模拟电子技术课程设计报告

一 任务名称 目的 要求 任务名称 对讲机放大电路设计对讲机放大电路设计 设计目的 模拟电子技术课程设计是集电子线路设 计 软件设计与编程 系统综合 元器件参数计算和选 电路仿真与调试 印刷电路板设计 电路安装与调试于 一体 独立完成电路的综合练习 课程设计的目的在于 巩固和加强电子技术理论的学习 促进其工程应用 着 重于提高学生的电子技术实践技能 培养学生综合运用 所学知识分析问题和解决问题的能力 了解科学实践的 程序和基本方法 并逐步形成严肃 认真 一丝不苟 实事求是的科学作风和一定的生产观 经济观和全局观 设计任务 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 但因单级放大器的增益 不高 实用的放大器一般均由多级放大器构成 本次课 程设计以对讲机为例 通过设计安装和调试掌握多级放 大器的一般设计方法 设计要求 1 画出电路原理图 或仿真电路图 2 元器件及参数选择 3 电路仿真与调试 4 PCB 文件生成与打印输出 5 实验室自行装配和调试 6 编写设计报告 包括设计与制作的全过程 附 上有关资料和图纸 有心得体会 7 答辩 在规定时间内完成叙述并回答问题 二 设计技术指标 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 30Hz 30KHz 输出电阻 Ri 15 K 失真度 15 K 输入阻抗也不太低 负载取的电 流也不大 RL 2 K 因此前置级电路采用共射级电 路 由于单级放大电路的电压增益为 35db 左右 两级 放大电路的增益为 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级电路组成 静态偏 置采用典型的工作点稳定电路 3 选用适当的耦合方式 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 选用适当的耦合方式 本电路级间耦合采用阻容耦合方式 图图 1 31 3 前置放大级原理图前置放大级原理图 3 3 确定功率放大器的电路方案 确定功率放大器的电路方案 功率放大器的电路方式很多 有双电源的 OCL 互补 对称功放 电路 单电源供电的 OTL 功放电路 BTL 桥式推免功放 电路和变压器耦合功放电路等 这些电路各有特点 可 根据要求和具备的实验条件综合考虑 作出选择 本方案的输出功率较小 可采用单电源供电的 OTL 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 通的共射级放大电路 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IR11 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 Uimsin t 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 的放大反相后加到 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 则可认为UC4基本为常数 不随Ui 而变化 这样 当 Ui 为负半周时 T5 导通 UA 向VCC 2 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 幅度升高也有足够 的电流流过 T5 的基极 使 T5 充分导电 这种工作方式 称为 自举 意思是电路本身把UB提高了 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 进一步有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 1 确定电源电压确定电源电压 为保证输出电压幅度达到指标要求 电源电压 Vcc 应满足如下要求 Vcc 2Vom VE VCES Vom 为最大输出幅度 Vom Vo 1 4V VE为三极管发2 射极电压 一般取 1 3V VCES为晶体管饱和压降 一 般取 1V 2 2 前置放大级参数确定前置放大级参数确定 确定 T2级的参数 a 确定 T2级发射极 集电极电阻参数及静态工 作点 因为 T2级是放大电路的输出级 输出电压比较大 为使负载 得到最大的输出幅度 静态工作点应设在负载线的中点 如图所示 满足条件 图图 1 51 5 交直流负载线交直流负载线 b 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 VCEmax ICmax 三极管工作 时的最大电流 ICmax PCM 三极管工作时的最大功耗 PCmax 由图 1 5 可知 IC2的最大值为 IC2max为 IC2max 2ICQ2 VCE最大值为 VCEmax Vcc 根据甲类电路的特点 T2 的最大功耗为 PCmax VCEQ2 ICQ2 因此 T2 的参数应满足 BVCEO 12V ICM 2ICQ2 4mA PCM VCEQ2 ICQ2 4 8mW 选用 3DG 系列小功率三极管可以满足要求 2 80 c 确定 T2 级基极电阻参数 在工作点稳定的电路中 基极电压 VB2 越稳定 则 电路的稳定性越好 因此 在设计电路时应尽量使流过 基极电阻的电流大些 以满足 IR IB的条件 保证 VB2 不受 IB变化的影响 但是 IR并不是越大越好 因为 IR大 则 R6 R7的值必然要小 这时将产生两个问题 第一增加电源的消耗 第二是第二级的输入电阻降低 而第二级的输入电阻是第一级的负载 所以 IR太大时 将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 一半计算时 按下式选取 IR的值 IR 5 10 IBQ 硅管 IR 10 15 IBQ 锗管 本电路选用硅管 取 IR 5 IBQ R7 VBQ 2 IR VE 2 VBE 2 IR 3 0 6 5I BQ 2 28 8K I BQ 2 ICQ2 2 2mA 80 0 025mA R6 Vcc IR R 7 67 8K 取标称值 R7 30K R9 68K a 确定 T1 级的参数 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 态电流对降低噪大关系声是有利的 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 1 1 mA 硅管 I CQ1 0 1 2 mA 锗管 VE1 3V VCEQ1 3V