实验七 多级交流放大器的设计
一． 实验目的
1．学习多级交流放大器的设计方法。
2．掌握多级交流放大器的安装、调试与测量方法
二． 预习要求
1．根据教材中介绍的方法，设计一个满足指标要求的多级交流放大器，计算出多级交流放大器中各元件的参数，画出标有元件值的电路图。
2．预习多级交流放大器的调试与测量方法，制定出实验方案，选择实验用的仪器设备。
三． 实验原理
当需要放大低频范围内的交流信号时，可用集成运算放大器组成具有深度负反馈的交流放大器。由于交流放大器的级与级之间可以采用电容耦合方式，所以不用考虑运算放大器的失调参数和漂移的影响。因此，用运算放大器设计的交流放大器具有组装简单、调试方便、工作稳定等优点。
如果需要组成具有较宽频带的交流放大器，应选择宽带集成放大器，并使其处于深度负反馈。若要得到较高增益的宽带交流放大器，可用两个或两个以上的单级交流放大器级联组成。
在设计小信号多级宽带交流放大器时，输入到前级运算放大器的信号幅值较小，为了减小动态误差，应选择宽带运算放大器，并使它处于深度负反馈。由于运放的增益带宽积是一个常数，因此，加大负反馈深度，可以降低电压放大倍数，从而达到扩展频带宽度的目的。由于输入到后级运放的信号幅度较大，因此，后级运放在大信号的条件下工作，这时，影响误差的主要因素是运放的转换速率，运放的转换速率越大，误差越小。
四． 设计方法与设计举例
1．设计方法与步骤：
（1）确定放大器的级数n
根据多级放大器的电压放大倍数AuΣ和所选用的每级放大器的放大倍数Aui，确定多级
放大器的级数n。
（2）选择电路形式
（3）选择集成运算放大器
先初步选择一种类型的运放，然后根据所选运放的单位增益带宽BW，计算出每级放大
器的带宽。 
（1）
并按（2）式算出。 
（2）
多级放大器的总带宽
必须满足： 
（3）
若
，就不能满足技术指标提出的带宽要求，此时可再选择增益带宽积更高的
运放。一直到多级放大器的总带宽满足（3）式为止。
当所选择的运放满足带宽要求后，对末级放大器所选用的运放，其转换速率
必须满足： 
（4）
否则会使输出波形严重失真。
（4）选择供电方式
在交流放大器中的运放可以采用单电源供电或正负双电源供电方式。单电源供电与正
负双电源供电的区别是：单电源供电的电位参考点为负电源端（此时负电源端接地）。而正负双电源供电的参考电位是总电源的中间值（当正负电源的电压值相等时，参考电位为零）。
（5）计算各电阻值
根据交流放大器的输入电阻和对第一级电压放大倍数的要求，先确定出第一级的输入
电阻和负反馈支路的电阻，然后再根据第二级电压放大倍数的要求，确定出第二级的输入电阻和负反馈支路的电阻。按此顺序，逐渐地把每级的电阻值确定下来。
（6）计算耦合电容
当信号源的内阻和运放的输出电阻被忽略时，信号源与输入级之间、级与级之间的耦
合电容可按下式计算。 
（5）
上式中，
是耦合电容C所在级的输入电阻。类似地输出电容可按下式计算。
（6）
2．设计举例
要求设计一个交流放大器，性能指标为：
中频电压放大倍数：
输入电阻： 
通频带：
，其中 
，
最大不失真输出电压：
已知负载电阻：
设计步骤：
（1） 确定放大器的级数n
由于所要求的电压放大倍数Au=1000，同相放大器的电压放大倍数在1~100之间，反相
放大器的电压放大倍数在0.1~100之间，因此采用两级就可以满足设计要求。在本例中放大器的级数选用两级。
（2） 选择电路形式
由于同相放大器的输入电阻比较高，在不接同相端平衡电阻RP时，同相放大器的输入
电阻在10MΩ~100MΩ之间，接了同相端平衡电阻RP后，输入电阻主要由RP的值决定。反相放大器的输入电阻Ri=R1，R1的取值一般在1kΩ~1MΩ之间，对于所设计的交流放大器，要求输入电阻Ri=20kΩ，因此输入级无论采用同相放大器还是反相放大器都能满足要求。
由于交流放大器所要求的最大不失真输出电压Uom=5V，因此最大不失真输出电流：
