中原工学院模电课设对讲机放大电路

1对 讲 机 放 大 电 路 设 计放 大 器 由 于 具 有 对 微 弱 信 号 进 行 放 大 的 功 能 ， 所 以 得 到 了 广 泛 的 应 用 ， 但因 单 级 放 大 的 增 益 不 高 ， 实 用 的 放 大 器 一 般 均 有 多 级 放 大 器 构 成 。 本 文 以 对 讲机 为 例 ， 通 过 设 计 安 装 和 调 试 中 我 多 级 放 大 器 的 一 般 设 计 。一 、 工 作 原 理简 易 对 讲 机 工 作 原 理 如 图 1 1所 示 ， 放 大 器 是 核 心 部 分 ， 它 的 作 用 是 把话 筒 送 来 的 微 弱 信 号 放 大 到 足 以 使 扬 声 器 发 出 声 音 。 Y1， Y2为 扬 声 器 ， K为 双刀 双 掷 开 关 ， 利 用 开 关 K的 切 换 作 用 ， 可 以 改 变 Y1、 Y2与 放 大 电 路 连 接 的 位 置 ，使 Y1、 Y2交 替 作 为 话 筒 和 扬 声 器 使 用 。图 中 K处 在 图 中 所 示 位 置 ， Y2通 过 K连 接 到 放 大 器 的 输 入 端 成 为 话 筒 。Y1则 接 到 输 出 端 为 扬 声 器 ， 此 时 有 人 对 着 Y2讲 话 时 Y2把 声 音 信 号 转 换 成 电 信号 家 到 放 大 器 的 输 入 端 ， 经 放 大 器 放 大 后 可 带 动 扬 声 器 Y1发 出 声 音 ,从 而 可 在Y1处 听 到 Y2出 的 讲 话 。 当 K拨 到 另 一 位 置 时 ， 则 可 在 Y1处 讲 话 ， Y2处 接 听 。通 过 K的 开 关 控 制 能 够 实 现 双 向 有 线 通 话 ， 称 为 对 讲 机 。对 讲 机 放 大 器 的 电 路 组 成 方 框 图 如 图 1 2所 示 ， 电 路 由 输 入 级 ， 中 间 级 ，输 出 级 构 成 。 前 置 级 有 两 级 放 大 器 组 成 ， 放 大 器 第 一 级 输 入 端 与 传 感 器 相 连 ，故 也 称 为 输 入 级 。 放 大 器 的 第 二 级 把 输 入 级 的 输 出 的 电 压 信 号 再 次 进 行 放 大 再2传 给 输 出 级 ， 这 一 级 也 称 作 中 间 级 。 输 出 级 由 OTL功 率 放 大 器 组 成 ， 把 前 置 级的 电 压 信 号 进 行 功 率 放 大 ， 带 动 扬 声 器 。二 、 设 计 指 标1、 前 置 放 大 级 技 术 指 标 电 压 放 大 倍 数 Av=100； 最 大 输 出 电 压 Vo=1V； 频 率 响 应 ： 30Hz30KHz； 输 入 电 阻 ： ri15K ； 失 真 度 ： 15K） ,输 出阻 抗 也 不 太 低 ， 负 载 取 得 电 流 也 不 太 大 （ RL=2K） ,因 此 前 置 级 电 路 采 用 共 射 极电 路 。 由 于 单 级 放 大 器 的 电 压 增 益 为 35db左 右 ， 两 级 放 大 器 的 增 益 为 65db左右 ， 考 虑 到 要 引 入 一 定 深 度 的 负 反 馈 （ 一 般 为 1+AF=10 左 右 ） ， 而 电 路 的 增 益要 求 为 100倍 ， 所 以 前 置 级 用 两 级 共 射 极 电 路 组 成 。 静 态 偏 置 采 用 典 型 的 工 作点 稳 定 电 路 。 根 据 三 种 耦 合 方 式 （ 阻 容 耦 合 ， 变 压 器 耦 合 ， 直 接 耦 合 ） 的 不 同 特 点 ，选 用 合 适 的 耦 合 方 式 。本 电 路 级 间 耦 合 采 用 阻 容 耦 合 方 式 。2. 