机械与电气工程学院

《模拟电子技术》

课程设计报告

姓    名：

学    号：

班    级：

指导教师：

课题名称：小信号多级放大电路设计

一、   设计目的

1．通过本课程设计，掌握晶体管放大电路工作原理。

2．熟悉简单模拟电路的设计方法和主要流程。

3．学习模拟电路的制作与调试方法。

二、   设计要求

1．输入电压：Vi p-p =30mV。

2．输入电阻:10k～40k。

3．频率特性:100HZ～100kHZ。

4．总谐波失真度（THD）≦3%。

5．供电电压：15V。

6.电压增益：100倍。

7．全部用分立元器件组成，不得使用集成运算放大器等集成电路。核心部分必须包含两级共射放大电路，耦合方式自选，在确保指标的前提下可自行添加其他电路。

8. 所有元器件必须为标准件，且平均每级电路中包含的电位器个数不得超过1个（其中指标为增益可调的电路，每个电路的电位器总个数可增加1个）,最多不超过3个。

三、        方案设计

1．负反馈的类型

在输出端，取样方式分为电压取样（电压反馈）和电流取样（电流反馈），在输入端，比较方式分为串联比较（串联反馈）和并联比较（并联反馈）。因此负反馈放大电路有四种类型：电压串联、电压并联、电流串联、电流并联。

2．负反馈对放大电路性能的影响

（1）引入负反馈使增益下降

闭环增益表达式为

A_f =A/(1+AF)

其中D=1+AF为反馈深度。深度负反馈D>>1条件下

A_f≈1/F

(2)负反馈提高增益的稳定性

易得:

d A_f/ A_f=d A/(1+AF)*A=d A/D*A

上式表明，反馈越深，闭环增益的稳定性越好。

（3）负反馈对输入电阻和输出电阻的影响

串联负反馈使R_i增加，并联负反馈使R_i下降。程度取决于反馈深度：

R_if=（1+AF）R_i   （串联负反馈）

R_if= R_i/（1+AF）  （并联负反馈）

电压负反馈使R_o下降，电流负反馈使R_o增加。程度上取决于反馈深度：

R_of=（1+AF）R_o  （电流负反馈）  

R_of=R_o/(1+AF)  (电压负反馈)

（4）负反馈展宽频带

基本放大电路高、低频响应均只有一个极点时，闭环上、下限截止频率为：

f_Hf=(1+AF)f_H     

f_Lf=f_L/(1+AF)

3.方案确定

输入电阻：10k～40k，分析可知电路具有输入电阻较大的特点，则电路第一级要引入共集电路提高输入电阻。输出电阻：<1k，不是太小，则输出级不需要引入共集电路。电压增益：100倍，且题目要求必须要有两级共射电路，则电路分为两级共射放大。频率特性:100HZ～100kHZ，每一级的电容耦合，本来用10uF,但是通频带在仿真的时候下限只能达到290HZ，上限能达到4.5MHZ。所以用47uF电容耦合，能展宽通频带。

四、   电路设计

设计电路图如图 1所示

图 1放大电路原理图

电路由三级放大电路构成，分别为Q1,Q2,Q3,,每级和输入输出端用电容C3,C4,C5,C10耦合。下面分别分析。

第一级Q1放大电路，即跟随器。R16和R17为Q1提供基极偏置，R18作为发射极电阻。该级作为输入级，一方面能提供很高的输入电阻，一方面有很小的输出电阻，对后面放大电路没有影响。

第二级Q2放大电路。R1和R2为Q2提供基极偏置，R4和R5为发射极电阻，C8为R5的旁路电容（能通过储存电荷抑制电压降并在有电压尖峰产生时放电，消除电源电压的波动），R4为射极反馈电阻，R3为集电极电阻。

第三级Q3放大电路。R6和R7为Q3提供基极偏置，R9和R14为发射极电阻，C7为R14的旁路电阻，R9为射极反馈电阻，R8为集电极电阻。

下面分析电路中的反馈部分。首先根据设计要求，电路要稳定增益，并且具有较高输入电阻和较低输出电阻。因此不需要引入深度负反馈，且类型为电压串联负反馈。由于开环增益A是闭环增益A_f的（1+AF）倍，开环增益比较大，，其中输入级提供大的输入电阻，后两级提供足够高的开环增益。从第三级的集电极输出反馈到第二级的射极，用电阻作为反馈。其反馈系数

F≈R15/(R15+R10)

