基本放大电路的设计.docx

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基本放大电路的设计

江西科技师范大学

实验报告

学院：

通信与电子学院

班级：

11电子信息工程（职教本科）

姓名：

刘小燕

学号：

20112563

一、实验设计任务与要求二、实验器材及设备

三、实验设计目的及原理四、实验设计思路

五、实验原理图六、实验调试说明

七、实验总结

任课老师：

胡云根

实验日期：

2013-3-20

实验一基本放大电路的设计

一、实验设计任务与要求：

设计一个由分立元件组成的放大电路，放大倍数为100，输入阻抗>=47K欧姆（越大越好）,带宽为50HZ——100KHZ（越宽越好）负载电阻RL=5.1KΩ；工作温度范围0～45℃。

二、实验器材及设备：

插板、导线、三极管2个、电阻若干、电容若干、滑动变阻器若干及用于调试的示波器、电源、12V直流电源、函数信号发生器、交流毫伏表、直流电压表、直流毫安表、频率计、万用电表、装配工具等。

三、实验设计目的与原理：

设计目的：

为了加强学生对放大电路的理解能力，加强学生的设计电路的能力，加强学生的动手能力及巩固模拟电路基础知识等。

设计原理：

利用三极管的放大作用，对小信号放大。

（1）能够正确画出典型共集电极放大电路和分压偏置式典型共射极放大电路；

（2）根据设计要求，确定工作电源VCC的大小、选择晶体三极管；计算并选择其他阻容元件；

（3）测试元器件，安装电路；并将电路的偏置进行调整至合适的工作状态；

（4）掌握晶体管放大电路参数的测量方法，并测量放大电路的输入电阻、输出电阻、放大倍数、最大不失真输出电压和频带宽度；

（5）能够对基本放大电路的常见故障进行分析，并能够排除一些基本的故障。

四、设计思路：

最先想到使用三极管组成的基本共射极放大电路，由此可完成第一步，而共射极无法做到输入电阻>=47K欧姆，所以在前面应加入一级——射极跟随器电路，射极跟随器电路输入电阻无穷大，放大倍数为1，带负载能力强，因此不影响后面其他极的电路。

