放大器电路设计与制作精.docx
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放大器电路设计与制作精.docx
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放大器电路设计与制作精
项目三放大器电路设计与制作
知识目标:
Ø掌握三种组态放大电路的基本构成及特点;
Ø掌握非线性失真的概念,静态工作点的求解方法;
Ø会用微变等效电路分析法求解电压放大倍数、输入电阻和输出电阻;
Ø了解工作点稳定电路工作点稳定原理;
Ø了解多级放大电路的几种耦合方式和特点;
Ø了解放大电路上、下限频率的定义以及通频带的含义;
Ø掌握差动放大电路的特点,差模电压放大倍数、输入电阻、输出电阻估算方法;
Ø掌握反馈的概念以及反馈类型的判断方法;
Ø熟悉负反馈的引入对放大电路性能产生的影响,能正确根据要求引入负反馈;
Ø正确理解典型功放电路的组成原则、工作原理以及各种状态的特点;
Ø熟悉功放电路最大输出功率和效率的估算方法,会选择功放管;
技能目标:
Ø掌握基本放大电路静态工作点的调试方法,会用示波器观察信号波形,熟悉截止失真、饱和失真的波形,掌握消除失真的方法;
Ø会用万用表测量三极管的静态工作点,并由此判断工作状态,会用毫伏表测量输入、输出信号的有效值,并计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻;
Ø掌握焊接、调试分压式共射放大电路的基本技能
Ø掌握负反馈放大电路静态工作点的测量与调整方法;
Ø会用集成功率放大器设计实用功放电路,掌握消除交越失真的方法;
工作任务:
Ø分压式单管放大电路的设计与制作
Ø音频功率放大电路设计与调试
Ø差动放大电路差模特性分析测试
Ø多级负反馈放大电路制作与调试
课题
项目二
放大器电路的设计与制作
任务一
分压式单管放大电路的设计与制作
任务分解
1、共射单管放大电路测试
2、分压式单管放大电路制作与测试
授课方式
讲授
操作演示
仿真演示
研究学习
学生操作
师生互动
√
√
√
√
√
能力目标
1、掌握基本放大电路静态工作点的调试方法,会用示波器观察信号波形,熟悉截止失真、饱和失真的波形,掌握消除失真的方法;
2、会用万用表测量静态工作点,并由此判断工作状态,会用毫伏表测量并计算电压放大倍数、输入电阻、输出电阻;
3、掌握焊接、调试分压式共射放大电路的基本技能。
知识目标
1、掌握三种组态放大电路的基本构成及特点;
2、掌握非线性失真的概念,静态工作点的求解方法;
3、了解工作点稳定电路工作点稳定原理。
情感目标
1、增强专业意识,培养良好的职业道德和职业习惯;
2、激发学生的学习动机;
3、提高学生分析问题、解决问题的能力。
重点
1、单管放大电路的组成及其工作原理;
2、基本放大电路的静态分析和动态分析方法。
难点
基本放大电路的静态分析和动态分析方法;
选学
情境设计
电子技术项目教学室,两名学生为一组。
每组模电试验箱一台。
课后阅读
预习教材:
查阅资料:
课后作业与操作
习题2.5、2.7
教后记
实训任务1分压式单管放大电路的设计与制作
实训流程:
1.按图3.1在实验板上接好线路
图3.1射极偏置放大电路
并用万用表简单判断板上三极管V的极性和好坏。
2.静态工作点的测量
所谓静态工作点的测量,就是用合适的直流毫安表和直流电压表分别测量晶体管的集电极电流IE和管压降VCE
测量静态工作点为的是了解静态工作点的位置是否合适,如果测量出VCE﹤0.5V,则说明晶体管已经饱和;如果VCE≈Ec,则说明晶体管已经截至,如果遇到这两种情况,或者测量值和选定的静态工作点不一样,就需要对静态工作点进行调整,不然的话将使放大后的信号产生非线性失真。