确 定 功 率 放 大 器 电 路 方 案 ：功 率 放 大 器 的 电 路 形 式 很 多 ， 有 双 电 源 的 OTL 互 补 对 称 功 放 电 路 、 单 电源 供 电 的 OTL功 放 电 路 、 BTL桥 式 推 勉 功 放 电 路 和 变 压 器 耦 合 功 放 电 路 等 。 这4些 电 路 各 有 特 点 ， 可 根 据 要 求 和 具 备 的 实 验 条 件 综 合 考 虑 ， 做 出 选 择 。本 方 案 的 输 出 功 率 较 小 ， 可 采 用 单 电 源 供 电 的 OCL功 放 电 路 ， OTL功 率放 大 器 由 推 动 级 、 输 出 级 组 成 。 推 动 级 采 用 普 通 的 共 射 极 放 大 电 路 ， 输 出 级 由互 补 推 动 输 出 ， 工 作 在 甲 乙 类 状 态 下 ， 得 到 较 大 的 输 出 功 率 。图 1-4是 一 个 OTL功 放 电 路 ， T4是 前 置 放 大 级 ， 只 要 适 当 调 节 Rp， 就 可以 使 IRH、 UB5和 UB6达 到 所 需 数 值 ， 给 T5、 T6 提 供 一 个 合 适 的 偏 置 ， 从 而 使 A点 电 位 UA=UC6=VCC/2。当 Ui=Uimsinwt时 ， 在 信 号 的 负 半 周 ， 经 T4放 大 反 相 后 加 到 T5、 T6基 极 ，使 T6截 止 、 T5导 通 ， 这 时 有 电 流 通 过 RL， 同 时 电 容 C5被 充 电 ， 形 成 输 出 电 压Uo的 正 半 周 波 形 ， 在 信 号 的 正 半 周 ， 经 T4放 大 反 相 后 加 到 T5、 T6基 极 ， 使 T5导 通 、 T6截 止 ， 则 已 充 电 的 电 容 C5起 着 电 源 的 作 用 ， 并 通 过 RL， 和 T5放 电 ，形 成 输 出 电 压 Uo的 负 半 周 波 形 。 当 Ui周 而 复 始 变 化 时 ， T5、 T6交 替 工 作 ， 负载 RL上 就 可 以 得 到 完 整 的 正 弦 波 。为 使 输 出 电 压 达 到 最 大 峰 值 UCC/2， 采 用 自 举 电 路 的 OTL功 放 电 路 。当 Ui=0 时 ， UA=VCC/2 ， UB=VCC-iR11R2 ， 电 容 C3 两 端 电 压UC3=UB-UA=VCC/2-iR11R2。 当 R11C4乘 积 足 够 大 时 ， 则 可 以 认 为 UC4基 本 为 常 数 ，5不 随 Ui而 变 化 。 这 样 ， 当 Ui为 负 半 周 时 ， T5导 通 ， UA向 更 正 的 方 向 变 化 。 由于 B点 电 位 UB=UC4+UA， B点 电 位 也 将 自 动 随 着 A点 电 位 升 高 。 因 而 ， 即 使 输出 电 压 Uo幅 度 升 的 很 高 也 有 足 够 的 电 流 通 过 T5基 极 ， 使 T5充 分 导 电 。 这 种 工作 方 式 叫 “ 自 举 “ ， 意 思 是 电 路 本 身 把 UB提 高 了 。五 、 计 算 原 件 参 数依 据 基 本 设 计 方 案 计 算 元 件 参 数电 路 方 案 确 定 以 后 ， 要 根 据 给 定 的 技 术 要 求 进 行 元 件 参 数 的 选 择 。 在 确 定元 件 参 数 时 ， 可 以 先 从 后 级 开 始 ， 根 据 负 载 条 件 确 定 后 级 的 偏 置 电 路 ， 然 后 再计 算 前 级 的 偏 置 电 路 ， 进 一 步 由 放 大 电 路 的 频 率 特 性 确 定 耦 合 电 容 和 旁 路 电 容的 电 量 ， 最 后 由 电 压 放 大 倍 数 确 定 负 反 馈 网 络 的 参 数 。1.