对于普通运放，其输出电流一般都在几毫安与十几毫安之间，因此无须采用扩流方式。
根据以上分析，采用图1所 Rf1 Rf2
示两极交流放大电路。在图1的 R1 C2 R2 C3
交流放大电路中，第一级采用同 A1 A2 uo
相放大器，选择其电压放大倍数 ui C1 RL
Au1=10，以降低放大电路的信噪比。 RP1 RP2
第二级采用反相放大器，选择其
电压放大倍数Au2=100。此时，第 图1 两级交流放大电路
一级运放工作在小信号情况下，第二级运放工作在大信号的情况下。
（3）选择集成运算放大器
第一级交流放大器中，
，若该级运放选择
，由于其单位增益带宽
，因此第一级交流放大器的带宽
为：
因此
，故第一级交流放大器采用型运放，可满足设计要求。
第二级交流放大器中，
，若该级运放也选择，则该级放大器的带宽为：
因此
（其中
），若第二级交流放大器采用，就不能满足设计要求。
若选用LF347（或
），由于LF347的单位增益带宽为4MHz，转换速率
。因此第二级的带宽为：
因此
，能满足设计的指标要求。
由于第二级运算放大器工作在大信号情况下，因此选择运放时，除了要考虑集成运放的增益带宽积外，还要考虑运放的转换速率，要求所选运放的转换速率满足：
将，
代入上式，可求得
，对于LF347集成运放，其转换速率
，因此满足设计要求。
（4）选择供电方式
在本设计课题中采用正负双电源供电方式。
（5）计算电阻值
根据性能指标要求，输入电阻，第一级放大器的输入电阻
既是平衡电
阻，也是整个放大器的输入电阻，因此取
，由 
和
，可得：
,
.
对于第二级放大器，
，取
，则
，
，
。
（6）计算耦合电容
对于交流同相放大器，耦合电容：
取标称值，得：C1=1μF
第一级放大器与第二级放大器之间的耦合电容：
其中，Ri2=R2=10kΩ，电容取标称值，得：C2=1μF
第二级放大器输出端的的耦合电容：
取标称值，得：C3=4.7μF
四.调试方法
1．
按图2所示连接第一级交流放大器。 Rf1
其中，R2是第一级交流放大器的负载，也是 R1 C2
第二级交流放大器的输入电阻Ri2，C2是第 A1 uo
一级交流放大器与第二级交流放大器之间的 ui C1 R2
耦合电容。 RP1
2．从放大器的输入端输入频率为1kHz，
幅度Uim=5mV的交流信号，用示波器在放大器 图2 第一级交流放大器
的输出端测出输出电压的幅值Uo1m，根据Uim 图中：RP1=20kΩ，R1=22kΩ，Rf1=200kΩ，
与Uo1m算出该级电压放大倍数Au1。然后将输 C1=1μF，C2=1μF，R2=10kΩ
入信号的频率改为20Hz，输入信号的幅度保持5mV不变，测出对应的输出电压U´o1m，若U´o1m =0.707 Uo1m， 说明已达到指标要求，若U´o1m < 0.707 Uo1m ，说明C1、C2的值取得太小，此时应先加大C1 的值，同时观察对应的输出电压U´o1m ，然后再改变C2 的值，一直调节到
U´o1m =0.707 Uo1m为止；若U´o1m >0.707 Uo1m，说明C1、C2的值取得太大，此时应先减小C1的值，同时观察对应的输出电压U´o1m ，然后再改变C2的值，一直调节到U´o1m =0.707 Uo1m。此时第一级放大器就已经调试好了，接着就可以调试第二级放大器。
3．
按图3所示连接第二级放大器，在第二 Rf2
级交流放大器的输入端输入频率为1kHz，幅度 C2 R2 C3
Uim=50mV的交流信号，用示波器在放大器的输 A2
出端测出输出电压的幅值Uo2m，根据Uim与Uo2m RL
算出该级电压放大倍数Au2。然后将输入信号的 RP2
频率改为20Hz，输入信号的幅度保持不变，测
出对应的输出电压U´o2m，若U´o2m =0.707 Uo2m， 图3 第二级交流放大器
说明已达到指标要求，若U´o2m < 0.707 Uo2m ， 图中：C2取第一级交流放大器调试后的值，