ICQ1 0 5 mA R3 Vcc VE1 VCEQ1 ICQ1 12 6 0 5 mA 12 K R4 R5 VE1 ICQ1 3 0 5 Ma 6 K 取标称值 R3 12K R4 56 R5 5 6K b 确定 T1 级三极管参数 T 2 的参数应满足 BVCEO 12V ICM 0 5 mA PCM 1 5 mW 选用 3DG 三极管可以满足要 求 确定 T1 级基极电阻参数 取 IR 10 IBQ1 VE1 3V R2 VBQ1 IR VE1 VBE1 IR 3 0 6 10IBQ1 56 7 K IR IBQ1 ICQ1 2 0 5 mA 80 0 00625 mA R1 VCC IR R2 134 4K 取 R1 130K R2 56K c 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 验选取 耦合电容 2 10 F 发射极旁路电容 150 200 F d 反馈网络的计算 Rf 100R4 R4 5 5K 取 Rf 5 6K Cf 10 F 根据上述计算结果 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 后将仿真后的电路时间装调试 图图 1 61 6 前置放大级电路图前置放大级电路图 3 功放级参数确定 1 确定电源电压 为了保证电路安全可靠的的工作 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 5 2 po 所以最大输出电压应根据 pom来计算 为 电源电压必须大于 vom 因为输出电压为最大值时 输出管已经接近饱和 考虑到管子的饱和压降 以及发 射极电阻的压降作用 我们用下式表示电源电压和输出 电压的最大值的关系 其中 称为电源利用效率 一般取 o 6 0 8 要根据管子的材料 发射极电阻值和扬声器阻抗来 选定 值 如果上述因素使输出电压降低很多时 可选低些 反之可选高些 此设计中 Pom 0 25w RL 8 欧 效率 50 所以 由此可以确定 12 的电源可满足放大电路和 OTL 功 率放大电路的要求 2 确定输出级功放管参数 选择合适的功率管 并使两管 5 6 参数尽量对 称 大功率管还应考虑其工作环境的温度以及散热片的 问题 为了满足电路性能要求 并便于设计计算 本课 题功率管选择硅管 其极限参数应满足 PCM PCmax 0 2Pom 0 2 0 25w 50mw 因此可选用一般大功率三极管可以满足要求 3 计算推动级电路 确定 T4 的工作电流 为保证信号不失真 T4 工作 在甲类放大状态 静态工作点应设在负载线的中点要求 确定 R15 250 欧 4 取 80 选取电阻标称值 R15为 270 欧 R14 为 5 1 千欧 Rp 为 10K 电位器 4 确定输出级静态工作点及电阻参数 静态时 OTL 电路的 A 点电位 VA 1 2VCC 6V VBQ5 6 5V VBQ6 5 5V 则 确定电阻为标称值 R11 为 120 欧 R12 为 430 欧 根据上述计算结果 可以得到功放输出级电路图 1 7 图图 1 71 7 功放输出级电路图功放输出级电路图 五 对讲机的安装和调试 1 仿真调试步骤 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 1 使用仿真软件画出电路原理图 标出节点 2 对电路进行直流分析 判断放大电路及功放级 的电路状态 3 对电路进行交流分析 通过对不同节点的分析 观察期幅频特性和相频特性是否满足设计要求 4 对电路进行瞬态分析 示波器 观察放大及 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 OTLOTL 输出及的简单调试方法 输出及的简单调试方法 1 调节 RP 是 A 点电位为 Vcc 2 2 调节 R13 是 Icq4 5 5 10 mA 其中 1 2 两步要反复调试 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 波在图中位置 对着 Y2 讲话时 Y1 处应该 能听到 Y1 放出的清晰 洪亮的声音 当 k 拨到另一位 置时 对着 Y1 讲话时 Y2 处应能听到 Y1 处的清晰 洪亮的声音 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 01uf 也可由实试验确定 实验过程实验过程 1 按照试验指导书所示电路原理图在电路板上正确 焊接电路 2 电路正确焊接无误后 仔细检查个个元器件是否 连接有虚短的情况 3 检查无误后在功放级两端加六伏电压 调节 Rp 使 A 电电位为 3V 4 之后断开前置放大级与功放级的连接调节 测试 放大级的静态工作点 输入电阻 电压增益 频带宽度 5 静态工作点调试测量无误后 连接放大级与功放 级 加 12 伏电压 测输出功率 6 整理实验数据 等待检查 六 实验所得数据 静态工作点测量 T1 VCE 2 9V VC 6 1V VE 3 1V VB 3 5V T2 VCE 2 6V VC 5 6V VE 2 9V VB 3 5V T3 VCE 6V VC 12V VE 5 3V VB 5 2V T4 VCE 2 8V VC 5 2V VE 2 4V T5 VCE 6 4V VC 12V VE 6 4V T6 VCE 6 4V VC 6 4V VE 0V 电压增益 AV 2 69V 27mV 1000 99 6 上限频率 fH 2MHZ 下限频率 fL 26HZ 输入电阻 Ri 10 10 2 10 50K 最大不失真电压 2 463V 七 课程设计的仿真 利用 EWB 软件制作的本次课程设计的电路图如下 上述图中 各元器件参数如下 C1 33uf R1 130K R2 56K R3 12K R4 56 R5 5 6K R6 68K R7 30K R8 3 3K R9 1 5K R10 3K C2 10 F Cf 10uf Ce1 100uf Ce2 100uf T1 2N222 T2 2N222 T3 2N222 Rf 5 6K T3 设计输出器中 电容为 10uf 滑动变阻器为 15k 八 对讲机放大电路的心得体会 经过本次课程设计 我对模拟电子技术有了新的 认识 看着自己动手制作的完成的电路板在示波器的检 测下能顺利通过 十分有成就感 课程设计安排在快要期末考试的时间对我们是一 种考验 但是大家还是认真对待了本次课程设计 都能 有机会和信心完成自己的作品 体现了工科生应有的沉 稳和理智 在焊接过程中 走了一些弯路 如果再给我一次 焊接的机会 我会用更少的时间完成