负反馈放大电路的设计与仿真实验报告

一．实验报告

1.       掌握两种耦合方式的多级放大电路的静态工作点的调试方法。

2.       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。

3.       掌握负反馈对放大电路动态参数的影响。

二．实验原理

  实际放大电路由多级组成，构成多级放大电路。多级放大电路级联而成时，会互相产生影响。故需要逐级调整，使其发挥发挥放大功能。

三．实验步骤

  1.两级阻容耦合放大电路（无反馈）

两级阻容耦合放大电路图

（1）       测输入电阻及放大倍数

由图可得输入电流Ii=107.323nA

输入电压Ui=1mA

输出电压Uo=107.306mV.

  则由输入电阻

Ri=Ui/Ii=9.318kOhm.

放大倍数Au=Uo/Ui=107.306

（2）测输出电阻

输出电阻测试电路

由图可得输出电流

Io=330.635nA.

则输出电阻

Ro=Uo/Io=3.024kOhm.

（3）频率响应

幅频响应与相频响应

由左图可知当放大倍数下降到中频的0.707倍对应的频率为上限频率或下限频率。

由下表可知，中频对应的放大倍数是601.1943则上限频率或下限频率对应的放大倍数应为425.044左右。

故下限频率为fL=50.6330kHZ

上限频率为fH=489.3901kHZ

则频带宽度为438.7517kHZ

(4)非线性失真

当输入为10mA时开始出现明显失真，输出波形如下图所示

2. 有串联电压负反馈的两级阻容耦合放大电路

有串联电压负反馈的两级阻容耦合放大电路图

（1）测输入电阻及放大倍数

由图可得输入电流Ii=91.581nA.输入电压Ui=1mA.输出电压Uo=61.125mV.

  则由输入电阻Ri=Ui/Ii=10.919kOhm.

放大倍数Au=Uo/Ui=61.125

（2）测输出电阻

由图可得输出电流Io=1.636uA.

 则输出电阻Ro=Uo/Io=611.247Ohm

（3）频率响应

幅频相应与相频相应

由图可知当放大倍数下降到中频的0.707倍对应的频率为上限频率或下限频率。

由下表可知，中频对应的放大倍数是85.6793。则上限频率或下限频率对应的放大倍数应为60.575左右。

故下限频率为fL=9.7757kHZ

上限频率为fH=3.0049MHZ

   频带宽度为3.0049MHZ

(4)非线性失真

当输入为21mA时开始出现明显失真，输出波形如下图所示

（5）验证Af»1/F

由上图可知Xf=925.061uV.Xo=61.154mV.

又由负反馈中Af=Xo/Xi=61.154

             F=Xf/Xo

             1/F=Xo/Xf=66.1081

显然Af»1/F

四．实验结论

  由上述实验结论可知,放大电路中加了串联电压负反馈之后，电路的放大倍数，输入电阻，输出电阻，频带宽度以及非线性失真情况都发生了改变，比较之后可以得出以下结论：

1.       串联电压负反馈可以减少电压放大倍数

2.       串联电压负反馈可以增加输入电阻。

3.       串联电压负反馈可以减少输出电阻。

4.       串联电压负反馈可以扩展频带宽度。

5.       串联电压负反馈可以改善非线性失真。

第二篇：负反馈放大电路的设计

负反馈放大电路的设计 航天职业技术学院

负反馈放大电路的设计

一、设计任务及要求：见《模拟电子技术课程设计》任务书。

二、负反馈放大电路设计的一般原则：

1、反馈方式的选择：

采用什么反馈方式，主要根据负载的要求及信号源内阻的情况来考虑，在负载变化的情况下，要求放大电路定压输出时，就需要采用电压负反馈；在负载变化的情况下，要求放大电路恒流输出时，就要求采用电流负反馈。至于输入端采用串联还是并联方式，主要根据对放大电路输入电阻的要求而定。当要求放大电路具有高的输入电阻时，宜采用串联反馈；当要求放大电路具有低的输入电阻时，宜采用并联反馈。如仅仅为了提高输入电阻，降低输出电阻（即阻抗变换）时，宜采用射极输出器。

反馈深度主要根据放大电路的用途及指标要求而定。

对音频放大电路，主要是用负反馈减小非线性失真，设计时一般取1+AF=10左右。

对测量仪表中使用的放大电路，要求放大倍数要有较高的稳定性，而采用负反馈的目的主要是提高放大倍数的稳定性，因此可以根据不同的要求可取1+AF为几十至几百。

对高放大倍数宽频带放大电路，采用负反馈的目的主要是展宽频带，这时采用多级放大加深反馈容易产生自激，且在幅频特性的高、低频段容易产生凸起的现象。因此首先要保证每一级有足够宽的频带，如在两级之间采用低输入电阻的接法（例如共射一共基的形式）去解决。

