模电设计多级放大电路实验报告

1、摘要 单级放大电路的电压放大倍数一般可以达到几十倍，然而，在许多场合，这样的放大倍数是不够用的，常需要把若干个单管放大电路串接起来，组成多级放大器，把信号经过多次放大，从而得到所需的放大倍数。在生产实践中，一些信号需经多级放大才能达到负载的要求。 可由若干个单级放大电路组成的多级放大器来承担这一工作。在多级放大电路的前面几级，主要用作电压放大，大多采用阻容耦合方式; 在最后的功率输出级中，常采用变压器藕合方式;在直流放大 电路及线性集成电路中，·常采用直接接藕合方式。摘要.2第1章 放大电路基础 . 3 1.1 放大的概念和放大电路的基本指标：1.2 三种类型的指标第二章 基本放大电

2、路 .7 2.1 BJT 的结构 . 7 2. 2 BJT的放大原理 . 8 第三章 多级放大电路. 9 3.1 多级放大电路的耦合方式 .9 3.2 放大电路的静态工作点分析 .11 3.3 设计电路的工作原理 . 12 3.4计算参数 . . 13 总结. . 14 参考文献 . . 14 第一章 放大电路基础放大的概念和放大电路的基本指标：“放大” 这个词很普遍， 在很多场合都会发现放大的现象的存在。 比如， 利用放大镜使微小的物体出现较大的形象，这是光学中的放大现象；利用 杠杆能用较小的力移动重物，这是力学的放大现象；等等一些。我们可以 看见它们的一个共同点，它们都是把原物中的差异的程

3、度放大了。因此， 所谓放大就是对差异的程度或变化量而言的。这是我们要注意的第一点。 同时，我们可以发现，它们之间还存在着一个重要的差别。经放大镜放大 后的影像，其亮度比原来的要弱；利用杠杆得到较大的力，然而物理移动 的距离要比加力点经过的距离短。可见，这几种放大现象都是遵守能量守 恒原则。总之，得到了较大的功率。 我们首先要先定性看什么样的放大电路时比较好的。希望不失真，最 大能输出多少功率等等。这些都应该是衡量放大电路性能的标准。 性能指标可以分为 3 种类型：第一种是对应于一个幅值已定、频率已定 的信号输入时的性能，这是放大电路的基本性能。第二种是对于幅值不变 而频率改变的信号输出时的性能

4、。第三种是对应于频率不变而幅值改变的 信号输入时的性能。 第一种类型的指标： 1.放大倍数 放大倍数是衡量放大电路放大能力的指标。 Au=U0/Ui电流放大倍数用Aii表示，定义为 Aii= Io/Ii电压对电流的放大倍数用Aui表示，定义为 Aui=Uo/Ii 电流对电压的放大倍数用Aiu表示，定义为 Aiu=Im/ui 2.输入电阻 作为一个放大电路，一定要有信号源来提供输入信号3. 输出电阻放大电路讲信号放大后， 总要送到某装置区发挥作用。 这个装置我们通常 称为负载。输出电阻越大，表明接入负载后，输出电压的幅值下降越多。因此 反映了放大电路带负载能力的大小。 第二种类型的指标：通频带

5、当只改变输入信号的频率时，发现放大电路的放大倍数是随之变化的， 输出波形的相位也发生变化。这就需要有一定的指标来反映放大电路对于 不同频率的信号的适应能力。通频带越宽，表明放大电路对信号频率的适应能力越强。第三种类型的指标： 5.最大输出幅值 最大输出幅值指的是当输入信号再增大就会使输出波形的非线性失真 系数超过额定数值（比如 10%）时的输出幅值。我们以（或）表示。 一般指有效值，也有以封至峰值表示的，二者差倍。6 最大输出功率与效率 最大输出幅值是输出不失真时的单项（电压和电流）指标。此外还应 该有一个综合性的指标即最大输出功率。它是输出信号基本不失真的情况 下输出的最大功率。7.非线性失

6、真系数 由于晶体管等器件都具有非线性的特性，所以当输出幅度大了之后， 有时需要讨论它的失真问题。我们在这里定义的非线性失真系数，是指放 大电路在某一频率的正弦波输入信号下，输出波形的谐波成分总量和基波 成分之比 第二章 基本放大电路 2.1 BJT 的结构BJT 的结构示意图如图 1-1 所示。其中 1-1（a）所示是 NPN 型管，图 1-1（b）所示是 PNP 型管，它们是用不同的掺杂方式制成的，不论是硅管 还是锗管，它们都可制成这连个类型。由图可见，它们有三个区，分别是 发射区、基区和集电区。由三个区分别引出一个电极，分别成为发射集 e、 基极 b 和集电极 c。发射区和集电区之间的 P

