多级直接耦合放大电路分析.docx
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多级直接耦合放大电路分析
电子电路计算机仿真设计与分析
多级直接耦合放大电路分析
学院：
电子信息工程学院
专业:
自动化
年级：
2008级
学号：
00824032
姓名：
张秉刚
日期：
2010年5月20日
多级放大电路分析
一、实验目的
1、构建多级放大电路，对静态工作点、放大倍数进行调节，使其满足设计要求。
2、测量多级放大电路的放大倍数、输入电阻、输出电阻和频率特性。
。
3、在多级放大电路中引入电压串联负反馈。
4、测量负反馈电路的放大倍数、输入电阻、输出电阻和频率特性等，并与开环放大电路相应的技术指标进行比较。
二、实验原理：
1、开环状态下的多级放大电路分析
一般情况下，单级放大电路的电压放大倍数一般可放大几十倍。
而在实际的电路要求输出电压要远远的大于输入电压，为了达到更高的放大倍数，常常把若干个基本放大电路连接起来，组成所谓的多级放大电路。
A、电压放大倍数
在多级放大电路中，由于各级之间是串联起来的，上一级的输出，就是下一级的输入，所以总的电压放大倍数为各级电压放大倍数的乘积。
B、输入电阻和输出电阻
一般说来，多级放大电路的输入电阻就是第一级的输入电阻，即：
Ri=Ri1；而输出电阻就是最后一级的输出电阻，即：
Ro=RoN。
其中，后级的输入电阻就是前级的负载电阻，前级的输出电阻就是后级的信号源电阻。
C、频率特性
在实际电路中，通常要求放大器能够放大一定频率范围的信号。
我们把放大器的放大倍数和工作信号频率有关的特性称为频率特性。
2、闭环状态下的多级放大电路的分析
在开环状态下，由于放大电路存在零点漂移现象，故多级放大电路中引入负反馈，可以使整个电路的电压放大倍数仅仅与两个电阻有关，其中晶体管的更换几乎不会给整个电路性能带来什么影响。
即：
其电压放大倍数的稳定性获得了大幅度的提高。
负反馈的引入还可以给放大电路带来其它影响，比如可以扩展电路的通频带、降低下限截止频率、提高上限截止频率，可以降低环内器件的噪声，可以改善环内器件引起的非线性，可以方便地改变输入输出电阻等。
三、实验电路图
1、原始开环状态下的多级放大电路电路图：
由于此电路图存在严重的失真现象，故通过直流分析及参数扫描分析可得其在误差允许的范围内，其电路图如下：
2、原始闭环状态下的多级放大电路电路图：
由于此电路图存在严重的失真现象，故通过直流分析及参数扫描分析可得其在误差允许的范围内，其电路图如下
电路中电源V2、V3均为12伏直流电源，V3为交流电源，作为输入电压。
电路中各个晶体管均为模型元件，其中Q1、Q2、Q4为2N2222A型NPN晶体管;Q3为PN4250型PNP晶体管。
电阻元件均为理想元件，其原始参数大小分别为：
R1=R2=2k欧，R3=6k欧，R4=R5=R7=R9=1k欧，R6=8.2k欧，R8=6k欧。
四、实验内容
（一）开环状态下对电路的分析
1、静态工作点的分析
在输出波形不失真的情况下，单击Simulate→Analysis→DCOperatingPoint...→Output选项，选择需要用来的的仿真变量（在此全选），然后单击“Simulate”按钮，系统自动显示运行结果
由于电路在输入为零的情况下就有比较大的输出电压，因此，电路存在严重的失真情况，通过改变电路电阻的形式来减小输入的失真。
通过对R5、R6、R7、R8灵敏度分析，如下图所示：
由此图可知，R5和R8对输出电压的影响较大。
其中当R8和R6变大时输出电压的电位也跟着增长，但R6的灵敏度较高，R8的灵敏度较低；同理当R5和R7变大时输出电压的电位随之减小，但R5的灵敏度较高，R7的灵敏度较低。
因此，通过对电路R5和R7电阻的调节时使静态时Vo值为零（误差小于±5uv），分析结果如下
2.温度分析
分析温度由-50度到+50度变化时Vo值的变化
此图中各曲线为温度每隔20摄氏度输出地变化曲线，且当温度由低到高变化时，输出电压发生了也随温度的升高而增大，而无发生失真现象，其直流工作点也随之增大。
3.输出电压最大不失真与傅里叶分析
通过对输入电压的调节可知当输入电压为0.0132V，时，其电路对应的最大不对应的非线性失真系数小于5%（记录失真情况）；如下图所示：
4．通过对电路瞬态分析来计算放大倍数
当输入电压为Vi=0.0132V，f=1000Hz以及输出波形图知：
其中输出电压的峰峰值为V0=4.7758V，
5.交流分析
由图可以看出该电路为一个低通电路，当输入的频率飞f<1MHz时，电路放大倍数很大，之后随着频率的增加，放大倍数逐渐减小。
从相位来看，当输入的频率小于1兆赫兹时，电路相位不发生变化，之后随着频率的增加，相位逐渐减小为一个负的增量。
6.传递函数分析：
对电路的输入进行调整，分别以差模和共模进行输入，并对电路进行传递函数分析：
1）共模信号分析：
2）差模信号分析：
由以上分析可以看出：
差模放大电路的放大倍数为A=254.77；输入电阻为Ri=15.69kΩ；输出电阻为R0=52.11Ω.