在理论教学中我们知道,静态工作点的位置和偏置电阻有关,在这个实验电路中我们通过调节滑动电阻RP,使VE=2v,并测RP阻值,按表3.1测量并计算。
表3.1
VB(V)
VBE(V)
VE(V)
VCE(V)
测量值
计算值
3.动态分析
当Ec和交流负载电阻RL确定后,放大器的动态范围取决于静态工作点的位置。
为了得到最大的动态范围,应将静态工作点调在交流负载线的中点。
为此,在放大器正常工作下,逐步加大输入信号的电压Vi的幅度,用示波器观察放大器的输出电压波形。
如果输出的波形同时出现正、负峰被削,则说明静态工作点已在交流负载线的中点;如果是正峰被削掉或者是负峰被削掉,则说明静态工作点不在交流负载线的中点,此时必须调节RP,直到静态工作点最佳为止。
当静态工作点调好以后,逐渐增大Vi直到输出波形为最大不失真时,测量输出电压Vo,则最大动态范围等于
Vo。
(1)将信号源调到频率为f=1KHZ,波形为正弦波,信号幅值为2mV,接到放大器的输入端观察Vi和Vo波形,放大器不接负载。
(★一般采用实验箱上加衰减的办法,图1.1中电阻R1(5.1K)和电阻R2(51)组成衰减器。
即信号源用一个较大的信号,例如:
在A端输入100mV经衰减后B端输出1mV。
)
(2)在信号频率不变的情况下,逐步加幅值,测Vo不失真时的最大值并填入表3.2中。
表3.2
测量值
计算值
Vi(mV)
Vo(V)
Av
(3)保持f=1KHZ,幅值为5mV,放大器接入负载RL,并将计算结果填入表3.3中。
表3.3
给定参数
测量值
计算值
Rc
RL
Vi(mV)
Vo(V)
Av=Vo/Vi
5.1K
5.1K
5.1K
2K
4.放大器的输入、输出电阻
(1)输入电阻测量
按照定义:
,测量放大器的输入电阻一般采用“换算法”。
所谓“换算法”测量,即在信号源和放大器之间串接一个已知电阻Rs,如图所示,在放大器正常工作的情况下,分别测出Vi、Vs的值,则:
在测量时还应该注意以下几点:
a:
由于Rs两端没有接地点,而电压表一般测量的是对地的交流电压,所以当测量Rs两端的电压VRs时,必须分别测出电阻两端的对地电压Vs、Vi,并按下式求出VRs:
实际测量时电阻Rs的数值不能太大,否则容易引入干扰;但也不宜太小,否则测量的误差较大。
通常取Rs和ri为同一个数量级比较合适,本实验取Rs为5.1K;
b:
测量之前,毫伏表应该较零,Vs和Vi最好用同一个量程进行测量;
C:
用示波器监视输出波形,要求在波形不失真的条件下进行上述的测量。
在输入端串接5.1K电阻,加入f=1KHZ的正弦波信号,用示波器观察输出波形,用毫伏表分别测量对地电位Vs、Vi。
如图2.2所示。
将所测数据及计算结果填入表3.4中。
图2.2输入电阻测量
表3.4
测量值
计算值
Vs(mV)
Vi(mV)
ri=Vi*Rs/(Vs-Vi)
(2)输出电阻测量
放大器对于负载来说,就相当于一个等效电压源,这个等效电压源的内阻ro就是放大器的输出电阻。
放大器的输出电阻的大小反映了放大器带负载的能力,因此可以通过测量放大器接入负载前后电压的变化来求出其输出电阻ro。
在放大器的正常工作的情况下,首先测量放大器的开路输出电压Vo,再测量放大器接入已知负载RL时的输出电压VL。
在A点加f=1KHZ的正弦波交流信号,在输出端接入可调电阻作为负载,选择合适的RL值使放大器的输出波形不失真(接示波器观察),用毫伏表分别测量接上负载RL时的电压VL及空载时的电压Vo。
将所测数据及计算结果填入表3.5中。
图2.3输出电阻测量
表3.5
测量值
计算值
Vo(mV)RL=∞