说明C2、C3的值取得太小，此时应先加大C2 RP2=9.1kΩ,Rf2=1MΩ，C3=4.7μF,RL=2kΩ
的值，同时观察对应的输出电压U´o2m，然后再改变C3的值，一直调节到U´o2m=0.707Uo2m为止；若U´o2m>0.707Uo2m，说明C2、C3的值取得太大，此时应先减小C2的值，同时观察对应的输出电压U´o2m ，然后再改变C3的值，一直调节到U´o2m =0.707 Uo2m。此时第二级放大器就已经调试好了。接着就可以将两级放大器连接起来调试。
4．按图1所示连接两级交流放大器（图中的元件值取：RP1=20kΩ，R1=22kΩ，Rf1=200kΩ，R2=10kΩ，RP2=10kΩ，Rf2=1MΩ，RL=2kΩ，C1、C2，C3取前面调试后的值）
从放大器的输入端输入频率为1kHz，幅度Uim=5mV的交流信号，用示波器在放大器的输出端测量输出电压的幅值Uom，根据Uim与Uom算出总的电压放大倍数AuΣ。然后将输入信号的频率改为20Hz，保持输入信号的幅度不变，测出对应的输出电压U´om，若U´om =0.707 Uom，说明已达到指标要求，若U´om < 0.707 Uom ，可适当加大C1的值，同时观察对应的输出电压U´om ，然后再改变C2与C3的值，一直调节到U´om =0.707 Uom时为止；若U´om >0.707 Uom，可适当减小C1的值，同时观察对应的输出电压U´om ，然后再改变C2与C3的值，一直调节到U´om =0.707 Uom。此时两级放大器就已经调试好了。接着可以进行其它性能的测试。
五．实验内容
1．设计一个交流放大器，性能指标为：
中频电压放大倍数：
输入电阻：
通频带： ，其中，
最大不失真输出电压：
已知负载电阻：
2．按照教材中所介绍的方法，设计出满足以上性能指标的交流放大器，计算出交流放大器中各元件的参数，安装和调试电路。
3．电路正常工作后，测出交流放大器的性能参数：中频电压放大倍数Au、输入
电阻Ri、输出电阻Ro、交流放大器的下限频率fL和上限频率fH。
六．实验报告要求
1．列出设计题目和技术指标要求。
2．列出设计步骤和电路中各参数的计算结果。
3．画出标有元件值的电路图。
4．列出性能指标的测试过程
5．整理实验数据，并与理论值进行比较。
第二篇：多级交流放大器的设计经典电路
实验七 多级交流放大器的设计
一． 实验目的
1．学习多级交流放大器的设计方法。
2．掌握多级交流放大器的安装、调试与测量方法
二． 预习要求
1．根据教材中介绍的方法，设计一个满足指标要求的多级交流放大器，计算出多级交流放大器中各元件的参数，画出标有元件值的电路图。
2．预习多级交流放大器的调试与测量方法，制定出实验方案，选择实验用的仪器设备。
三． 实验原理
当需要放大低频范围内的交流信号时，可用集成运算放大器组成具有深度负反馈的交流放大器。由于交流放大器的级与级之间可以采用电容耦合方式，所以不用考虑运算放大器的失调参数和漂移的影响。因此，用运算放大器设计的交流放大器具有组装简单、调试方便、工作稳定等优点。
如果需要组成具有较宽频带的交流放大器，应选择宽带集成放大器，并使其处于深度负反馈。若要得到较高增益的宽带交流放大器，可用两个或两个以上的单级交流放大器级联组成。
在设计小信号多级宽带交流放大器时，输入到前级运算放大器的信号幅值较小，为了减小动态误差，应选择宽带运算放大器，并使它处于深度负反馈。由于运放的增益带宽积是一个常数，因此，加大负反馈深度，可以降低电压放大倍数，从而达到扩展频带宽度的目的。由于输入到后级运放的信号幅度较大，因此，后级运放在大信号的条件下工作，这时，影响误差的主要因素是运放的转换速率，运放的转换速率越大，误差越小。
四． 设计方法与设计举例
1．设计方法与步骤：
（1）确定放大器的级数n
根据多级放大器的电压放大倍数AuΣ和所选用的每级放大器的放大倍数Aui，确定多级
放大器的级数n。