因此由负反馈条件有闭环增益

A_f≈1/F≈1+R4/R15

为得到A_f=100, R4尽量的小使第二级的开环增益提高。

五、   元器件使用列表

电位器：104*1 501*1 504*1

电阻：51?*2 1k*2 3k*1 3.6k*1 6.8k*1 10k*2 510k*2

三极管：2N3904*3

瓷片电容：104*1

电解电容：10uF*5          

电解电容：47uF*2

六、   电路仿真

1、    闭环增益

A_f=U_o/U_i

图 2中频仿真图

频率在1KHZ，输入为30mv正弦波下，闭环输出为3v，失真度为0.527%<=3%，A_f=U_o/U_i=3000/30=100，符合设计要求。

2、    输入电阻

方法1：

图 3欧姆定律测试输入电阻仿真图

在输入端串联电流表测量电流，再通过欧姆定律算出算出输入电阻。但是这种方法不能实现，万用表测量精度达不到。

方法2：

图 4外接电阻测试输入电阻仿真图

图 5外接电阻测试输入电阻仿真图

在输入端串联和输入电阻差不多阻值的电阻，通过示波器观察通过电阻前后的波形，并记录其峰峰值，再根据R*U_i/（U_s -U_i）算出其输入电阻。R_i=27K*15.5/（30-15.5）=28.86K。这种方法实际能测出来，但是电阻的选择很重要，要与输入电阻匹配。

3、    输出电阻

图 6空载测试仿真图

图 7负载测试仿真图

在闭环的时候，U_L=3.07V，这是带负载的时候的电压，不带负载的U_o=3.52V，那根据公式R_o=（U_o/ U_L-1）R=(3.52/3.07-1)3K≈439.7?。

4、    通频带

20lg(0.707A_u)=36.9dB时

f_L≈60HZ

f_H≈4.5MHZ。

BW=f_H -f_L≈4.5MHZ

图 8上限通频带仿真图

图 9下限通频带仿真图

5、    反馈深度

图 10反馈深度测试仿真图

开环的U_o为3.52V,又反馈系数F≈R4/(R15+R4)=51/7551≈0.0067。则反馈深度为D=1+AF=1.67。

6、    静态工作点

图 11静态工作点测试仿真图

7、    实物测试

（1）放大器基本特性参数（表1）

表1  静态工作点数据记录

根据共集和共射电路的静态工作点公式得到：

I_BQ=(V_CC-U_BQ)/R_b2-U_BEQ/R_b1

I_CQ=βI_BQ

V_CEQ= V_CC- I_CQ(R_C+R_e)

I_BQ=(V_BB-U_BEQ)/[R_b+（1+β）R_e]

I_CQ≈I_EQ=（1+β）I_BQ

V_CEQ= V_CC- I_EQ R_e

 

（2）f = 1KHz系统电压增益（表2 ）

表2  电压增益数据记录

（3）输入电阻和输出电阻（表3）

表3  输入输出电阻数据记录

（4）频率特性（表4）

表4  频率特性测试

（5）输入输出波形、幅频特性曲线

图 12幅频特性测试仿真图

七、   实物测试

闭环的输出曲线

图 13中频实物测试图

图 14下限频率实物测试图

图 15上限频率实物测试图

实物

图 16实物图片

八、   总结

1、理论总结

1）在设计多级放大电路时，各级静态工作电流选取的一般原则是要求使各管都工作于放大区，且有足够的动态范围。另外，由于增益与工作点有关，设置工作点时要兼顾增益的要求。

2）在调试电路时候，有时会遇到自激震荡。消除的办法是首先应加在反相放大的增益尽可能大，以使等效的密勒电容值尽可能大，因此密勒补偿电容应接在增益最高的第二级的输入输出两端间最合理。由于此电容等效为输入端对地电容时要密勒倍增，因此其本身的容量应很小，可以从最小的电容开始。

3）为消除电源内阻和分布电容等寄生参数可能引起的寄生振荡，通常采用电源去耦电路。即在各级放大电路的直流供电线间串接一个电阻，电容分压网络，使信号压降几乎全部降在电阻上，反馈回来的信号很小。

4)如果输出波形失真，那先查下哪一级失真。再测下其静态工作点，看看是哪种失真，是饱和的话，那就适当降低Q点，可以增大基极电阻R_b以减小基极静态电流I_BQ，从而减小集电极静态电流I_CQ；也可以减小集电极电阻，从而增大管压降V_CEQ。如果是截止，那只有增大基极电源V_BB，才能消除截止失真。

2、心得体会

通过这次模电课程设计，我从根本上了解了多级放大器的工作原理，参数的计算，基本的调试等。从每一级的偏置电阻，射极电阻，共集电阻的计算，到静态工作点的计算和选取。严格根据课程要求来设定电路图，选取共集电路作为输入级和共射电路作为放大级，最后我组所有成员的实物均符合设计要求。

九、   参考文献

[1]  [日]铃木雅臣著 《晶体管电路设计》，科学出版社。

[2]  华中理工大学电子学教研室编，康华光主编. 电子技术基础（模拟部分）. 第4版. 北京：高等教育出版社，1999.