2、放大管的选择：

如果放大电路的级数多，而输入信号很弱时（微伏级），必须考虑输入级放大管的噪声所产生的影响，为此，前置放大级应该选用低噪声的管子。当要求放大电路的频带很宽时，应选用截止频带fT较高的管子。从集电极损耗的角度出发，由于前几级放大的输出较小，可选用Pcm（管耗）小的管子，其静态工作点也要选得低一些（IE小），这样可减小噪声；但对输出级而言，因其输出电压和输出电流都较大，故需选用Pcm（管耗）大的管子。

3、级数的选择：

放大电路的级数可根据无反馈时的放大倍数而定，而此放大倍数又要根据所要求的闭环放大倍数和反馈深

度而定，因此在设计时首先要根据技术指标确定出它的闭环放大倍数Af及反馈深度1+AF，然后确定所需要的Af。

确定了A的数值后，放大电路的级数大致可用下列原则来确定：几十至百倍左右采用一级或两级，几百至千倍左右采用两级或三级，几千倍以上采用三级或四级（射级输出器不计，因其A约为1）。一般情况下很少采用四级及其以上的，因为这将给施加反馈后的补偿工作带来很大的困难，但如反馈只加在每级之间也可以的。

4、电路的确定：

根据不同的要求，放大电路中各级所选用的电路也是不同的。

⑴输入级。输入级采用什么电路主要决定于信号源的特点。如果信号源不允许取较大的电流，则输入级应具有高的输入电阻，那么以采用射极输出器为宜。如要求有特别高的输入电阻（ri＞1mΩ），可采用场效应管，并采用自举电路或多级串联负反馈放大电路。如信号源要求放大电路具有低的输入电阻，则可用电压并联反馈放大电路。如果无特殊要求，可选用一般的共射极放大电路。

输入级放大管的静态工作点一般取IE≤1mA，UCE=（1～2）V。

⑵中间级。中间级主要是积累电压及电流放大倍数，多采用共射极放大电路，而且选用β大的管子。其静态工作点一般为IE=（1～3）mA，UCE=（2～5）V。

⑶输出级。输出级采用什么电路主要决定于负载的要求。如负载电阻较大（几个千欧左右），而且主要是输出电压，则可用共射极放大电路；反之，如负载为低阻抗，且在较大范围内变化时，则用射极输出器。如果负载需要进行阻抗匹配，可用变压器输出。

因输出级的输出电压和输出电流都较大，其静态工作点的选择要比中间级的高，具体数值要视输出电压和输出电流的大小而定。

三、设计过程：

1、确定方案：

⑴确定反馈深度。从所给的指标来看，设计中需要解决的主要是输出电阻、输入电阻及对放大性能稳定的要求等三个问题。由于要求输出电阻较低，故输出级应采用射极输出器，但它的输出电阻大致为几十欧至几百欧，因此需要引入一定程度的电压负反馈才能达到指标要求。设射极输出器的输出电阻为200Ω，则所需反馈深度为

1+AF===10

另外，还要考虑输入电阻和放大性能的稳定性对反馈深度的要求，才能最后确定反馈深度的大小。 由于放大电路的输入电阻指标为25kΩ，此数值不是很高，故可采用电压串联负反馈的方式来实现。假定无反馈时，基本放大电路的输入电阻为ri=2.5kΩ（第一级可采用局部电流负反馈），则所需反馈深度为 1+AF===5

最后从放大性能稳定性能稳定度也可以确定出所需反馈深度为

1+AF===5

综上所述，在设计放大电路时所需反馈深度为10，故取

1+AF=10。

⑵估算A值。根据指标的要求，放大电路的闭环放大倍数应为

Af≥==100

由此可以求出

A≥（1+AF）AF+10×100=1000

因为输出级采用了射级输出器，其电压放大倍数接近于1，故需要用两级共射极放大才能达到1000倍。考虑到仪表对放大电路稳定性能要求较高，故采用典型的两级直接耦合双管放大单元，如图 所示（在附件中）。其中RF1和RF2不加旁路电容是为了引入局部负反馈以稳定每一级的放大倍数。R1和C4是去耦电路，用以削弱由于电源存在内阻而在VCC3出现的电压波动，使它尽可能少传到VCC1。

