开放式放大电路2

西安邮电大学开放式电子电路实验 院系： 班级： 姓名： 学号： 2012-2013第一学期三极管放大电路设计一. 设计要求：要求设计一个放大电路，电路部分参数及要求如下：（1） 输入信号频率：20HZ-20KHZ；（2） 信号源内阻：51k（200k）；（3） 负载电阻：200；（4） 指定频带增益：3倍（5） 在线动态Vo=3Vpp,Vp=0.5v（6） 电源功耗：小于30mW；（7） 增益不平坦度：20 200kHz范围内小于0.1dB。二. 设计思路及基本框架设计思路：在设计电路之前我们要考虑静态工作点放大倍数输入阻抗输出阻抗。先根据基本共射极放大电路的放大特性将电压或电流信号放大，在第二级加一个共集电极放大电路实现电压跟踪，利用它输出电阻小的特点增强整个电路带负载的能力，完成其他电路要求。在电路中为了稳定静态工作点，在第一级放大电路中我们选择基极分压式射极偏置电路。基本框架第一级放大加第二级后三. 设计过程及电路参数设计过程：1. 先设计一个具有高增益又具有低功耗的电压源，本次设计采用共射集分压式放大电路进行设计，系统的框图如上：如上图所示电压源Vi的电压经过电压源内阻Rs，电压源的内阻Rs和基集电阻Rb1/Rb2/(1+Re)。 进行分压后信号的幅值肯定小于0.5V。由于Rc和Rb2的比值决定了放大的多少，所以Rb2不能太大要尽可能的小，但是Rc也不能太大（最后放大后的信号Rc和R4进行分压，Rc如果太大，給R4上所分信号的电压值就会变小，达不到1.5V）。2.对共射集放大电路的分析 截止区：指IB=0的那条特性曲线以下的区域。在此区域里，三极管的发射结和集电结都处于反向偏置状态，三极管失去了放大作用，集电极只有微小的穿透电流IcEO。饱和区：指非常靠近纵轴的那块区域。在此区域内，对应不同IB值的输出特性曲线簇几乎重合在一起。也就是说，UCE较小时，Ic虽然增加，但Ic增加不大，即IB失去了对Ic的控制能力。这种情况，称为三极管的饱和。饱和时，三极管的发射给和集电结都处于正向偏置状态。三极管集电极与发射极间的电压称为集一射饱和压降，用UCES表示。UCES很小，通常硅管UCES0.5V；三极管基极与发射极之间的电压称为基一射饱和压降，以UCES表示，硅管的UCES在07V左右。放大区：在截止区以上，介于饱和区与击穿区之间的区域为放大区。在此区域内，特性曲线近似于一簇平行等距的水平线，Ic的变化量与IB的变量基本保持线性关系，即Ic=IB，且Ic IB ，就是说在此区域内，三极管具有电流放大作用。三极管的发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置状态。3. 共射级电路要求高负载，同时具有大增益特性。由于负载电阻太小只有200 ，所以一级放大不能够使负载上得到1.5V的电压值，所以先采用共射极电路对信号进行放大，使之达到放大三倍的要求，再采用共集电极电路提高电路的带负载能力。电路参数：静态工作点Q、放大倍数电路参数变化对静态工作点的影响： 放大器的基本任务是不失真地放大信号，实现输入变化量对输出变化量的控制作用，要使放大器正常工作，除要保证放大电路正常工作的电压外，还要有合适的静态工作点。放大器的静态工作点是指放大器输入端短路时，流过电路直流电流IBQ、ICQ及管子C、E极之间的直流电压UCEQ和B、E极的直流电压UBEQ。图5-2-1中的射极电阻BE1、RE2是用来稳定放大器的静态工作点。其工作原理如下。用RB和RB2的分压作用固定基极电压UB。由图5-2-1可各，当RB、RB2选择适当，满足I2远大于IB时，则有 UB=RB2VCC/（RB+RB2）式中，RB、RB2和VCC都是固定不随温度变化的，所以基极电位基本上是一定值。通过IE的负反馈作用，限制IC的改变，使工作点保持稳定。具体稳定过程如下：TICIEUEUBEIBIC1.静态工作点的理论计算：图5-2-1电路的静态工作点可由以下几个关系式确定 UB=RB2VCC/（RB+RB2） ICIE=（UB-UBE）/RE UCE=VCC-IC（RC+RE） 由以上式子可知，当管子确定后，改变VCC、RB、RB2、RC、（或RE）中任一参 数 值，都会导致静态工作点的变化。当电路参数确定后，静态工作点主要通过RP调整。 工作点偏高，输出信号易产生饱和失真；工作点偏低，输出波形易产生截止失真。但当输入信号过大时，管子将工作在非线性区，输出波形会产生双向失真。当输出波形不很大时，静态工作点的设置应偏低，以减小电路的表态损耗。2.静态工作点的测量与调整： 调整放大电路的静态工作点有两种方法(1)将放大电路的输入端电路（即Ui=0），让其工作在直流状态，用直流电压表测量三极管C、E间的电压，调整电位器RP使UCE稍小于电源电压的1/2（本实验为UCE为4V即可），这表明放大电路的静态工作点基本上已设置在放大区，然后再测量B极对地的电位并记录，根据测量值计算态工作点值，以确保三极管工作在导通状态。(2)放大电路接通直流电源,并在输入端加上正弦信号(幅度约为10mV,频率约为1kHz),使其工作在交直流状态,用示波器监视输出电压波形,调整基极电阻RP,使输出信号波形不失真,并在输入信号增大信号增大时,输出波形同时出现截止失真和饱和失真。