VL(mV)RL=
ro=(Vo/VL-1)*RL
5.分压式单管放大电路的制作与测试:
(1)、静态工作点的测试:
用万用表直流电压档测量三极管各级对地的电压,计算并填入下表:
UEQ
UBQ
UCQ
UBEQ
UCEQ
IE(mA)
(2)、性能指标测试:
在输入端加入1KHZ的正弦波,在输出最大不失真信号下,用毫伏表测量输入输出信号有效值,计算电压放大倍数并填入下表:
Ui
UO
AU
知识介绍:
3.1基本放大电路
放大电路是电子技术中应用十分广泛的一种单元电路。
所谓“放大”,是指将一个微弱的电信号,通过某种装置,得到一个波形与该微弱信号相同、但幅值却大很多的信号输出。
这个装置就是晶体管放大电路。
“放大”作用的实质是电路对电流、电压或能量的控制作用。
基本放大电路是放大电路中最基本的结构,是构成复杂放大电路的基本单元。
它利用双极型半导体三极管输入电流控制输出电流的特性,或场效应半导体三极管输入电压控制输出电流的特性,实现信号的放大
放大电路的放大作用,实质是把直流电源UCC的能量转移给输出信号。
输入信号的作用则是控制这种转移,使放大电路输出信号的变化重复或反映输入信号的变化。
放大电路的核心元件是晶体管,因此,放大电路若要实现对输入小信号的放大作用,必须首先保证晶体管工作在放大区。
晶体管工作在放大区的外部偏置条件是:
其发射结正向偏置、集电结反向偏置。
此条件是通过外接直流电源,并配以合适的偏置电路来实现的。
电子技术中以晶体管为核心元件,利用晶体管的以小控大作用,可组成各种形式的放大电路,其基本放大电路则分三种组态:
图所示为三极管在放大电路中的三种连接方式:
图(a)从基极输入信号,从集电极输出信号,发射极作为输入信号和输出信号的公共端,此即共发射极(简称共射极)放大电路;图(b)从基极输入信号,从发射极输出信号,集电极作为输入信号和输出信号的公共端,此即共集电极放大电路;图(c)从发射极输入信号,从集电极输出信号,基极作为输入信号和输出信号的公共端,此即共基极放大电路。
无论放大电路的组态如何,其目的都是让输入的微弱小信号通过放大电路后,输出时其信号幅度显著增强。
必须清楚:
幅度得到增强的输出信号,其能量并非来自于晶体管,而是由放大电路中的直流电源提供的。
晶体管只是实现了对能量的控制,使之转换成信号能量,并传递给负载。
3.1.1基本共射放大电路
基本放大电路的核心元件是晶体管,单凭晶体管的电流放大作用显然无法完成。
必须在放大电路中设置直流电源,使其保证晶体管工作在线性放大区。
一、共射放大电路的组成及工作原理:
1、电路组成:
在三种组态放大电路中,共发射极电路用得比较普遍。
这里就以NPN共射极放大电路为例,讨论放大电路的组成、工作原理:
(1)晶体管V放大元件,用基极电流iB控制集电极电流iC。
(2)电源UCC和UBB。
使晶体管的发射结正偏,集电结反偏,晶体管处在放大状态,同时也是放大电路的能量来源,提供电流iB和iC。
UCC一般在几伏到十几伏之间。
(3)偏置电阻RB。
用来调节基极偏置电流IB,使晶体管有一个合适的工作点,一般为几十千欧到几百千欧。
(4)集电极负载电阻RC。
将集电极电流iC的变化转换为电压的变化,以获得电压放大,一般为几千欧
(5)电容Cl、C2。
用来传递交流信号,起到耦合的作用。
同时,又使放大电路和信号源及负载间直流相隔离,起隔直作用。
为了减小传递信号的电压损失,Cl、C2应选得足够大,一般为几微法至几十微法,通常采用电解电容器。
共发射极放大电路的实用电路:
2、放大器中电流电压符号使用规定:
(1)、用大写字母带大写下标表直流分量,如IB、VC。
(2)、用小写字母带小写下标表交流分量,如ib、vc.
