负反馈放大电路的设计与制作

1、信息工程系课程设计报告课程题目课时专业班级姓名学号指导教师年月日设计任务：负反馈放大电路的设计与制作要求：1 报告字数在 3000 5000 之间，并打印2 报告书内容应具有三图一书， 即原理图、印制电路图和转配图 （后设计两图可合一）任务 3 所选电路或设计电路越简单越好名单必须满足技术指标要求，容与要易安装调试，无特殊器件求4 必须分析计算电路及元件参数，阐述工作原理1 工作频率：f30 Hz 30kHz2 工作电压：单电源12V3 信号源： U i10Mv (有效值 )RS 504 输入要求：输入电阻 Rif20k5 输出要求： U o1V (有效值)ROf 10IOmA（有效值）技1A

2、uAuf术10%1%指6 工作稳定性：当电路元件改变时，若Au则 Auf导目录一、摘要.4二、设计任务及要求.4三、负反馈放大电路设计的一般原则（1）反馈方式的选择4（2）放大管得选择5（3）级数的选择6（4）电路的确定6四、设计过程(1) 确定方案7(2) 电路参数的计算9(3) 计算技术指标13五、调试要点.15负反馈放大电路的设计与制作摘要本文是负反馈放大电路的设计，而设计需要根据技术指标及要求来确定放大电路的结构、 级数和电路元件参数及型号等， 此次要求电路的输入电阻高输出电阻小， 稳定性要好，频带宽度适中，尽量小的失真等等 . 。因而我们会根据这些要求，一一计算出技术指标和元件的参数

3、，确定反馈类型，选取三种预选方案，通过比较选择符合要求， 我们最终选择了方案一， 经过布线、焊接、调试等工作后负反馈放大电路设计制作成功。关键词：负反馈放大电路电路设计电路制作一、设计任务及要求用分离元器件设计一个交流放大电路，用于指示仪表放大弱信号，具体指标如下：（1）工作频率： f 30Hz 30kHz 。（ 2） 信号源： U i10mV ( 有效值 ) ，内阻 Rs 50 。（ 3） 输出要求： U 0 1V （有效值），输出电阻小于 10 ，输出电流 I o 1mA ( 有效值 ) 。（ 4） 输入要求：输入电阻大于 20 K 。Am10%（ 5） 工作稳定性：当电路元器件改变时，若

4、Am，则Am1%Am。（ 6）频带宽度： BW 30 600kHz 。二、设计原理框图及基本公式图中 X 表示电压或电流信号； 箭头表示信号传输的方向； 符号¤表示输入求和， +、表示输入信号 与反馈信号是相减关系 （负反馈），即放大电路的净输入信号为（1）基本放大电路的增益（开环增益）为（2）反馈系数为（3）负反馈放大电路的增益（闭环增益）为（4）三、负反馈放大电路设计的一般原则1、反馈方式的选择采用什么反馈方式， 主要根据负载的要求及信号源内阻的情况来考虑。在负载变化的情况下， 要求放大电路定压输出时， 就需要采用电压负反馈 ; 在负载变化情况下，要求放大电路衡量输出时，就要采用

5、电流负反馈。 至于输入端采用串联还是并联方式， 主要根据对放大电路输入电阻的要求而定。 当要求放大电路具有高的输入电阻时， 宜采用串联反馈 ; 当要求放大电路具有低输入电阻时， 宜采用并联反馈。如仅仅为了提高输入电阻，降低输出电阻（即阻抗变换）时，宜采用射极输出器。反馈深度主要根据放大电路的用途及指标要求而定。对音频放大电路， 主要是用负反馈减小非线性失真，设计时一般取1 AF 10 左右。对测量仪表中使用的放大电路，要求放大倍数要有较高的稳定度，而采用负反馈的目的主要是提高放大倍数的稳定度，因此根据不同的要求可取 1AF 为几十几百。对高放大倍数宽频带放大电路， 采用负反馈的目的主要是展宽频