（2）选择电路形式
（3）选择集成运算放大器
先初步选择一种类型的运放，然后根据所选运放的单位增益带宽BW，计算出每级放大
器的带宽。 
（1）
并按（2）式算出。 
（2）
多级放大器的总带宽
必须满足： 
（3）
若
，就不能满足技术指标提出的带宽要求，此时可再选择增益带宽积更高的
运放。一直到多级放大器的总带宽满足（3）式为止。
当所选择的运放满足带宽要求后，对末级放大器所选用的运放，其转换速率
必须满足： 
（4）
否则会使输出波形严重失真。
（4）选择供电方式
在交流放大器中的运放可以采用单电源供电或正负双电源供电方式。单电源供电与正
负双电源供电的区别是：单电源供电的电位参考点为负电源端（此时负电源端接地）。而正负双电源供电的参考电位是总电源的中间值（当正负电源的电压值相等时，参考电位为零）。
（5）计算各电阻值
根据交流放大器的输入电阻和对第一级电压放大倍数的要求，先确定出第一级的输入
电阻和负反馈支路的电阻，然后再根据第二级电压放大倍数的要求，确定出第二级的输入电阻和负反馈支路的电阻。按此顺序，逐渐地把每级的电阻值确定下来。
（6）计算耦合电容
当信号源的内阻和运放的输出电阻被忽略时，信号源与输入级之间、级与级之间的耦
合电容可按下式计算。 
（5）
上式中，
是耦合电容C所在级的输入电阻。类似地输出电容可按下式计算。
（6）
2．设计举例
要求设计一个交流放大器，性能指标为：
中频电压放大倍数：
输入电阻： 
通频带：
，其中 
，
最大不失真输出电压：
已知负载电阻：
设计步骤：
（1） 确定放大器的级数n
由于所要求的电压放大倍数Au=1000，同相放大器的电压放大倍数在1~100之间，反相
放大器的电压放大倍数在0.1~100之间，因此采用两级就可以满足设计要求。在本例中放大器的级数选用两级。
（2） 选择电路形式
由于同相放大器的输入电阻比较高，在不接同相端平衡电阻RP时，同相放大器的输入
电阻在10MΩ~100MΩ之间，接了同相端平衡电阻RP后，输入电阻主要由RP的值决定。反相放大器的输入电阻Ri=R1，R1的取值一般在1kΩ~1MΩ之间，对于所设计的交流放大器，要求输入电阻Ri=20kΩ，因此输入级无论采用同相放大器还是反相放大器都能满足要求。
由于交流放大器所要求的最大不失真输出电压Uom=5V，因此最大不失真输出电流：
对于普通运放，其输出电流一般都在几毫安与十几毫安之间，因此无须采用扩流方式。
根据以上分析，采用图1所 Rf1 Rf2
示两极交流放大电路。在图1的 R1 C2 R2 C3
交流放大电路中，第一级采用同 A1 A2 uo
相放大器，选择其电压放大倍数 ui C1 RL
Au1=10，以降低放大电路的信噪比。 RP1 RP2
第二级采用反相放大器，选择其
电压放大倍数Au2=100。此时，第 图1 两级交流放大电路
一级运放工作在小信号情况下，第二级运放工作在大信号的情况下。
（3）选择集成运算放大器
第一级交流放大器中，
，若该级运放选择
，由于其单位增益带宽
，因此第一级交流放大器的带宽
为：
因此
，故第一级交流放大器采用型运放，可满足设计要求。
第二级交流放大器中，
，若该级运放也选择，则该级放大器的带宽为：
因此
（其中
），若第二级交流放大器采用，就不能满足设计要求。
若选用LF347（或
），由于LF347的单位增益带宽为4MHz，转换速率
。因此第二级的带宽为：
因此
，能满足设计的指标要求。
由于第二级运算放大器工作在大信号情况下，因此选择运放时，除了要考虑集成运放的增益带宽积外，还要考虑运放的转换速率，要求所选运放的转换速率满足：
将，
代入上式，可求得
，对于LF347集成运放，其转换速率
，因此满足设计要求。
（4）选择供电方式
在本设计课题中采用正负双电源供电方式。
（5）计算电阻值
根据性能指标要求，输入电阻，第一级放大器的输入电阻
既是平衡电
阻，也是整个放大器的输入电阻，因此取
，由 
和
，可得：
,
.