(3)、用小写字母带大写下标表直流分量与交流分量的叠加,即总量。
如iB.
3、工作原理:
需放大的信号电压ui通过C1转换为放大电路的输入电流,与基极偏流叠加后加到晶体管的基极,基极电流iB的变化通过晶体管的以小控大作用引起集电极电流iC变化;iC通过RC使电流的变化转换为电压的变化,即:
UCE=UCC-iCRC
由上式可看出:
当iC增大时,uCE就减小,所以uCE的变化正好与iC相反,这就是它们反相的原因。
uCE经过C2滤掉了直流成分,耦合到输出端的交流成分即为输出电压u0。
若电路参数选取适当,u0的幅度将比ui幅度大很多,亦即输入的微弱小信号ui被放大了,这就是放大电路的工作原理。
从上面放大电路的工作过程可概括放大电路的组成原则为:
(1)外加电源的极性必须保证三极管的发射结正偏,集电结反偏。
(2)输入电压ui要能引起三极管的基极电流iB作相应的变化。
(3)三极管集电极电流iC的变化要尽可能的转为电压的变化输出。
(4)放大电路工作时,直流电源UCC要为三极管提供合适的静态工作电流IBQ、ICQ和电压UCEQ,即电路要有一个合适的静态工作点Q。
4、放大电路主要性能指标:
(1)、电压放大倍数Au:
放大电路输出电压与输入电压的比值。
常用分贝(dB)来表示电压放大倍数,这时称为增益。
电压增益=20lg|Au|(dB)
(2)、输入电阻Ri
对于一定的信号源电路,输入电阻Ri越大,放大电路从信号源得到的输入电压ui就越大,放大电路向信号源索取电流的能力也就越小
(3)、输出电阻Ro
当放大电路作为一个电压放大器来使用时,其输出电阻Ro的大小决定了放大电路的带负载能力。
Ro越小,放大电路的带负载能力越强,即放大电路的输出电压uo受负载的影响越小。
二、共射放大电路的静态分析:
1、静态工作点的概念
静态是指无交流信号输入时,电路的工作状态。
电路中由于电源的存在。
产生了一组直流分量。
直流分析就是要求出此时的IB、IC和UCE三数值。
由于(IB,UBE)和(IC,UCE)分别对应于输入、输出特性曲线上的一个点,用Q表示,所以称为静态工作点。
2、放大器设置静态工作点的目的。
1)、放大器没有静态工作点的情况。
放大器没有设置静态工作点产生了波形失真。
2)、放大器设置静态工作点的目的是保证信号不失真
放大器由于设置了静态工作点,保证了信号在整个周期放大器都处于放大状态,保证了信号不失真。
3、静态工作点的分析方法。
(1)公式估算法:
直流下耦合电容C1、C2相当于开路,
由直流通道求工作点上的IB:
由晶体管放大特性可求得IC:
由图又可求得工作点上UCE:
(2)图解法:
利用晶体管的输入、输出特性曲线求解静态工作点的方法称为图解法。
其分析步骤一般为:
a.按已选好的管子型号在手册中查找、或从晶体管图示仪上描绘出管子的输入、输出特性如下图所示:
b.画出直流负载线。
此步骤是图解法求静态工作点的关键。
c.确定静态工作点,直流负载线上交点有多个,只有IBQ对应的交点才是Q点
Q点的影响因素有很多,如电源波动、偏置电阻的变化、管子的更换、元件的老化等等,不过最主要的影响则是环境温度的变化。
三极管是一个对温度非常敏感的器件,随温度的变化,三极管参数会受到影响,具体表现在以下几个方面。
固定偏置的放大电路存在很大的不足。
例如当晶体管所处环境温度升高时,晶体管内部载流子运动加剧,因此将造成放大电路中的各参量将随之发生变化:
温度T↑→Q点↑→IC↑→UCE↓→VC↓