为了提高增益，后面可以用共发射极电路，这些早在上《模拟电路》的课程是就已经学会了。

（一）总体设计

（1）课题分析

根据设计要求，要实现电压放大倍数Au=100；输入阻抗Ri≥47KΩ；采用单级双极型三极管放大电路是无法实现的，就本题而言，系统可分为二级：

输入级和主放大级。

总体结构如图1-9所示。

图1-9晶体管电压放大器方框图

（2）方案讨论

①输入级：

主要完成阻抗变换，实现输入阻抗Ri≥47KΩ的设计要求；

②主放大级：

主要完成电压放大作用，实现电压放大倍数Au=100的设计要求。

晶体管放大器基本参数的测量

输入量

测试参数

计算与判定

改变Rb（KΩ），其它量不变

IB（μA）

IE（mA）

Au

ri（KΩ）

ro（KΩ）

BW（KHz）

晶体管工作状态及β值

100

5

0.8

160

3

5.1

0.3~0.5

65

7.5

1.2

153

2.9

5.1

0.4~0.6

20

16

2.6

162

2

5.1

9~23

30

18

2.2

122

1.5

5.1

7~20

15

125

3.2

25

1.1

5.1

0.4~0.7

10

400

3.4

8.2

0.9

5.1

0.46~0.6

1.确定Rb的范围：

2.确定晶体管在各个工作状态下IB、IE、Rb的范围：

1.自行搭接晶体管放大电路，改变Rb（KΩ），其它参量不变，完成下表：

2.自行搭接晶体管放大电路，改变Rc（KΩ），其它参量不变，完成下表：

输入量

测试参数

计算与判定

改变Rc（KΩ），其它量不变

IB（μA）

IE（mA）

Au

ri（KΩ）

ro（KΩ）

BW（KHz）

晶体管工作状态及β值

1

18

1.54

85

3.3

5.1

0.29~0.6

1.2

9

1.55

172

3.1

5.1

0.29~0.6

1.6

16

2.60

162

2

5.1

9~23

2.5

88

2.37

26

1.8

5.1

6~22

3.7

287

1.89

6

1.1

5.1

0.22~0.6

4

292

1.80

6.1

0.9

5.1

0.3~0.6

1.确定Rc的范围：

2.确定晶体管在各个工作状态下IB、IE、Rc的范围：

3.自行搭接晶体管放大电路，改变Re（KΩ），其它参量不变，完成下表：

输入量

测试参数

计算与判定

改变Re（KΩ），其它量不变

IB（μA）

IE（mA）

Au

Ri（KΩ）

Ro（KΩ）

BW（KHz）

晶体管工作状态及β值

7

5

0.7

140

3.2

5.1

0.4~0.7

6.3

5

0.8

160

3

5.1

0.3~0.7

2

18

2.2

120

1.5

5.1

7~20

3.5

12

1.5

125

1.45

5.1

7~20

0.7

250

3.6

15

1.2

5.1

0.3~0.7

1.1

130

3.2

25

1

5.1

0.4~0.8

1.确定Re的范围：

2.确定晶体管在各个工作状态下IB、IE、Re的范围：

（二）主放大级电路设计

（1）电路类型选择：

为了实现电压放大倍数Au=100的设计要求，主放大级宜采用固定分压偏式共射级放大电路形式，工作稳定性最好。

（2）电路结构：

如右图1-10所示。

（3）元件选取与参数计算：

①选择半导体三极管

图1-10固定分压偏置式放大电路

从给出的技术要求可知，该电路工作在低频小信号场合，工作温度范围又较宽，故可选择热稳定性较好的低频小功率三级管9013NPN三极管。

②）确定电源电压VCC

为保证放大输出信号幅度的动态范围

内不会产生非线性失真，一般取VCC≥2

+UE+2UCES

由于输入信号电压幅值为

则输出信号电压幅值为

若取三极管馆和压降的临界值UCES≈1V，则静态集一射压降设置在

UCEQ≥

+UCES=3.82V

又由于这种典型放大单元静点的工程（估算）条件是：

I1≈I2>>IB和UB>>UBE

一般取I1=I2=（5-10）IB和UB=（5～10）VBE。

硅管UB=3～5V，锗管UB=1～3V

若近似取UB=4V，UE=UB-0.7=3.3V

再按VCC≥2

+UE+UCES=2×2.82+3.3+1=10V。

考虑留有余量取VCC=12V（标准等级电压）。

③计算和确定集电极电阻RC

由放大电路的静、动态分析可知，RC是决定静态工作点和满足电压增益

要求的一个关键元件。

一般应从输入至输出逐步推算。

先确定输入回路的动态范围：

基极信号电流的幅值为

，取若

=1KΩ，则

为了使输入动态信号不出现非线性失真，即信号动态工作不进入输入特性下面的弯曲部分，通常取最小基极电流

。

则静态基流

取IB=40μA

再在输出回路进行静态计算：

管子的电流放大作用有

又由于

，若取

，

则

取标称值2.2KΩ，为了方便可调我们用5K的滑变，以防调失真等情况。

④计算确定射极电阻Re

取标称值1.8KΩ

⑤计算确定