6、带，这时采用多级放大加深容易产生自激，且在幅频特性的高、底频段易产生凸起的现象。 因此首先要保证每一级有足够宽的频带，入在两级之间采用低输入电阻的接法（例如共射共基的形式）去解决2、放大管得选择如果放大电路的级数多，而输入信号很弱时（微伏级） ，必须考虑输入级放大管得噪声所产生的影响， 为此前置放大级因选用低噪声的管子。当要求放大电路的频带很宽时，应选用截止频率fT 较高的管子。从集电极损耗的角度出发，由前级放大的输出变小， 可选用 pCM 小的管子，其静态工作点也要选得低一些（I E 小），这样可以减小噪声；但对输出级而言，因其输出电压和输出电流都较大，故需选用pCM大得管子。3、级数的选择

7、放大电路级数可根据无反馈时的放大倍数而定， 而此放大倍数又要根据所要求的闭环放大倍数和反馈深度而定， 因此设计时首先根据技术指标确定出它的闭环放大倍数 Af 及反馈深度 1 AF ，然而确定所需的 Af ，确定了 A 的数值，放大电路级数大致可以用下列原则来确定：几十至百倍左右采用一级或两级，几百至几千倍左右采用两级或三级，几千倍以上采用级或四级（射级输出器不计，因其A 约为 1）。一般情况下很少采用四级以上， 应为这将给施加反馈后的补偿工作带来很大的困难，但如反馈只加在每两级之间也是可以的。4、电路的确定根据不同要求，放大电路中各级所选用的电路也是吧不同的。（1）输入级。输入级采用什么电路主

8、要决定于信号源的特点。如果信号源不允许取较大的电流， 则输入级应具有高的输入电阻， 那么以采用射级输出器为宜，如要求有较高的输入电阻（ ri 1M ），可采用场效应管，并采用自举电路或多级串联负反馈放大电路。 如信号源要求放大电路具有低的输入电阻， 则可用电压并联反馈放大电路。 如果无特殊要求，可选用一般的共射放大电路。输入级放大管的静态工资点一般取I E1mA，U CE (1 2)V 。（2）中间级。中间级只要是积累电压及电流放大倍数，多采用共射反大电路，而且选用大的管子。其静态工作点一般为I (1 3)mA,U CE(2 5)V。（3）输出级。输出级采用什么电路主要决定于负载要求。如负载电

9、阻较大（几千欧左右） ，而且主要是输出电压，则可用共射放大电路；反之，如负载为低阻，且在较大范围内变化时，则射级输出器。如果负载需要阻抗匹配，可用变压器输出。因输出级的电压和输出电流都较大， 其静态工作点的选择要比较中间级为高，具体数值要视输出电压和输出电流的大小而定。四、设计方案及选定方案一采用三个 NPN型三级管放大(1) 该设计采用电压串联负反馈(2) 第一级采用局部电流负反馈，所需反馈深度为：1+AF=rif , 从放ri大性能稳定度确定反馈深度， 1 AFAuo / Auo , 估算 A 值根据指标的Auf/ Auf要求，计算电路闭环放大倍数：AFU oU i（ 3）在 Rf 1 和

10、 Rf 2 不加旁路电容以便引入局部负反馈以稳定每一级的放大倍数（ 4）放大管的选择：因设计中前两级放大对管子无特别要求，统一采用了 3DG100如图：原理图根据以上分析确定电路图（ 5）输出到输入级的反馈是从的射级反馈到的射级组成电压串联负反馈的形式方案二该设计采用集成运算放大器（1）本方案采用差分放大电路原理与集成运算放大结合在一起形成电压串联负反馈放大电路（2）反馈元件 RF ，起到反馈作用，将集成运算放大器的输出电压反馈到T2的基级。（3）估算 A 值根据指标的要求， 计算电路闭环放大倍数：AFvovi（4）根据设计要求确定电路电路元件的各种参数方案三方案三为一三级负反馈放大电路，信号

11、从输入级经电容耦合后由第一个共发射极的三极管放大， 并从集电极输出， 经电容耦合后作为下一级的输入信号。 第二级放大电路同样也是从集电极输出信号， 同时形成电流并联负反馈作用与第一级放大电路的输入端。 从第二级放大电路输出的信号经电容耦合后输入第三级共集电极的放大电路， 放大后从发射极经电容耦合后输出。 同时形成电流串联负反馈。 因为基极与集电极，基极与发射间有电阻所以该电路的优点是各级放大电路的静态工作点相互独立， 能很好的稳定电路且输入电阻大， 放大倍数高。缺点是不能放大变化缓慢的信号，输出电阻很可能达不到要求。方案比较在以上三个方案中比较选择一个最终确定方案方案二与方案一比较 : 方案二