如果VC 为不失真地传输信号,实用中需对上述电路进行改造。 分压式偏置的共发射极放大电路可通过反馈环节有效地抑制温度对静态工作点的影响。 4、稳定工作点的方法。 分压式偏置的共发射极放大电路由于设置了反馈环节,因此当温度升高而造成IC增大时,可自动减小IB,从而抑制了静态工作点由于温度而发生的变化,保持Q点稳定。 这种分压式偏置的共发射极基本放大电路需要满足I1I2的小信号条件。 在满足I1I2>>IB的小信号条件下,当温度发生变化时,虽然也要引起IC的变化,但对基极电位没有多大影响。 实际模拟电子线路中,设计流过RB1和RB2支路的电流远大于基极电流IB,因此可近似把RB1和RB2视为串联,串联可以分压,根据分压公式可确定基极电位: 偏置电阻RB1和RB2应选择适当数值,使之符合: I1≈I2>>IB的条件。 在小信号条件下,IB可近似视为0值。 三、共射放大电路的动态分析。 放大电路加入交流输入信号的工作状态称为动态。 动态时,放大电路输入的是交流微弱小信号;电路内部各电压、电流都是交直流共存的叠加量;放大电路输出的则是被放大的输入信号。 性能指标分析就是要求解有信号输入时放大电路的输入电阻r0、输出电阻ri及电压 放大倍数Au等指标。 1、 图解法: (1)工作点合适时的状态: (2)工作点偏低时的状态: 静态工作点太低,产生截止失真。 减小RB消除截止失真。 (3)工作点偏高时的状态: 静态工作点太高,产生饱和失真。 增大RB消除饱和失真。 2、微变等效电路分析法: 微变等效电路分析法指的是在三极管特性曲线上Q点附近,当输入为微变信号(小信号)时,可以把三极管的非线性特性近似看为是线性的,即把非线性器件三极管转为线性器件进行求解的方法。 (1)用微变等效电路分析法分析放大电路的求解步骤 ①用公式估算法估算Q点值,并计算Q点处的参数rbe值。 ②由放大电路的交流通路,画出放大电路的微变等效电路。 ③根据等效电路直接列方程求解Au、Ri、Ro。 注意: NPN和PNP型三极管的微变等效电路一样。 一般情况下,由高、低频小功率管构成的放大电路都符合小信号条件。 因此其输入、输出特性在小范围内均可视为线性。 晶体管的微变等效电路。 其中rbe是晶体管输入端的等效电阻,受控电流源相当晶体管的集电极电流。 显然微变等效电路反映了晶体管电流的以小控大作用。 工作点稳定放大电路的交流通路及其微变等效电路如下图: 显然交流等效输出电阻: r0=RC//RL 电路交流等效输入电阻: ri=rbe//Rb1//Rb2 由于小信号电路有Rb1和Rb2>>rbe,所以ri≈rbe 电路中电压放大倍数: 若电路接入负载,则电路的电压放大倍数: 共发射极放大电路的主要任务是对输入的小信号进行电压放大,因此电压放大倍数Au是衡量放大电压性能的主要指标之一。 共射放大电路的电压放大倍数随负载增大而下降很多,说明这种放大电路的带负载能力不强。 3.1.2共集放大电路 一、.电路组成 共集电极放大电路应用非常广泛,其电路构成如图所示。 其组成原则同共射极电路一样,外加电源的极性要保证放大管发射结正偏,集电结反偏,同时保证放大管有一个合适的Q点。 晶体管的集电极直接与直流电源UCC相接,负载接在发射极电阻两端。 显然,电路的输入极仍为基极,输出极却是发射极。 交流信号ui从基极b输入,uo从发射极e输出,集电极c作为输入、输出的公共端,故称为共集电极组态,此电路也叫射极输出器。 二、共集放大电路的静态分析。 三、共集放大电路的动态分析。 1、电压放大倍数: 通常(1+β)RL'>>rbe,故式中分子小于约等于分母,即共集电极放大电路的Au小于和约等于1。 因Au为正值,说明ui与u0相位相同;又因ui≈u0,说明电路中的电压并没有被放大。 