⑶放大管的选择。由于VT3需要输出电流的最大值ILM=2 IL=1.4mA，为了保证不失真，要求IE3≥2ILM，因此它的射级电流IE3≥2×1.4mA≈3mA，故选用小功率管3DG100即可，其参数如下：

ICM=20mA，U(BR)CEO=45V,PCM=100mW。

又因前两级放大对管子无特殊要求，为了统一起见，均采用3DG100。

根据以上考虑，初步电路如图下所示（见附件）。输出级到输入级的负反馈是从VT3的射级反馈到VT1的发射级，组成电压串联负反馈的形式。

2、电路参数的计算：

首先要初步确定出各级的电压放大倍数，然后才能根据它们来计算出各级的电路参数。前面已经指出双管放大单元的电压放大倍数应满足Au1Au2≥1000，那么，如何分配Au1和Au2呢？由电路结构可知，为了使放大电路的输入阻抗高，工作性能稳定，在第一级和第二级中都串入RF1和RF2以便实现局部负反馈作用，因此，它们的电压放大倍数都不会很高。各级的电压放大倍数可初步分配为Au1≈25，Au2≈４５，Au3≈1，这样总的电压放大倍数Au≈25×45×1=1125，略大于1000（多出的数值是为了留有一定的余量）。 ⑴输出级的计算。由于输出电压UO=2V（有效值），输出电流I0=1mA（有效值），故负载电阻

RL===2kΩ

①确定RE3及VCC。在射极输出器中，一般根据RE=（1～2）RL来选择RE，联系数为2，则RE3=2RL=4kΩ，RL＇=RE3∥RL=1.33kΩ。在图中（附件中），取Icmin=1mA，Ucmin=2V，可以求出

IE3=Icmin+=1+=3.13mA

Vccmin=Vcmin+ULP=IE3×RE3=2+2.8+3.13×4=17.32V

式中，ULP是输出负载电压峰值。为了留有余量，取IE3=3.5mA，VCC=20V；由此可以求出UE3=IE3RE3=3.5×4=14V。

②确定RB31及RB32。为了计算RB31及RB32，首先要求出UB3及IB3，由图 （附件中）可知，UB3=UE3+UBE3=14+0.7=14.7。

选用β3=60的管子则

β3≈= =0.06mA=60uA

选用IRB=（5～10）IB3=0.3～0.6mA,为了提高本级输入电阻，取0.3mA，则得

RB31=UB3/IRB=14.7/0.3=49KΩ

RB32=(VCC—VB3)/IRB=（20-14.7）/0.3=17.7KΩ

取RB32=18KΩ，由此可得出输出级对第2级的等效负载电阻约为

RL2=ri3=RB32∥RB31∥（1+β3）RLˊ

=18∥49∥（61×1.3）≈11.2 KΩ（式中忽略了rbe3的影响）。

③确定C2及C3。由于有三级电容耦合，根据多级放大器下限截止频率的计算公式

Fl=1.1f2L1+f2L2+f2L3

假设每级下限频率相同，是各级的下限频率应为

fLˊ=≈15HZ

为了留有余地，忽略第2级的输出电阻（因尚未标出），则

C2≈（3～10）=(3～10) =（2.8～9.5）uF

因此，可选用5nF电解电容器。

同理，忽略射级输出器的输出电阻，则

C3≈（3～10）=(3～10) =（15.9～53）uF

因此，可知选用5uF电解电容器。

⑵双管放大单元电路的计算：

①确定第2级的电路参数。为了稳定放大倍数，在电路中引入RF2，如图 （附件中）所示，一般取几十欧至几百欧。由于希望这一级的电压放大倍数大些，故取较小的RF2=45Ω，由此可求出这级的电压放大倍数为

AU2==·RC2ˊ[]≈·RC2ˊ[]

选IE2=1mA，且β2=60，则

rbe2= rbb2+（1+β2）+=200+（60+1）≈1.79kΩ

又由于预先规定Au2=45，RF2=45Ω，代入Au2的公式则得

45=

由此解得R＇c2=3.37KΩ。再利用R＇c2=RL2∥Rc2代入RL2=11.2kΩ，则3.37=

由此可求出Rc2=4.8kΩ

选UCE2=2v,Ic2=1mA,则由Vcc=Ic2·(Rc2+RF2+RE2)+UCE2可得20=1×(4.8+0.045+RE2)+2

由此可以得出RE2=3.72KΩ，取得RE2=3.8kΩ。

第2级的输入电阻可以计算如下：

ri2= rbe2+(1+β2)RF2=1.79+61×0.045=4.54kΩ，

② 确定第一级的电路参数。电路如图 (附件中)所示。

为了提高输入电阻而又不致使放大信数太低，应取

IE1=0.5mA，并选β1=60，则

rbe1= rbb1+(1+β1)=200+(60+1) ≈3.37kΩ，

利用同样的原则，可得

Au1=≈·R＇c1[]

