在其他处分析了关于失真的问题和解决的方法，在此就省去了，其次在这里还有一点就是功率消耗的调整：

由于大功率电路耗电现象非常严重，因此我们在设计电路时，应在满足要求的情况下尽可能的减小电路的总功耗，而要减小总功耗，就要减小流过放大器的电流和放大器两端的电压，减小电流可以增大R3，减小电压可以减小Vcc。

在该实验中我还遇到了最笨的错误，在画图的时候没有仔细，导致有些线之间的连接没有连接起来。

六．设计心得

在该实验中我学了很多东西，由于之前的模电都是基于简单的计算中得出来的，所以在第一次上该实验课的时候，要自己设计电路的时候真的不知道从何下手，所以一点思路都没有，基本上说连一点出发点都没有，后来老师跟我们讲述了一些设计方法的时候我才渐渐的懂得一些设计的基本东西，同时第一节课老师教了我们multisim软件的基本应用。

在实验中一定不能心急，不要管其他人的电路做到哪种程度，如果觉得自己的电路是正确的一定要坚持自己的想法，如果真的遇到一些自己难以解决的问题时也要懂得求教与别人，但不能直接把别人的实验成果照搬过来。

另一点就是要细心，在该实验中我的电路表面上看是没有错误，但总是得不出来自己想要的结果，到最后实在是弄不出来，就去请教老师，老师在给我调试的时候同时也教会了我怎么去寻找错误，一步一步的往前级电路寻找下去，最后才发觉是自己的画线出了问题，表面上是连在一起的实际上没有连接起来，导致出现很怪异的波形。

实验二：

稳压电源的设计

一、设计要求

1、输入电压10-20V脉动直流

2、输入电压内阻为2Ω

3、输出电压Vo=5V

4、输出波形ΔVo≤40mV

5、输出电流I=0-0.5A

6、三极管管耗P<0.5W

二、设计过程

1、需求分析：

a.10-20V的脉动直流的产生，在正常的实际生活中我们所用到的是220V，50Hz的交流电压，要想得到我们所需要的电压，必须要经过如下步骤：

电源变压器，整流，滤波，稳压组成，但这里为了简单处理，直接提供一个人10-20V的脉动电压。

在设计电路图的时候我们可以用一个15V的直流电压和幅度为5V，频率为50Hz的交流电压叠加得到10-20V的脉动电压，或者用幅度在10-20V的矩型波形电压，但由于矩形电压是跳变的，所以在后期的稳压的过程中比较难，所以用叠加产生所需要的电压。

2、常用的稳压电源电路如下：

由图可知：

由于输出电压是5V，所以放大器的基极电压为5+Vbe为5.7V左右，即运算放大器的输出端的电压为5.7V,由运算器的性质可知Vout=Vcc-1.5V,所以运放器的输入电压为7.2V左右。

而运放器的工作电压为3.2V左右。

根据这些要求设计出了以上的电路，在运放器的输入电压和工作电压处所接的电压都是稳压二极管的电压。

稳压二极管的型号及导通电压如下

IN4728

IN4729

IN4730

IN4731

IN4732

IN4733

IN4734

IN4735

IN4736

IN4737

3.3V

3.6

3.7

4.3

4.7

5.1

5.6

6.2

6.8

7.5

所以我们所选择的稳压二极管是IN4728和IN4737,又由于IN4728的工作电流在76-80mA,IN4737的工作电流在34-40mA之间，所以在后期电路设计的过程中一定要满足这个要求。

3、

又由于Vo=5V,Vref=3.3V,可以得出R3≈2R2;由于尽量让负反馈支路的分流作用非常小，所以R3和R2的组织在KΩ或MΩ单位级别上。

4、限流电阻R1和R5的阻值确定：

在之前的分析中已经得知在有稳压二极管的支路中是有电流要求的，将运放器的负极接地，使IN4728的所在的电路的支路处于虚断状态，即不存在分流作用，所以IN4728所在的支路电流I1=（V1-3.3）/R5;IN4737所处的电路上的电流I2=（V1-7.5）/R1。