确 定 电 源 电 压Vcc应 满 足 要 求 ：Vcc 2Vom+VE+VCES Vom=1.4VVE为 三 极 管 发 射 极 电 压 ， 一 般 取 13V，6VCES为 晶 体 管 饱 和 压 降 ， 一 般 取 1V。2 前 置 放 大 级 参 数 确 定1） 确 定 T2级 的 参 数a） 确 定 T2级 的 发 射 极 、 集 电 极 电 阻 参 数 及 静 态 工 作 点 ：集 电 极 电 阻 R8， 发 射 极 电 阻 R9，T3型 号 ， 基 极 偏 置 电 阻 R6、 R7。Vcc-VCEQ2=ICQ2 R8+VE2VCEQ2= ICQ2VCEQ2Vom+VCESR9=VE2/ICQ2指 标 中 ， RL=2K ， 取 VE2=1V， VCES=1V；确 定 R8=583 ， R9=282 ，取 标 称 值 ， R8=560 ， R9=270K ，则 静 态 值 ICQ=3.2mA， VCEQ2=4V。b） 确 定 T2级 三 极 管 参 数 ：晶 体 管 的 选 取 主 要 依 据 晶 体 管 的 三 个 极 限 参 数 ：BVCEO 三 极 管 c-e间 最 大 电 压 VCEmax7ICM三 极 管 工 作 时 的 最 大 电 流 ICmaxPCM 三 极 管 工 作 时 的 最 大 功 耗 PCmaxVCE最 大 值 为 : VCE2max=VccIC2的 最 大 值 为 : IC2max =2ICQ2T2的 最 大 功 耗 为 ： PCmax=VCEQ2 ICQ因 此 T2的 参 数 应 满 足 ：BVCEO 7VICM2ICQ2 =4mAPCM VCEQ2 ICQ2 =4.8mW选 用 3DG系 列 小 功 率 三 极 管 ， 2=80。c) 确 定 T2级 基 极 电 阻 参 数 ：选 取 原 则 ：1. 基 极 电 压 VB2越 稳 定 ， 则 电 路 的 稳 定 性 越 好 ， 需 满 足 IR IB2.IR不 能 过 大 ， 否 则 R6、 R7的 值 太 小 。 会 增 加 电 源 的 消 耗 ； 使 第 二 级 的 输 入电 阻 降 低 ， 从 而 使 第 一 级 的 放 大 倍 数 降 低 。为 了 使 VB2稳 定 同 时 第 二 级 的 输 入 电 阻 又 不 致 太 小 ， 按 下 式 选 取 IR的 值 ：IR=（ 510） IBQ 硅 管IR=（ 1015） IBQ 锗 管本 电 路 选 用 硅 管 ， 取 IR= 5 IBQ， 则 ：取 标 称 值 ：8R6=13k R7=4K2） 确 定 T1级 的 参 数a) 确 定 T1级 发 射 极 、 集 电 极 电 阻 及 静 态 工 作 点 ：因 为 T1级 是 放 大 器 的 输 入 级 ， 其 输 入 信 号 比 较 小 ， 放 大 后 的 输 出 电 压 也 不大 ， 所 以 对 于 第 一 级 失 真 度 和 输 出 幅 度 的 要 求 比 较 容 易 实 现 ， 主 要 考 虑 如 何 减小 噪 声 ， 三 极 管 的 噪 声 大 小 与 工 作 点 的 选 取 有 很 大 关 系 ， 减 小 静 态 电 流 对 降 低噪 声 是 有 利 的 ， 但 对 提 高 放 大 倍 数 不 利 ， 所 以 静 态 电 流 不 能 太 小 。 在 工 程 计 算中 ， 一 般 对 小 信 号 的 输 入 级 都 不 详 细 计 算 ， 而 是 凭 经 验 直 接 选 取 ：I CQ1=0.11mA 硅 管I CQ1 =0.12mA 锗 管本 电 路 选 用 硅 管 ， 取 IR=5IBQ如 果 输 入 信 号 较 大 或 输 出 幅 度 较 大 时 不 能 用 此 方 法 ， 而 应 该 具 体 计 算 ， 计 算方 法 与 第 二 级 相 同 。 