12、采用了集成运算放大器 , 与差分放大电路 , 经过数据分析达到指标要求 , 但与方案一相比 , 方案一在实验室更易实现 ( 集成运算放大器不仅价格贵 , 在实验中易损坏 ) ，而方案二缺点是各静态工作点不能相互独立， 不能保证输出稳定。 方案三放大变化缓慢的信号。通过以上比较最终确定采用方案一。五、方案一设计过程1 、确实方案参数（1）确实反馈深度。从所给的指标来看，设计中需要解决的主要是输出电阻、输入电阻及对放大性能稳定的要求等三个问题。 由于要求输出电阻较低， 故输出级采用射级输出器， 但它的输出的电阻大致欧。为几十欧，应此需要引入一定程度的电压负反馈才能达到指标要求。设射级输出器的输出电

13、阻为 100 ，则所需反馈深度为r01001 AF10r0 f10另外，还要考虑输入电阻和放大性能的稳定性对反馈深度的要求，才能最后确定反馈深度的大小。由于放大电路的输入电阻指标为20 k，此数值不是很高，故可以采用电压串联负反馈的方式来实现。假定无反馈时， 基本放大电路的输入电阻为ri 2.5k （第一级可采用局部电流负反馈） ，则所需的反馈深度为rif201 AF8ri2.5最后从放大性能稳定度也可以确定出所需反馈深度为Auo / Auo101 AF10Auf / Auf1综上所述，在设计放大电路时所需反馈深度为10，故取 1+AF=10.（2）估算 A 值。根据指标要求，放大电路的闭环放

14、大倍数应为AfU 01VU i100100mV由此可以求出A(1AF ) Af101001000因输出级才用了射级输入器，其电压放大倍数接近1，故所需用两级共射放大才能达到1000 倍。考虑到仪表对放大电路稳定性能要求较高，故采用典型的两级直接耦合双管放大单元，如图6.43 所示。其中RF1 和 RF 2 不加旁路电容式为了引入局部负反馈以稳定每一级的放大倍数。R1 和 C4 是去耦电路，用以消弱由于电源存在内阻而在VCC 3 出现的电压波动，使它尽可能少传到VCC1 。（3）放大管得的选择。由于VT3需要输出电流的最大值I LM2I L 1.4mA , 为了保证不失真，要求 I E3 2I

15、LM , 因此它的射级电流I E 32 1.4mA3mA ，故选用小功率管3DG100即可，其参数如下：I CM20mA,U (BR ) CEO45V ,PCM100mW 。因前两级放大对管子无特殊要求， 为了统一起见，均采用 3DG 100 。根据以上考虑， 初步电路如原理图所示。 输出级到输入级的负反馈是从 VT3 的射级反馈到VT1 的射级，组成电压串联负反馈的形式。2. 电路参数的计算首先要初步确定出给级的电压放大倍数， 然后才能根据它们来计算出各级的电路参数。 前面已经指出双管放大单元的电压放大倍数应满足Au 1Au 2 1000，那么，如何分配 Au1 及 Au 2 呢？邮电路结构

16、可知，为了使放大电路的输入阻抗高，工作性能稳定， 在第 1 级和第 2 级中都串入了 RF1 和 RF 2 以便实现局部负反馈作用， 因此它们的电压放大倍数都不会很高。各级的电压放大倍数可初步分配为 Au1 30, Au 2 40, Au 3 1，这样总的电压放大倍数 Au 30 40 1 1200 ，略大于 1000（多出的数值是为了留一定的余量）。(1) 输出级的计算。由于输出电压 U 0 1V （有效值），输出电流 I 0 1mA （有效值），故负载电阻RLU O1KI O确定 V CC 和 RE3 。在射级输出器中， 一般根据 RE(1 2) RL 来选择RE ，取系数为 2，则RE