但电路中ie=(1+β)ib,说明电路仍有电流放大和功率放大作用。 此外,u0是由射极输出的,因之共集电极放大电路又称为“射极输出器”。 2、输入电阻: 射极输出器的较大,通常可达几十千欧至几百千欧。 3、输出电阻: 显然,射极输出器的较小,仅为几十欧至几百欧。 射极跟随器具有较高的输入电阻和较低的输出电阻,这是射极跟随器最突出的优点。 射极跟随器常用于多级放大器的第一级或最末级,也可用于中间隔离级。 用作输入级时,其高输入电阻可以减轻信号源的负担,提高放大器的输入电压。 用作输出级时,其低输出电阻可以减小负载变化对输出电压的影响,并易于与低阻负载相匹配,向负载传送尽可能大的功率。 课题 项目二 放大器电路的设计与制作 任务一 差分放大电路制作与调试 任务分解 1、差分放大电路的静态工作点调试 2、差分放大电路的差共模特性分析 授课方式 讲授 操作演示 仿真演示 研究学习 学生操作 师生互动 √ √ √ √ √ 能力目标 1、能根据电路图连接差分放大电路; 2、会用万用表测量静态工作点; 3、会用毫伏表测量并计算差模电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。 知识目标 1、掌握差分放大电路的构成特点; 2、掌握差模放大倍数、差模输入、输出电阻的概念和估算方法; 3、正确理解共模抑制比的概念。 情感目标 1、增强专业意识,培养良好的职业道德和职业习惯; 2、激发学生的学习动机; 3、提高学生分析问题、解决问题的能力。 重点 1、差分放大电路的构成特点; 2、差模放大倍数、差模输入、输出电阻的概念和估算方法。 难点 差模放大倍数、差模输入、输出电阻的概念和估算方法; 选学 情境设计 电子技术项目教学室,两名学生为一组。 每组模电试验箱一台。 课后阅读 预习教材: 查阅资料: 课后作业与操作 习题3.6 教后记 实训任务2差分放大电路制作与调试 实训流程: 1.按图2.1在实验板上接好线路。 图2.1差动放大电路 2.静态工作点的测量 (1)调零 将输入端短路并接地,接通直流电源,调节电位器Rp2使双端输出电压Vo=0。 (2)测量静态工作点 测量V1、V2、V3各级对地电压填入下表2.1中。 表2.1 对地电压 Vc1(V) Vc2(V) Vc3(V) Vb1(V) Vb2(V) Vb3(V) Ve1(V) Ve2(V) Ve3(V) 测量值 3.测量电压放大倍数 (1)差摸电压放大倍数: 在输入端加入直流电压信号Vid=±0.2V,使OUT1和OUT2分别为+0.2和-0.2。 按要求将测量值填入下表中。 (2)共摸电压放大倍数: 将输入端b1、b2短接,接到信号源的输入端,信号源的另一端接地。 按要求将测量值填入表4.2中。 表4.2 测量及 计算 输入 信号 差模输入 共模输入 共摸抑制比 测量值 计算值 测量值 计算值 计算值 Vc1 (V) Vc2 (V) Vo双 (V) Ad1 Ad2 A双 Vc1 (V) Vc2 (V) Vo双 (V) Ac1 Ac2 A双 CMRR= |Ad/Ac| Vi1=+0.2 Vi2=-0.2 知识介绍: 3.2多级放大电路 实际应用中,放大电路的输入信号通常很微弱(毫伏或微伏数量级),为了使放大后的信号能够驱动负载,仅仅通过单级放大电路进行信号放大,很难达到实际要求,常常需要采用多级放大电路。 采用多级放大电路可有效地提高放大电路的各种性能,如提高电路的电压增益、电流增益、输入电阻、带负
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