取 ： VE1=3V, VEQ1=3V, ICQ=05取 标 称 值 R3=5.1K ， R4=62 ， R5=2.7K 。b)T1级 三 极 管 参 数 ：BVCEO7V， ICM 0.5mA ， PCM 1.5mW选 用 3DG三 极 管 可 以 满 足 要 求 。9确 定 T1级 基 极 电 阻 参 数 ：取 IR=10IBQ1 ， VE1=3V取 R1=100K， R2=82K3） 耦 合 电 容 和 旁 路 电 容 的 选 取下 限 频 率 fL决 定 耦 合 电 容 及 旁 路 电 容 ， 电 容 的 容 量 越 大 则 放 大 器 的 低 频 响应 越 好 。 工 程 计 算 中 ， 常 凭 经 验 选耦 合 电 容 :2 10 f发 射 极 旁 路 电 容 ： 150 200 F4） 反 馈 网 络 的 计 算Rf =100R4-R4=7.5K取 Rf =7.5K， Cf=10F根 据 上 述 的 计 算 结 果 ， 得 到 电 路 图 1-6， 可 将 电 路 仿 真 ， 如 不 能 达 到 设 计 要 求 ，修 改 电 路 使 其 达 到 设 计 要 求 。 然 后 将 仿 真 后 的 电 路 实 际 安 装 调 试 。103.功 放 级 参 数 确 定a） 确 定 电 源 电 压 ：为 了 保 证 电 路 安 全 可 靠 地 工 作 ， 通 常 使 电 路 的 最 大 输 出 功 率 Pom比 额 定 输 出 功率 PO要 大 些 ， 一 般 取 ：Pom=（ 1.52 ） PO所 以 最 大 输 出 电 压 应 根 据 Pom来 计 算 ， 为 ： LPomRVom 2 V8.285.02 Vom=vcc/2Vcc=2 Lomom RPV 2121 V8825.025.012 其 中 称 为 电 源 利 用 效 率 ， 一 般 取 ： =0.60.8电 容 有 自 举 作 用所 以 7V的 电 源 可 满 足 放 大 电 路 和 OTL功 率 放 大 电 路 的 要 求 。b） 确 定 输 出 级 功 放 管 参 数11PCM PCmax =0.2Pom=0.20.25W=50mW。因 此 选 用 一 般 大 功 率 管 三 极 管 可 以 满 足 要 求 。c） 计 算 推 动 级 电 路 ：T4的 Q： Q设 在 负 载 线 的 中 点确 定 R15=250 。VC4=VCES4+ICQ4 R15ICQ 4 3I B6maxICQ 4=210mA（ ICQ 4 =10mA）VA=VCC/2=6VVCES4=23VVC4=6-VBE6 =5.5V12取 80， 选 取 电 阻 标 称 值 R15=270， R14=5.1K,Rp=10K电 位 器 。确 定 电 阻 为 标 称 值 R11=120,R12=430，根 据 上 述 的 计 算 结 果 ， 可 以 得 到 功 放 输 出 级 的 电 路 图六 、 调 试 方 法1 仿 真 调 试 步 骤 ： 通 过 仿 真 测 试 ， 如 不 能 达 到 设 计 要 求 ， 则 应 修 改 电 路 ， 使 其满 足 要 求 。13 使 用 仿 真 软 件 画 出 电 路 原 理 图 ， 标 出 节 点 。 对 电 路 进 行 直 流 分 析 ， 判 断 放 大 电 路 及 功 放 级 的 电 路 状 态 。 对 电 路 进 行 交 流 分 析 ， 通 过 对 不 同 节 点 的 分 析 观 察 其 幅 频 特 性 和 相 频 特性 是 否 满 足 设 计 要 求 。 对 电 路 进 行 瞬 态 分 析 （ 示 波 器 ） ， 观 察 放 大 级 输 出 的 波 形 ， 波 形 不 失 真 ，输 出 电 压 、 失 真 度 、 带 宽 等 指 标 达 到 要 求 。