7、N 结成为发射结。集电区和基 区之间的 PN 结称为集电结。 2.2 BJT 的放大原理根据 PN 结无外加电压的情况下载流子的扩散与漂移处于动态平衡，流 过 PN 结的电流为零。当外加电压的极性呈单向导电性。 放大电路分为共发射极电路、共集电极电路、共基极电路。其内部载 流子的传输过程相同。如下图（1-2）的 NPN 型管。发射区每向基区注入一个复合用的载流子，就要向集电区供给个载 流子，也就是说，BJT 如有一个单位的基极电流，就必然会有倍的集电极 电流故一般 IC>>IB;它也表示了基极电流对集电极的控制作用， 利用这一性 质可以实现 BJT 的方的作用。 BJT 最基本的一

8、种应用，是把微弱的信号放大。若在基极输入端接入一 个小恩输入信号电压，在小电压的作用下使基极电流产生一个随小电压规 律变化的小电流 。通过基极对集电极电流的控制作用集电极电流也将产生 相应的变化，产生大电流 。这种以较小的输入电流变化控制较大输出电流 变化的作用就是 BJT 的电流放大作用。放大系数为。 =IB/Ic 第三章 多级放大电路3.1 多级放大电路的耦合方式 1.多级放大电路的耦合方式有哪些？分别有什么特点？ (1) 直接耦合耦合电路采用直接连接或电阻连接，不采用电抗性元件。 直接耦合电路可传输低频甚至直流信号，因而缓慢变化的漂移信号也可以 通过直接耦合放大电路。 (2) 电抗性元件

9、耦合级间采用电容或变压器耦合。电抗性元件耦合， 只能传输交流信号，漂移信号和低频信号不能通过。 3.1.1 直接耦合放大电路的构成（1）基本要求用给定的三极管2SC1815(NPN)，2SA1015(PNP)设计多级放大器，已知VCC=+12V, -VEE=-12V，要求设计差分放大器恒流源的射极电流IEQ3=11.5mA，第二级放大射极电流IEQ4=23mA；差分放大器的单端输入单端输出不是真电压增益至少大于10倍，主放大器的不失真电压增益不小于100倍；双端输入电阻大于10k，输出电阻小于10，并保证输入级和输出级的直流点位为零。设计并仿真实现。3.2 放大电路的静态工作点分析直耦式多级放

10、大电路的主要涉及任务是模仿运算放大器OP07的等效内部结构，简化部分电路，采用差分输入，共射放大，互补输出等结构形式，设计出一个电压增益足够高的多级放大器，可对小信号进行不失真的放大。1.输入级电路的输入级是采用NPN型晶体管的恒流源式差动放大电路。差动放大电路在直流放大中零点漂移很小，它常用作多级直流放大电路的前置级，用以放大微笑的直流信号或交流信号。典型的差动放大电路采用的工作组态是双端输入，双端输出。放大电路两边对称，两晶体管型号、特性一致，各对应电阻阻值相同，电路的共模抑制比很高，利于抗干扰。该电路作为多级放大电路的输入级时，采用vi1单端输入，uo1的单端输出的工作组态。计算静态工作

11、点：差动放大电路的双端是对称的，此处令T1，T2的相关射级、集电极电流参数为IEQ1=IEQ2=IEQ，ICQ1=ICQ2=ICQ。设UB1=UB20V，则Ue-Uon，算出T3的ICQ3，即为2倍的IEQ也等于2倍的ICQ。此处射级采用了工作点稳定电路构成的恒流源电路，此处有个较为简单的确定工作点的方法：因为IC3IE3，所以只要确定了IE3就可以了，而，采用ui1单端输入，uo1单端输出时的增益2.主放大级本级放大器采用一级PNP管的共射放大电路。由于本实验电路是采用直接耦合，各级的工作点互相有影响。前级的差分放大电路用的是NPN型晶体管，输出端uo1处的集电极电压Uc1已经被抬得较高，同

12、时也是第二级放大级的基极直流电压，如果放大级继续采用NPN型共射放大电路，则集电极的工作点会被抬得更高，集电极电阻值不好设计，选小了会使放大倍数不够，选大了，则电路可能饱和，电路不能正常放大。对于这种情况，一般采用互补的管型来设计，也就是说第二级的放大电路用PNP型晶体管来设计。这样，当工作在放大状态下，NPN管的集电极电位高于基极点位，而PNP管的集电极电位低于基极电位，互相搭配后可以方便地配置前后级的工作点，保证主放大器工作于最佳的工作点上，设计出不失真的最大放大倍数。采用PNP型晶体管作为中间主放大级并和差分输入级链接的参考电路，其中T4为主放大器，其静态工作点UB4、UE4、UC4由P