为了获得高输入电阻，而且希望Aw也不太小，并与第2级的阻值一致以减少无器件的种类，取RF1=45Ω，代入Au1=25的公式则得

25=

由此解得R＇c1=2.53kΩ，再利用R'c1=Rc1∥ri2，代入ri2=4.54kΩ，则

2.53=

由此求出Rc1=5.7kΩ。

为了计算RE1，选UE1=2v，则有

IE1(RF1+RE1)=1 得出

RE1=－RF1=－0.045=1.955kΩ

选RE1为2kΩ

为了计算RB1，可先求

IB1===0.008(mA)=8uA

由此可得

RB1===210kΩ

选210kΩ

为了确定去耦电阻R1，需先求出

Uc1=URE2+IE2×RF2+UBE2=3.8×1+1×0.045+0.7=4.55v

再利用Uc1=Vcc－Ic1(R1+Rc1)即4.55=20－0.5×(5.7+R1)，可求得R1=25.2kΩ，取R1为25.5kΩ。 为了减少元器件的种类，C1选 用5uF，CE1及CE2选用50uF,均为电解电容。由下限频率WL可以验证<<RB1∥β1RF1=210∥60×45， <<RF2+=45+

(3)反馈无器件RF3及CF的计算。由于1+AF=10，又已知A=1000，则F=0.9%，再利用

F==0.9%

由此可得RF3=5kΩ，选5kΩ。

C4选用10UF电容器，可以验证

<<R1

3、核算技术指标：

确定放大管的静态工作点及电路元器件后，放大电路的各项技术指标是否能满足要求，尚需进行最后核算。

(1)核算Au：

①核算射级输出器的电压放大倍数，射级输出器的电压放大倍数可用下式求得

Au3=

式中，R’L≈RE3∥RL∥(RF3+RF1)=4∥2∥5=1kΩ

rbe3=200+(1+β3)= 200+(60+1) =653Ω

由此得Au3==0.99

②核算第2级电压放大倍数：

第2级电压放大倍数用下式求得

Au2==

式中，ri3=rbe3+(1+β3)R’L=0.653+(1+60)×1=61.7kΩ，rbe2=1.79kΩ，因此可得Au2==45

③核算第1级电压放大倍数：

第1级电压放大倍数用下式求得

Au1==，式中R’F1=RF1∥RF3≈45Ω，rbe1=3.37kΩ，vi2=4.54kΩ，因此可得

Au1==24.9

因此可以求出Au=Au1·Au2·Au3=24.9×45×0.99=1109>1000这说明放大电路元器件的选择是合适的。

(2)核算输出电阻。放大电路开环时的输出电阻为

r0=RE3∥∥RF3=4+∥∥5=68Ω

故得vof===6.8Ω

因此可满足要求。

(3)核算输入电阻，放在电路开环时的输入电阻为

ri=RB1∥ri1

式中，ri1= rbe1+(1+β1)×(RF1∥RF3)=3.37+(1+60)×0.045=6.12kΩ，由此可求出闭环时的输入电阻 ri1f=ri1(1+AF)=6.12×10=61.2kΩ

因此，总输入电阻为rif=ri1∥RB1=61.2∥210=47kΩ>25kΩ，可满足要求。

(4)核算放大电路是否稳定，可以判定本例电路不会产生振荡。

以上电路是用分立元器件构成的负反馈放大电路，当上限截止频率不高时(一般几百千赫以下)，也可以利用通用集成运算放大器实现。

四、画出PCB图以及相关的装配图：

由图 (附件中)得到相对应的PCB图为图 (附件中)。

五、根据前面所设计的电路图以及计算得出的相关参数列出元件清单表如下：

R1=25.5kΩ，Rc1=5.7kΩ,Rc2=4.8kΩ，RB32=18kΩ，RB1=210kΩ

RE1=2kΩ，RF1=45kΩ,RB31=49kΩ，RF1=45kΩ，RE2=38kΩ

RE3=4kΩ，RL=2kΩ,RF3=5kΩ。

C1=5uF，C2=5uF，C3=50uF，CE1=50uF，CE2=50uF，CF=10=5uF，

C4=10uF，VCC=20v