2 实 际 电 路 调 试在 仿 真 的 基 础 上 ， 焊 好 电 路 并 检 查 无 误 后 ， 即 可 进 行 调 试 。 如 果 设 计 正 确 ，前 置 放 大 级 一 般 不 必 调 整 就 可 以 正 常 工 作 。3 OTL输 出 级 的 简 单 调 整 方 法 ： 调 解 Rp使 A点 电 位 为 Vcc/2。 调 解 R13使 ICQ4、 5 = （ 510） mA其 中 1） 、 2） 两 步 要 反 复 调 解 ， 直 到 达 到 要 求 为 止 。经 上 述 调 试 后 ， 放 大 器 就 能 正 常 工 作 。 按 图 1-1 接 好 线 路 ， K拨 在 图 中 位置 ， 对 着 Y2讲 话 时 ， Y1处 应 能 听 到 Y1放 出 的 清 晰 、 宏 亮 的 声 音 。 当 K拨 到另 一 位 置 时 ， ， 对 着 Y1讲 话 时 ， Y2处 应 能 听 到 Y1放 出 的 清 晰 、 宏 亮 的 声 音 。最 后 需 要 说 明 的 是 ， 如 按 图 1-1 接 好 线 路 后 ， 扬 声 器 中 有 广 播 电 台 的 声 音 ，则 应 放 在 放 大 器 的 输 入 端 与 地 之 间 接 一 电 容 ， 其 容 量 为 0.01F， 也 可 由 试 验 确定 。七 、 仿 真 过 程1.在 周 六 ， 日 我 们 进 行 了 仿 真 实 验 ， 通 过 对 个 参 数 的 计 算 ， 基 本 确 定 了 每 个元 件 的 大 概 大 小 ， 然 后 就 是 用 ewb软 件 进 行 仿 真 。在 仿 真 实 验 是 有 一 下 几 点 ：1） 三 极 管 选 择 2n2222） 电 压 、 电 流 表 的 交 直 流 选 择143） 电 压 源 的 频 率 和 电 压4） 连 接 的 电 路 图 如 下 ：2.对 前 端 放 大 级 的 调 节通 过 调 节 使 前 端 的 增 益 Av=100， 波 形 如 图 ：15静 态 工 作 点向 频 、 幅 频 特 性 曲 线在 输 入 为 Vi=10v的 情 况 下频 率 响 应 范 围 ：16Hz2.5MHz输 入 电 阻 为 ：Ri=32k从 图 中 课 看 出 ：1610Rl=2k3.功 放 端17有 图 可 以 看 出 无 失 真 ， 输 出 的 电 压 在 2v以 上 。最 大 的 输 出 功 率 Pom=0.5W负 载 电 阻 ： Rl=8失 真 度 ： 5输 入 阻 抗 ： Ri=32k八 、 对 讲 机 的 安 装周 日 ， 老 师 对 仿 真 进 行 了 验 收 ， 仿 真 顺 利 的 通 过 了 验 收 。在 下 午 ， 将 一 些 元 件 发 到 了 每 个 人 的 手 里 ， 由 于 元 件 的 个 数 不 够 ， 我 就 将 焊 接的 时 间 向 后 退 了 。假 期 三 天 一 晃 而 过 ， 周 四 上 午 将 剩 余 的 元 件 都 找 齐 了 。 上 午 对 元 件 的 布 局 进 行了 排 版 。 草 图 如 下 ：18在 下 午 的 焊 接 过 程 中 ， 考 虑 到 按 照 上 图 的 连 接 将 会 出 现 大 量 的 接 点 ， 和 线 路 。一 方 面 会 影 响 焊 接 的 速 度 ， 更 重 要 的 是 线 路 多 ， 同 一 个 接 点 由 多 个 孔 引 出 会 使电 路 更 加 的 不 可 靠 ， 容 易 出 现 错 误 。 在 后 期 的 检 测 中 也 会 带 了 不 必 要 的 麻 烦 ，同 一 个 接 点 焊 接 在 同 一 处 大 大 的 减 少 了 焊 点 的 个 数 和 连 接 线 的 条 数 。 电 路 的 可靠 性 也 大 大 的 提 高 了 。 线 路 的 损 耗 也 有 所