13、1、R7、P2决定。差分放大电路和放大电路采用直接耦合，其工作点相互有影响，简单估计方式如下：， （硅管），由于，相互影响，具体在调试中要仔细确定。此电路中放大级输出增益3.输出级电路输出级采用互补对称电路，提高输出动态范围，降低输出电阻。其中T4就是主放大管，其集电极接的D1、D2是为了克服T5、T6互补对称的交越失真。本级电路没有放大倍数。3.3设计电路的工作原理 如图（3-6）所示，电路的一级放大电路是一个阻容耦合的单管共射放 大电路，它由信号源、直流电源、BJT、电阻、电容等元件组成。 T 是 NPN 型管，起放大作用，是一级放大的核心。VCC 是直流电源，为 发射结提供正向偏置电压，

14、为集电结提供反向偏执电压，也是信号放大的 能源 Rb1 是基极偏置电阻，它和电源一起为基极提供一个合适的基极电流 IB,以保证 BJT 不失真的放大。 第二级放大部分为共基极放大电路，从它的交流通路可见，发射极是 输入端，集电极是输出端，而基极是输入、输出回路的公共端。其特点是 电流放大倍数小于 1 而接近 1，但电流放大倍数大，仍具有功率放大作用； 输出高压与输入电压相位相同；输入电阻小，输出电阻较大，其允许的工 作频率较高，高频特性较好，用于高频电子电路中。 第三级放大部分为共集电极放大电路，其特点是输入电阻大，输出电 阻小；电压放大倍数小于 1 而接近于 1；输出电压与输入电压相位相同。

15、没 有电压放大作用，但有电流和功率放大作用。共集电极放大电路可做多级 放大电路的输入级，可使输入到放大电路的信号电压基本上等于信号源电 压；还可以做多级放大电路的输出级，可获得稳定的输出电压提高放大电 路的的带负载能力，将其接在两级放大电路之间，利用其输入电阻大，输 出电阻小的特点，在两级放大电路中间起缓冲作用。3.4 计算参数 一级放大电路的静态工作点 ： U B = VCC*( Rb12 /(Rb1 + Rb12) ； U B = 18V *(12 K/( 60 K + 12 K) ； UB = 3V IB = IC I E = VCC（ Rb1 + Rb12 ） ； IB = 0.25u

16、 IC IE = UB-UBE I C I E =(3V-0.3V) /4.6K IC IE =0.6uA U CE Vcc - Ic(Rc1+Re2)U CE 118v-(12k+16k).U CE =4V = IC/ IB ； = 0.6 u /0.25uA=2.4电压放大倍数： =- = RL/rbe (RL=RC1 /RE2 ) Au = -2.4(3k/60k) 输入电阻 Ri: R i = 0.43 K 输出电阻 Ro: Ro =12k 二级放大电路的静态工作点 ： U B = VCC*( Rb 22 /Rb21+Rb22)U B =18V *( 9.4 K/（26.6 K + 9

17、.4 K ） U B = 4.8 V IB = VCC* （Rb 21 + Rb 22）; IB =18V/（ 26.4 K + 9.4 K ）I B = 0.5u IC I E = U B / U BE /R2 IC I E = (4.8V -0.3V)/4KI C I E = 1.2 u U CE VCC-I C (RC 2 + R E 2 ) ; U CE 18V - I C (6 K + 4 K ) U CE 6V = IC/ IB ; = =1.2 u/ 0.5u=2 .4 电压放大倍数: Au= - = Au= RL/rbe= 2.4 (RL=RC1 /RE2 ) Au=-2.4(

18、3k/60k) 3K =-0.12 输入电阻 Ri: R i = R b1 / Ri = 0.28 K 输出电阻 Ro: Ro Rc1 Ro Rc1=6k 三级放大电路的静态工作点 ： IB = (VCC - U BE) / (Rb+(1 + )Re) BIb = 0.026 × 10-3 I C = I B ; I C = 1.3u I C I E = 1.2 u U CE VCC - I C *I e ; U CE 18V - 1.3 × 4 U CE 12.8V 输入电阻 Ri : R i = R b1 / rbe + (1 + )R Ri =461k/(1.32+5

19、10.25)Ri=0.07k 输出电阻 Ro: Ro=Re / (rbe + RL )/(1+ )=14.5 k 测试方法用Multisim仿真设计结果，并调节电路参数以满足性能指标要求。给出所有的仿真结果。电路图如图所示仿真电路图静态工作点的测量：测试得到静态工作点IEQ3，IEQ4如图2所示，符合设计要求。静态工作点测量 输入输出端电压测试： 测试差分放大器单端输入单端输出波形如图3，输入电压为VPP=4mV，输出电压为VPP=51.5mV得到差分放大器放大倍数大约为12.89倍。放大倍数符合要求。 低电压下波形图主放大级输入输出波形如图主放大级输入输出波形图如图所示输入电压为VPP=51.5mV，输出电压为VPP=6.75V放大倍数为131.56倍。整个电路输入输出电压测试 多级放大电路输