17、32RL2k, RLRE 3 / RL 667在图 6.44 中，取 I C min1mA,U C min1V , 可以求出I E 3I C minU LR12 1RL3.12mA0.667VCC minU C min U LPIE3RE3 11.43.12 2 8.64V 式中， U LP 是输出负载电压峰值。为了留有余量取I E 33.5mA , VCC 12V ; 由此可以求出U E3IE3RE3 3.5 2 7V 。确定RB 31及 RB 32。为了计算 RB 31 及 RB 32 ，首先要求出 U B3 及 I B3 ，由图 6.44 可知， U B3U E3UBE370.7 7.7

18、V。选用350 的管子，则I B 3I C 33.50.07mA70uA503选用 IRB(510)IB30.35 0.7mA , 为了提高本级输入电阻，取0.35mA，则得RB 3UB3 /IRB7.7/ 0.352KRB 32(VCCUB3)/ I RB(12 7.7) / 0.3512.3K取 RB3213K , 由此可以求出输出级对第2级的等效负载电阻约为RL 2ri 3RB32/ RB31 /(13) RL13/ 22/(510.67)6.6K式中忽略了rbe3 的影响。确定 C3 及 C2 。由于有三级电容耦合，根据多级放大器下限截止频率的计算公式f L 1.1 fL21fL22f

19、L23假设没级下限频率相同，则各级的下限频率为fL15Hzf L1.13为了留有余地，忽略第2 级输出电阻（因尚未标出） ，则C2(3 10)1(4.82 16.1) 16 6 F ( 4.82 16.1)uF2f LRL 2因此，可选用 10uF 点解电容器。同理，忽略射级输出器的输出电阻，则C3(3 10)1(31.8 106.2) 16 6 F (31.8 106.2)uF2f LRL因此，可选用 100uF电解电容。(2) 双管放大单元电路的计算；确定第 2 级的电路参数。为了稳定放大倍数，在电路中引入RF 2 ，如图 6.45所示，一般取几欧至几百欧。由于希望这一级的电压放大倍数大些

20、，故取较小（放大单元电路图）的RF 251，由此可以求出这级的电压放大倍数为：Au22 RC22RC2112 RC21rbe2(1 2)RF2rbe212RF 2rbe212RF 2rbe2rbe2选 IE21mA ，且250 ，则U T26rbe2rbb2(12 )I E 2300(50 1)I E 2 1.63K又由于预先规定了 Au240,RF2 51，代入 Au 2 的公式则得4030.6RC 2130.6 0.051由此可以解得 RC 23.35k。再利用 RC 2RC 2 / RL 2 代入 RL 2 6.6k，则6.6RC 23.35RC 26.6由此可以求出 RC26.8k。选

21、 U CE 23V , I C 2 1mA ,则由 VCCI C(RC2RF2RE 2) UCE 2可得121 （6.80.051RE2） 3由此可以求出 RE 22.15k ，取 RE 22.2k 。第 2 级的输入电阻可以计算如下ri 2rbe2(12)RF21.6351 0.0514.23K确定第 1 级的电路参数。电路如图所示。为了提高输入电阻而又不致使放大倍数大抵，应取I E10.5mA ，并选150 ，则rbe1rbb (11)U T300 51262.95kI E 10.5理由同样的原理可以求得Au 11C11 RC11rbe1（11） RF1rbe111）RF1rbe1为了获得

22、高输入电阻，而且希望Au1 也不要太小，并与第2 级的阻值一致以减少元器件的种类，取RF1 51,代入 Au130 ，可得RC13.3K , 再利用 RC1RC1 / ri 2 ，求出 RC115k。为了计算 RE1 , 选 U E11V ,则有IE1(RF1RE1) 1得出RE11RF11I E10.05 1.95K0.5选 RE1 为 2k。为了求RB1 , 可先求I C10.5I B110uA150由此可得RB1UE2UB12.2 1 (1 0.7)I B151K0.01选51K 。为了确定去耦电阻R1 , 需先求出UC1RE2IE2 RF2 UBE 22.95V再利用 UC1 VCCI