5、稳压电源部分的设计：

由于在该实验中，电压的频率为50Hz，所以时间常数比较大，但又由于电压内阻为2Ω，所以无论采取什么滤波电路，其电容和电感的值都要求的比较大，又由于实验中常用的电容在1mF以下，电感最大也是mH级别上的，所以单独使用C型滤波，倒L滤波电路，和

型滤波电路的效果不是很好，波动范围比较大，所以可以选择多中滤波电路一起使用以克服这种困难。

6、基本电路：

在该电路设计中我采用了倒L型滤波电路和

型滤波电路叠加使用，通过滤波器可以知道V1的波动范围在13.086-13.422之间波动，其波动范围在337mV。

而限流电阻R1和R2的值可以通过上面提到的公式进行计算。

当电压为13.086的时候，R1的取值范围为（13.086-7.5）/0.034到（13.086-7.5）/0.040,即137-165Ω之间，

R5的取值范围为（13.086-3.3）/0.076到（13.086-3.3）/0.080,即123-129。

当电压为13.422时，R1的取值范围为（13.422-7.5）/0.034到（13.422-7.5）/0.040,即148-174Ω，R5的取值范围为（13.422-3.3）/0.076到（13.422-3.3）/0.080,即127-133之间，所以根据以上的计算结果选取R1的阻值为150Ω，R5的阻值为128Ω。

7.最终电路：

三、电路验证

由上图可知输出电压Vo=5V基本达到要求。

由上图可知输出波形ΔVo=1.239mV,满足输出波形ΔVo≤40mV,同时三极管的管耗为402.445mW<0.5W,同样满足条件。

输出电流的值和负载电阻R4有关，所以R4的取值为100Ω时，电流为0.05A,当电阻R4的阻值为10KΩ时，输出电流为0.5mA,所以基本都满足。

在该过程中有一小部分要进行调整的就是R2和R3的组织，因为在之前的分析中可以得知R3≈2R2,所以如果输出电压为在5V附近波动，可以通过调整R2和R3的阻值进行调整，

最终为了达到最佳效果，我所选取的R2阻值为1MΩ,R3的电阻为1.995MΩ.

4、设计心得

我们正常生活中的电源是220V，50Hz的交流电，但正常的很多电器都是直流电源提供的电源，所以这次我们所做的稳压电源的实验很有使用价值。

直流稳压电源在模电的学习过程中老师讲的比较少，所以对这方面的知识我们还是比较欠缺，但通过老师的详细讲解后，掌握了不少这方面的知识。

这个设计的连贯性很强，只要根据老师所说的，一步一步的分析和解决就可以逐渐的学会这些。

首先在滤波电路部分的设计中，我刚开始设计的时候只是为了想达到自己想要的结果，而没有考虑到实际问题，刚开始我只是用了倒L型滤波电路，但要想达到自己想要的结果，将电感的值调到了H单位级别上去了，同时电容也达到了mf单位级别了，后来仔细想想发觉有很大问题，在实际的实验室中，H级别上的电感是很少用的，所以这个设计算是失败的，当时由于思想的局限性，怎么也想不出来，后来通过老师的点拨，才知道采用了两种滤波电路的叠加使用，这样使滤波效果更加理想。

同时在电路测试的过程中，由于稳压二极管有电流的限制，所以要考虑电流到电流的范围，我刚开始的时候是用一电流表来观测电路的电流，但由于电流表测的是平均电流，所以很明显不符合自己所观测的要求，在这个过程中，电流是要我们通过电压的波动值来计算电路所给的电阻值来控制电流的波动范围，电流是事先计算和控制的而不是通过观测来得到的。

在测量三极管的功耗的时候一定要注意自己的测量点是否正确，在该实验中我虽然知道怎么测量，但还是将测量点给弄错了。

测量电流的时候一定要测发射级的总电流，一般情况容易测成了支路电流，所以一做实验的时候一定要细心。