这表明电路的静态工作点处于放大区的最佳位置。撤去输入正弦信号（即令UI=0），使电路工作在直流状态，用直流状态，用直流电压表测量三极管三个极对地的电压UB、UE、UC，即可计算出放大器的直流工作点ICQ、UCEQ、UBEQ的大小。3.电压放大倍数的测量与计算电压放大倍数是指放大电路输出端的信号电压与输入端的信号电压之比，即： AU=Uo/Ui图5-2-1电路中 Au=-(Rc/RL)/rbe Rbe= rbb( /)+(1+)26mV/IEQ其中， rbb( /)一般取300。当放大电路的静态工作点设置合理后，在电路的输入端加入正弦信号，用示波器观察放大电路的输出波形，并调节输入信号幅度，使输出波形基本不失真。用交流毫伏表或示波器分别测量放大电路的输入、输出电压，按定义式计算即可得电路的电压放大倍数。4. 面包板实验测试结果 f为输入信号频率、Vinp-p为信号峰峰值、Av为输出电压增益，下表为改变频 率f后电压增益和输出电压失真时输入电压的变化值。f(HZ)Vinp-p(v)Av(v)Voc失真Vin值(v)2012.881.0810012.841.061K12.841.0810K12.841.0220K12.861.06四. 风险分析及应对方案 电压源的内阻R1和基集电阻Rb1/Rb2/(1+Re)。 进行分压后信号的幅值 肯定会变小，Rc要尽可能的小，Re尽量大（但是Re不能太大，太大了会出现饱和失真，也不能太小，太小不能将信号放大），才能保证将电压尽可能的放大，为了能使共射集三极管得到更多电压，应该尽量增大Rb1和Rb2电阻，以使电阻Rb1/Rb2/(1+Re)尽可能的大。使得Rs和Rb1/Rb2/(1+Re)进行分压时，被放大的电压信号尽可能的大。 如果出现饱和失真,则将Rb1电阻往大调，如果出现截止失真，则将Rb2电阻往大调。第一级示波器上的信号如下图所示 如图第一级放大出现了饱和失真 出现了饱和失真，将Rb1电阻往大调，直到饱和失真消失。 如图若第一级出现了截止失真 将Rb2电阻往大调，直到失真消失。 最后，调整后得到完整图形如下： 第二级加的是射极跟随器，在不失真情况下用示波器测得输出端波形如下：负载上的增益是输入增益的3倍 降低功耗 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。 负载的电阻是固定的，如果将直流源的电压降低会有效地降低负载上的电压，则负载功耗会自然降低，所以降低功耗最有效的办法就是降低直流源的电压。最后经调试后，功耗显示如图所示 降低扫频仪的平坦度 扫频仪是为了观察负载上的输出电压稳定性，給R5并联一个较小的电容可以是扫频仪的平坦度得到降低和补偿。最后扫频仪的输出如图所示电路风险 在面包板上进行实际电路搭建，可能会因为用户的粗心大意把电源的正负极接反，因此我们要考虑搭建一个保护电路。电路也可能因为实际应用中损耗比较大，会使增益达不到三倍，要仔细核对电路中使用的器件，它们的型号大小，防止器件误用，或电路搭建失误导致电路短路烧坏面包板等风险！五. 电路小结 从电路机构上看，大体分成两级，第一级放大，第二级射极跟随器实现提升整个电路带负载的能力。 从功能扩展方面，本电路具有静态工作点稳定，带负载能力强的特点。 从经济性方面看，这次电路的设计面向实际应用，所使用的实验器件相对较少，从经济上节约了成本。六. 实验心得体会 通过这次模拟电子电路设计，让我对Multisim仿真软件有了一定的了解，掌握了晶体管放大器静态工作点的测试和调整方法，了解到电路中参数对放大电路的影响。所有的参数都是可变的，在设计前期需要对电路中的数据进行计算，但算出来的一般总会和仿真或实际电路测量出来的结果有一定的误差，无论怎样，设计好的电路在软件中要进行调试，最终在实验板上进行硬件电路的搭建，所以我们必须从实际的角度出发，设计一个让用户满意的电路。对于初次接触电路仿真软件的我来说要设计一个放大电路出来还是有相当难度的，所以在此我还是觉得应该多听听老师详细的讲解及细致的指导，做硬件电路设计就是如此，我们只凭借着课本上所学的理论知识很难解决实际中遇到的各种问题，所以有很多时候不管是什么地方不懂都应该及时请教老师，为自己多积累积累经验。通过实验，提高了我们自身的实践能力和思考能力，并且能够通过实验很好解决自己对于理论的学习中存在的一些知识盲点。在实验中我们应注意，一定要先弄清楚原理，这样在做实验，才能做到心中有数，从而把实验做好做细。一开始，实验比较简单，可能会不注重此方面，但当实验到后期，需要思考和理解的东西增多，个人能力拓展的方面占一定比重时，如果还是没有很好的做好预习和远离学习工作，那么实验大部分会做的很不尽人意；在养成习惯方面，一定要真正的做好实验前的准备工作，把预习报告真正的学习研究过，并进行初步的实验数据的估计和实验步骤的演练，这样才能在真正实验中手到擒来，做到了然于心。总的来说，这次的开放式电子电路实验让我收获了不少知识，不仅是在学习上，更是我人生中收获的一笔财富，最后，感谢老师一直以来的谆谆教诲和耐心细致的讲解。