23、C1 (R1RC1) , 可求得 R13.1k，取 R1 为 3.3k。为了减少元件种类， C1 选 10uF, CE1 及 CE 2 选用 100uF，均为电解11rbe2RE1电容。有下限频率L 可以验证RB1 / 1RF1RF 2.L,L2(3)反馈元器件 RF 3 及 CF 的计算。由于 1AF10 ，又已知 A1000 。则 F0.9% 。再利用FRFRF RF3可求出 RF35.5k ，选 5.1k 。C4 选用 10uF 电容器，可以验证1R1L C43、核算技术指标确定放大管得静态工作点及电路元件后， 放大电路的各项技术指标是否能满足要求，尚需进行最后的核算。(1) 核算 Au

24、 ：核算射级输出器的电压放大倍数。射级输出器的电压放大倍数可用下式求得Au3（13）RL'3）RL'rbe3 （1式中， RL'RL' RE 3 / RL /( RF 3RF1 )2 / 1/ 5.1 0.59Krbe3 300 (13) 2630051 26679680I E 33.5因此得(150)590Au 3(150)0.978680590核算第 2 级电压放大倍数第 2 级电压放大倍数由用下式求得Au22 RC'22 RC2 / RB31 / RB 32 / ri 3 (12)RF2rbe2(12)RF2rbe2式中， ri 3rbe3 (13

25、 )RL0.68(150)0.5930.7k， rbe2 1.63k。因此可得Au 250(6.7 / 13/ 22/ 30.7)39.11.63(150)0.051核算第 1 级电压放大器放大倍数第 1 级电压放大倍数用下式求得Au11RL'1 (RC1 / ri 2 )1）RF'rbe1（11）RF'rbe1 （111式中， RF'1RF 1 / RF351,re12.96k， ri 24.23k，因此可得Au150(15 / 4.23)29.72.96(150)0.051因此可求出Au Au1 Au 2 Au3 29.7 39.1 0.978 1136 1

26、000这说明放大电路元器件的选择是合适的。(2) 核算输出电阻。放大电路开环时的输入电阻为rR/ reb3(RC 2 / RB 32 / RB 31 )/ R2/ 0.68 (6.8 / 13/ 22) / 5.1 81oE 31F 31503故得ro81rof8.11 AF10因此可满足要求。(3) 核算输入电阻。放大电路开环时的输入电阻为ri RB1 / r i 1式中， ri1rbe1 (11) (RF 1 / RF 3 ) 2.96 (1 50) 0.051 5.56k ，因此可求出闭环时的输入电阻为ri1 fri1(1 AF )5.55 1055.5k因此，总输入电阻为 rifri1

27、 f / RB155.5/ 5126.6k20k ，可满足要求。(4) 核算放大电路是否稳定，可以判断本例电路不会产生震荡以上电路是利用分离元件构成的负反馈放大电路， 当上限截止频率不高时（一般几百千赫一下），也可以利用通用集成运算放大器实现 （如图）。六、实际制板操作 印制电路的设计与制作 按一比一的比例绘出电路图 （宽 80mm、高 70mm）标出尺寸（见附录） 单面敷铜板下料并打磨边框 在敷铜面复制电路。 用钢板尺和木工刀雕刻电路。 在钻场上钻出 ?=0.8mm的通孔。 去氧化层涂助焊剂 元器件的识别与参数的测量及引脚的成形。 元件的装插（首环在左边）。 焊接按五步法焊接1、 烙铁头紧靠焊接头2、 喂锡要饱和3、 侵润一秒4、 去烙铁，整理（ 35 秒）。5、 形成合金。七、 电路的测量与组成：静态调试与设置， 通上 12V电压后分别测量Vcc 的电路，根据数据所示电路VAVBVCVDVE电压（v） 12 左右10.2 左右1 左右1278(1) 、VC 、VC 波形测量加入偏置电流，用测量 Vi , Vo 的波形，用毫伏表测量出 Vi , Vo 的大小，令 Vi 10mV f 1kHz 。(2) 、输入电阻的测量。 在放大器并联 24 欧姆的电阻，频率不变，测出 Ui. 则 RifViRsVs(3)、Rof 的测量。Vi10mV,f不变，测量VO1VOC。,断开R测量