低频放大电路的设计与分析要点.pdf
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1、目录 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 D . 4 3.2.2 确定 Re1、 RF . 4 3.2.3 设计 Rc1、 Rc2、ICQ1、 ICQ2 4 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:.
2、 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 塔里木大学信息工程学院课程设计 第 1 页 共 14 页 前言 功率放大器在家电、数码产品中的应用越来越广泛,
3、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
4、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
5、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,
6、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Mutisim 10.0软件仿真实现低频放大电路的仿真与分析。首先要 求对 Mutisim 10.0 软件有着较为深入地了解和认识,掌握一些Mutisim 10.0 软件的基本用法。例 如:用 M
7、utisim 10.0 软件实现电路的设计与结果分析等等。同时利用软Mutisim 10.0 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。 塔里木大学信息工程学院课程设计 第 2 页 共 14 页 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
8、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
9、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( amplification circuit)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
10、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。 塔里木大学信息工程学院课程设计 第 3 页 共 14 页 (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
11、f=1KHZ 时,电压增益 100 ;输入电阻 100K ?;输出电阻 80. 3.1 电路图设计 塔里木大学信息工程学院课程设计 第 4 页 共 14 页 3.2 电路元件参数设计与相关计算过程: 本实验采用的是NPN 9011 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+AVF1/ 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 r if Dri D? Re1
12、Re1riF/D = 100K/9 ?80 =138.89 ? 选定 Re1=150 ? 又 F= Re1/(R F+Re1) Auf- 1 ? Re1100?150? =15k? 选定 Rf =20K ? 3.2.3 设计 Rc1、Rc2、ICQ1、ICQ2 roF ro/D Rc2RF/D 1K? 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 = (V ccRf+VCEQRC2)/(RC2+RF) VCEQ2=1/2 Vc2(交流负载线) 则 VCEQ2=Vcc? RF
13、2/(RF+RC2) =12 ?18K/(2?18K+15K ) 4V ? 又在兼顾动态范围大又不影响增益的情况下取 Re2=800? 则 I CEQ2 = (12- VCEQ2)/( RC2+Re2) ? 由第二级放大电路采取分压式偏置 则 V CC? Rb 下/(Rb 上 +Rb下)=VB=VBEQ+VE=0.7+IEQ2? Re2? VCC/( Rb 上+Rb 下) = 510 ICQ2/ ? 由 式解得: Rb 上=274K? Rb 下=27K? 又 r be2=rbb+ ? UT/ ICQ2=300+80?26mv/ICQ2=4.408K ri2=Rb 上Rb下rbe2 ? RC1=
14、4ri2 ? 由式解得: Rc1=18.78K?即 20K? 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 ICQ1VCC/2(RC1+Re1) ? Rb1= (VCC- VBEQ- ICQ1? RC1) /ICQ1/ ? 将代入中得: Rb1=3.31M?取为 3.3M ? 综上所述,电路中所有电阻值归纳如下: 塔里木大学信息工程学院课程设计 第 5 页 共 14 页 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=- (Rc1/Rb2/rbe2)/
15、(rbe1+(1+ )(Re1/Rf)= - rbe2/(rbe1+Re1)= - 13.3 Au2=-Rc2/(Rf+Re1)/ rbe2 = - (Rc2/Rf) /rbe2 = - 245 Au=Au1? Au2=3185 验算 F: F=Re1/(R e1+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/(R f+Re1)/D=Rc2/Rf/D =613 ? 验算 Rif : Ri=rbe1+ 1+ (Re1/Rf)=rbe1+ 1+ Re1=14K? Rif=Rb1/D
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