[3]  谢佳奎主编. 电子线路第4版. 北京：高等教育出版社，1999.

[4]  童诗白、华成英主编. 模拟电子技术基础. 高等教育出版社，2006.

[5]  朱正涌编著.半导体集成电路.北京：清华大学出版社，2001

[6]  彭介华主编.电子技术课程设计指导.北京：高等教育出版社，1997.

第二篇：模电电路设计报告(小信号放大器)

小信号放大器技术报告

班级 113班  姓名 刘小鹏  学号 29  项目代号 01 测试时间          成绩

1.     设计目标与技术要求：

1). 将输入的交流小信号放大10倍左右。

2). 输出波形完整且不失真。

3). 焊接牢固，美观，器件布局合理，器件选择合理等。

2.     设计方法（电路、元器件选择与参数计算）：

电路图：

1) 元器件：2个NPN三极管，各类阻值的电容，各类阻值的电阻，电位器，排针等。

2) 参数：

       电压源5V以上

        Re=Ve/Ie=6.9V/10mA=690Ω

 3) 偏置电路设计：

       电路偏置电压Vb设在7.5V（电压源与GND的中点）。为此R1=R2,计算方便。

       因发射极电流Ie = 10mA，设晶体管的电流放大系数Hfe为200，则基极电流为0.05mA.

       通常，在基极偏置电路中，有必要预先让基极电流10倍左右的电流流动。所以，

       设 R1=R2=10kΩ（R1，R2上流动的电流为0.75mA).

 4) 电容C1~C4的确定：

       C1与C2是切断直流电压的电容，在这里设C1=C2=10uF。因此

       fc1= 1/(2π*C*R）= 1/（2πx10uFx5kΩ）= 3.2Hz

       另一方面，当接有1kΩ负载时，与C2形成的高通滤波器的截止频率为：

       fc2=1/(2π*C*R）=  1/（2πx10uFx1kΩ）= 16Hz

       C3与C4是电源的去耦电容，设C3=0.1uF,C4=10uF.

       射极跟随器的频率特性很好，由于输入输出信号相应同相以及输入端的基极输入阻抗           高等原因，从发射极向基极加正反馈时常常会引起振荡。为此，有必要充分地进行电源的去耦。特别是小容量的电容的连接，要像从集电极到发射极电阻Re接地点间距离最短那样来连接。   

3.     设计结果（电路图）：

  正面器件布局

反面焊锡线路

4.     测试方法（测试原理与步骤）：

测试原理：

     小信号放大器可以把输入的交流小信号按设计好的参数按一定的比例放大。

通过信号发生器产生小信号的交流电压，由输出线接到焊接好的电路板输入端，经过电路中的电容滤波，三极管的放大，信号将按一定的比例放大，再由电路板的输出端接上数字示波器的输入线最后在数字示波器的屏幕上得到后的电压的正弦波形，以及放大后的电压值、周期。

  

测试步骤：

1). 将信号发生器与数字示波器电源接好，再把信号发生器的输出线的红色接口和黑色接口与数字示波器的输入线的红黑接口相接，打开信号发生器和数字示波器的开关，查看波形，若为正确的正弦波则两个仪器可用来测试电路。若波形不对则进行调节，得到正确波形。

2). 关掉两仪器，断开信号发生器与数字示波器的接线，接入电路板，利用单片机提供5V的电压给单片机，再接入信号发生器的红色接口到电路板的输入端，把数字示波器的红色接口接到电路板的输出端，两个黑色接口均接地。

3). 打开两仪器的开关，查看波形，和峰峰值是是输入电压的10倍左右，周期是和输入频率关系为T=1/f。

5.     测试数据及其分析：

   

完整不失真波形

输出值：

峰---峰值：1.05V   周期：3.126ms    频率：319.9Hz  

信号源输出与示波器图形、数值对比。

输出值：

峰---峰值：1.05V   周期：3.126ms    频率：319.9Hz

   输入值：

峰---峰值：0.11V   频率：31.97Hz

6.     设计结论：

1). 此小信号放大器板焊接成功，测试结果正常，各项要求均满足。

2). 该电路是直接将射极跟随器的基极连接到共发射极放大电路的集电极输出上，它没有射极跟随器的耦合电容和偏置电路。

3). 共发射极放大电路的集电极电位直接地被作为射极跟随器的基极偏置电压。

4). 这个电路是射极跟随器组合在共发射极放大电路上来降低输出阻抗的放大电路。