对于第二级放大器，
，取
，则
，
，
。
（6）计算耦合电容
对于交流同相放大器，耦合电容：
取标称值，得：C1=1μF
第一级放大器与第二级放大器之间的耦合电容：
其中，Ri2=R2=10kΩ，电容取标称值，得：C2=1μF
第二级放大器输出端的的耦合电容：
取标称值，得：C3=4.7μF
四.调试方法
1．
按图2所示连接第一级交流放大器。 Rf1
其中，R2是第一级交流放大器的负载，也是 R1 C2
第二级交流放大器的输入电阻Ri2，C2是第 A1 uo
一级交流放大器与第二级交流放大器之间的 ui C1 R2
耦合电容。 RP1
2．从放大器的输入端输入频率为1kHz，
幅度Uim=5mV的交流信号，用示波器在放大器 图2 第一级交流放大器
的输出端测出输出电压的幅值Uo1m，根据Uim 图中：RP1=20kΩ，R1=22kΩ，Rf1=200kΩ，
与Uo1m算出该级电压放大倍数Au1。然后将输 C1=1μF，C2=1μF，R2=10kΩ
入信号的频率改为20Hz，输入信号的幅度保持5mV不变，测出对应的输出电压U´o1m，若U´o1m =0.707 Uo1m， 说明已达到指标要求，若U´o1m < 0.707 Uo1m ，说明C1、C2的值取得太小，此时应先加大C1 的值，同时观察对应的输出电压U´o1m ，然后再改变C2 的值，一直调节到
U´o1m =0.707 Uo1m为止；若U´o1m >0.707 Uo1m，说明C1、C2的值取得太大，此时应先减小C1的值，同时观察对应的输出电压U´o1m ，然后再改变C2的值，一直调节到U´o1m =0.707 Uo1m。此时第一级放大器就已经调试好了，接着就可以调试第二级放大器。
3．
按图3所示连接第二级放大器，在第二 Rf2
级交流放大器的输入端输入频率为1kHz，幅度 C2 R2 C3
Uim=50mV的交流信号，用示波器在放大器的输 A2
出端测出输出电压的幅值Uo2m，根据Uim与Uo2m RL
算出该级电压放大倍数Au2。然后将输入信号的 RP2
频率改为20Hz，输入信号的幅度保持不变，测
出对应的输出电压U´o2m，若U´o2m =0.707 Uo2m， 图3 第二级交流放大器
说明已达到指标要求，若U´o2m < 0.707 Uo2m ， 图中：C2取第一级交流放大器调试后的值，
说明C2、C3的值取得太小，此时应先加大C2 RP2=9.1kΩ,Rf2=1MΩ，C3=4.7μF,RL=2kΩ
的值，同时观察对应的输出电压U´o2m，然后再改变C3的值，一直调节到U´o2m=0.707Uo2m为止；若U´o2m>0.707Uo2m，说明C2、C3的值取得太大，此时应先减小C2的值，同时观察对应的输出电压U´o2m ，然后再改变C3的值，一直调节到U´o2m =0.707 Uo2m。此时第二级放大器就已经调试好了。接着就可以将两级放大器连接起来调试。
4．按图1所示连接两级交流放大器（图中的元件值取：RP1=20kΩ，R1=22kΩ，Rf1=200kΩ，R2=10kΩ，RP2=10kΩ，Rf2=1MΩ，RL=2kΩ，C1、C2，C3取前面调试后的值）
从放大器的输入端输入频率为1kHz，幅度Uim=5mV的交流信号，用示波器在放大器的输出端测量输出电压的幅值Uom，根据Uim与Uom算出总的电压放大倍数AuΣ。然后将输入信号的频率改为20Hz，保持输入信号的幅度不变，测出对应的输出电压U´om，若U´om =0.707 Uom，说明已达到指标要求，若U´om < 0.707 Uom ，可适当加大C1的值，同时观察对应的输出电压U´om ，然后再改变C2与C3的值，一直调节到U´om =0.707 Uom时为止；若U´om >0.707 Uom，可适当减小C1的值，同时观察对应的输出电压U´om ，然后再改变C2与C3的值，一直调节到U´om =0.707 Uom。此时两级放大器就已经调试好了。接着可以进行其它性能的测试。
五．实验内容
1．设计一个交流放大器，性能指标为：
中频电压放大倍数：
输入电阻：
通频带： ，其中，
最大不失真输出电压：
已知负载电阻：
2．按照教材中所介绍的方法，设计出满足以上性能指标的交流放大器，计算出交流放大器中各元件的参数，安装和调试电路。
3．电路正常工作后，测出交流放大器的性能参数：中频电压放大倍数Au、输入
电阻Ri、输出电阻Ro、交流放大器的下限频率fL和上限频率fH。
六．实验报告要求
1．列出设计题目和技术指标要求。
2．列出设计步骤和电路中各参数的计算结果。
3．画出标有元件值的电路图。
4．列出性能指标的测试过程
5．整理实验数据，并与理论值进行比较。