共模放大电路的放大倍数为A=1.65；输入电阻为Ri=79kΩ;输出电阻为R0=54.45Ω
由此可计算共模抑制比CMRR=254.776/1.65=154.41
7.最坏情况分析
当R1、R2、R3变化15％时，VO的最坏情况分析如下：
从分析结果中可以看出当R1、R2增加到2300欧R3减少到510欧时，输出节点Vo有最坏情况电压漂移6.63537V
（二）在闭环状态下对电路的分析
1.静态工作点的分析
在输出波形不失真的情况下，单击Simulate→Analysis→DCOperatingPoint...→Output选项，选择需要用来的的仿真变量（在此全选），然后单击“Simulate”按钮，系统自动显示运行结果，如下图
由于电路在输入为零的情况下就有比较大的输出电压，因此，电路存在严重的失真情况，通过改变电路电阻的形式来减小输入的失真。
通过对R5、R6、R7、R8灵敏度分析，如下图所示：
由此图可知，R5和R8对输出电压的影响较大。
其中当R5和R6变大时输出电压的电位也跟着增长，但R6的灵敏度较高，R8的灵敏度较低；同理当R5和R7变大时输出电压的电位随之减小，但R5的灵敏度较高，R7的灵敏度较低。
因此，通过对电路R5和R7电阻的调节时使静态时Vo值为零（误差小于±5uv），
2.温度分析
分析温度由-50度到+50度变化时Vo值的变化
此图中各曲线为温度每隔20摄氏度输出地变化曲线，且当温度由低到高变化时，输出电压发生了也随温度的升高而增大，而无发生失真现象，其直流工作点也随之增大。
3.输出电压最大不失真与傅里叶分析
通过对输入电压的调节可知当输入电压为0.759V，时，其电路对应的最大不对应的非线性失真系数小于5%（记录失真情况）；如下图所示：
4．通过对电路瞬态分析来计算放大倍数
输入电压为0.561
当输入电压为Vi=0.561V，f=1000Hz以及输出波形图知：
其中输出电压的峰值为V0=6.2771V，
放大倍数A=Vo/Vi
因此A=6.2771/（0.561）=5.59
5.交流分析
由图可以看出该电路当输入的频率小于1~10兆赫兹时，电路放大倍数很小只有几倍，之后随着频率的增加，放大倍数增大而减小。
从相位来看，当输入的频率小于1~10兆赫兹时，电路相位不发生变化，之后随着频率的增加，相位逐渐增加一个负的增量直至1G时趋于稳定
6.传递函数分析：
对电路的输入进行调整，分别以差模和共模进行输入，并对电路进行传递函数分析：
1）共模信号分析：
2）差模信号分析：
由以上分析可以看出：
差模放大电路的放大倍数为A=5.904；输入电阻为597.09kΩ；输出电阻为1.19577Ω
共模放大电路的放大倍数为A=1.013；输入电阻为831.031kΩ；输出电阻为1.195Ω
由此可计算共模抑制比CMRR为5.904/1.013=5.83
有此可见，反馈网络是电路稳定并不是一点缺点都没有的，它是以损失放大倍数为条件，换得电路的稳定的。
7.对反馈电阻进行参数扫描
分析当反馈电阻由0.1k～10k变化时，输出节点频率特性的变化，结果如图：
由分析结果可以看出随着反馈电阻阻值的逐渐增大，输出的幅值大小也随着增大，相位变化也越来越快。
8.最坏情况分析
当R1、R2、R3变化15％时，VO的最坏情况分析如下：
从分析结果中可以看出当R1、R2增加到2300欧R3减少到5100欧时，输出节点Vo有最坏情况电压漂移116.65mV
五、实验总结：
1，通过本次的设计与仿真分析，进一步对多级放大电路的结构和各级之间的相互作用和协调有了更加清晰和深刻的认识。
经过自行设计和分析，学会了多级放大电路的基本分析方法和在分析设计过程中的注意事项。
2，理论计算与计算机分析结果有时误差很小，而有时误差却又会很大。
这种结果由多方面引起，通过总结发现在理论计算过程中，忽略了很多参数和不确定量。
有时由于基础理论知识的不扎实，在理论计算过程中会把一些本该计算的量给忽略掉，从而计算会有错误。
所以需要进一步加强理论基础知识的学习和巩固。
3，反馈网络是电路稳定并不是一点缺点都没有的，它是以损失放大倍数为条件，换得电路的稳定的。
六、参考文献：
1.《模拟电子技术基础》——清华大学电子学教研组编童诗白华成英主编高等教育出版社
2.《基于NIMulitisim的电子电路计算机仿真设计与分析》黄智伟主编李传琦邹其洪副主编电子工业出版社
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