由I1≈I2=（5-10）IB，取I1=I2=5IB=5×40=0.2mA

再按

即为标称值

取标称值39KΩ或43KΩ

实际电路中Rb1用一个固定电阻与一个可调电阻串联来代替，方便工作点的调节。

⑥确定耦合电容和射极旁路电容C1、C2和Ce

工程计算式分别为：

，

式中下限频率fL≥20HZ，信号源内阻RS=几欧～几十欧，输入电阻Ri≈rbe，输出电阻RO≈RC，

为与CE构成回路的等效电阻，且

，

。

，

⑦校验

由于

∴

符合指标要求。

（三）输入级电路设计

图1-11共集电极电路

（1）电路类型选择：

为实现输入阻抗Ri≥47KΩ的设计要求，根据模拟电路知识，输入级宜选用共集电极电路（射极输出器）。

这种电路具有输入阻抗高、输出阻抗低、放大倍数近似于1的特点。

（2）电路结构：

射极跟随器的原理图如图1-11所示。

它是一个电压串联负反馈放大电路

（3）元件选取与参数计算：

①选择半导体三极管：

半导体三极管的选择同任务二，但要注意，对于小信号输入级，为降低热噪声，工作电流不宜过大，一般Ic＜1mA。

②）确定Rb：

一般

，取

，实际电路中可以用一个504的滑动电阻与一个100K的电阻串联使用。

③计算Re：

对于射极输出器，其输入电阻Ri≈（1＋β）（RE∥RL）≥47K，即：

（RE∥RL）≥0.77K

其中RL是主放大电路的输入电阻Ri，见任务二，Ri≈0.86K，求得Re≥7.36，取标称值Re=7.5K

④C1、C2的选取同任务二。

⑤验算输入电阻Ri

Ri≈（1＋β）（RE∥RL）=61×7.5K//0.86K=47.1K＞47K，满足设计要求。

五、实验原理图：

改图为仿真图，是在有了明确的设计思路的情况下绘制而成，图中的三极管在实物制作中用9013或8050NPN三极管，

六、实验调试说明：

（1）、在动手调试之前先扫描一下电路有无脱线、正负反接、元器件未插稳等。

（2）测试仪器的准备、检查与调试方案：

①准备以下仪器：

12V直流电源、函数信号发生器、双踪示波器、交流毫伏表、直流电压表、直流毫安表、频率计和万用电表等。

②仪器检查：

检查和校正交注毫伏表、频率计、示波器、万用表、直流电压表的直流电流表、用万表或电压表将稳压电源调至+12V、用交流毫伏表、频率计将函数信号发生器调至正弦波20mV/1KHz输出。

③调试方案：

在多级放大电路中，前后级电路相互影响，因此调试方法采用从后往前调。

即先调主放大电路、再调输入级电路。

（3）、用示波器、函数信号发生器之前先确定其本身是否是好的，因为这两样东西直接决定了是否能调试出来。

放大倍数的测试：

调整放大器到合适的静态工作点，然后加入输入电压ui，在输出电压uO不失真的情况下，用交流毫伏表测出ui和uo的有效值Ui和UO，则Au=Uo/Ui。

（1）、确保以上无误后的情况下接上电源调试，输入信号为20mV，由于第一级为射极跟随器，所以输出为20mV，再看第二级有无放大。

（2）、一般情况下第一级都是有用的，主要问题大部分都会出在第二级，而第二级主要有两种情况：

1、要么没放大；

2、要么放大了但失真了；

解决方法：

情况1、针对没放大就要先看看信号源是否还是处于稳定的状态，因为三极管的放大受温度、噪声等多层影响，信号源及容易失调。

也有可能是基极的电容放反了方向，导致信号受阻，从而没有放大。

情况2：

针对第二种情况调节共射极的Rc、Rb滑变即可。

（4）、有时候很难达到100倍，这个时候我们可以通过一下几种方法解决：

1．更换B值更高的三极管

2.把后一极的发射极的电容换成更大的

3.拿掉负载（当然这是无奈的情况下）

通过以上方法使之尽可能的与2V相接近。

关于输入电阻Ri，由于前面加了射级跟随器，所以输入电阻一般都大于47K欧姆。

输入电阻的测试方法：

为了测量放大器的输入电阻，按图6-2电路在被测放大器的输入端与信号源之间串入一已知电阻R，则该电阻之前的两端我们成为Vs，之后的我们称之为Vi，利用Vs和Vi的分压关系我们就可以算出输入电阻了。

在放大器正常工作的情况下，用交流毫伏表测出US和Ui，则根据输入电阻的定义可得

，

通常取R与Ri为同一数量级为好，本实训可取R＝1～2KΩ。

带宽的调试：

将放大器负载断开，先将输人信号频率调到1KHZ，幅度调到使输出幅度最大而不失真。

在电路调至放大为100倍的情况下，此时将输入幅度增大，增大至放大不失真为止，此时记录下Uom的电压值，幅度不再调动，将频率增大，增大至电压值为0.7Uom为止，这就是fH。

利用同样的方法将频率减小至电压为0.7Uom,此时就是fL，通频带就是fL~fH。

最大不失真输出电压UOPP的测量（最大动态范围）：

图1-14静态工作点正常，

输入信号太大引起的失真

如上所述，为了得到最大动态范围，应将静态工作点调在交流负载线的中点。

为此在放大器正常工作情况下，逐步增大输入信号的幅度，并同时调节RW（改变静态工作点），用示波器观察uO，当输出波形同时出现削底和缩顶现象（如图1-14）时，说明静态工作点已调在交流负载线的中点。

然后反复调整输入信号，使波形输出幅度最大，且无明显失真时，用交流毫伏表测出UO（有效值），则动态范围等于

。

或用示波器直接读出UOPP来。

七：

实验小结：