多级放大电路电子技术课程设计说明书

多级放大电路电子技术课程 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 说明书 电子技术课程设计说明书 题 目: 系 部: 专 业: 班 级: 学生姓名: 学 号: 指导教师: 2013年 月 日 电子技术课程设计说明书 目 录 摘要 ................................................................... 1 第一章 放大电路 ........................................................ 2 1.1放大的概述的介绍 .................................................. 2 1.1.1放大电路的概念 ................................................ 2 1.1.2放大电路介绍 .................................................. 2 第二章 放大电路 ........................................................ 3 2.1晶体管 ............................................................ 3 2.1.1概述 .......................................................... 3 2.1.2基本结构 ...................................................... 3 2.1.3放大原理 ...................................................... 4 2.2基本放大电路 ...................................................... 5 2.2.1共发射极放大电路 .............................................. 5 2.2.2射极输出器 ................................................... 10 第三章 多级放大电路 ................................................... 12 3.1概述 ............................................................. 12 3.1.1多级放大电路的概述 ........................................... 12 3.1.2多级放大电路的组成及特点 ..................................... 12 3.2常见的几种放大电路 ............................................... 13 3.2.1概述 ......................................................... 13 3.2.2阻容耦合多级放大电路 ......................................... 13 3.2.3变压器耦合多级放大电路 ....................................... 13 3.2.4直接耦合多级放大电路 ......................................... 14 3.2.5光电耦合电路 ................................................. 14 3.3多级放大电路实例 ................................................. 15 总结 .................................................................. 18 参考文献 .............................................................. 19 电子技术课程设计说明书 摘要 【摘要内容】放大电路能够将一个微弱的交流小信号，通过一个装置，得到一个波形相似，但幅值却大很多的交流大信号的输出。实际应用中，放大电路的输入信号都是很微弱的，一般为毫伏级或微伏级。为获得推动负载工作的足够大的电压和功率，需将输入信号放大成千上万倍。由于前述单级放大电路的电压放大倍数通常只有几十倍，所以需要将多个单级放大电路联结起来，组成多级放大电路对输入信号进行连续放大。 【关键词】 放大电路 晶体管 放大原理 多级放大电路 1 电子技术课程设计说明书 第一章 放大电路 1.1放大的概述的介绍 1.1.1放大电路的概念 放大电路能够将一个微弱的交流小信号，通过一个装置，得到一个波形相似，但幅值却大很多的交流大信号的输出。实际的放大电路通常是由信号源、晶体三极管构成的放大器及负载组成。 放大的本质是实现能量的控制，即能量的转换:用能量比较小的输入信号来控制另一个能源，使输出端的负载上得到能量比较大的信号;放大的对象是变化量;放大的特征是功率放大，即负载上总是获得比输入信号大得多的电压或电流，有时兼而有之;放大的前提是信号不失真，即只有在不失真的情况下放大才有意义。 图1.1 基本放大电路 1.1.2放大电路介绍 增加电信号幅度或功率的电子电路。应用放大电路实现放大的装置称为放大器。它的核心是电子有源器件，如电子管、晶体管等。为了实现放大，必须给放大器提供能量。常用的能源是直流电源，但有的放大器也利用高频电源作为泵浦源。放大作用的实质是把电源的能量转移给输出信号。输入信号的作用是控制这种转移，使放大器输出信号的变化重复或反映输入信号的变化。现代电子系统中，电信号的产生、发送、接收、变换和处理，几乎都以放大电路为基础。20世纪初，真空三极管的发明和电信号放大的实现，标志着电子学发展到一个新的阶段。20世纪40年代末晶体管的问世，特别是60年代集成电路的问世，加速了电子放大器以至电子系统小型化和微型化的进程。 2 电子技术课程设计说明书 第二章 放大电路 2.1晶体管 2.1.1概述 半导体三极管也称为晶体三极管，可以说它是电子电路中最重要的器件。它最主要的功能是电流放大和开关作用。三极管顾名思义具有三个电极。二极管是由一个PN结构成的，而三极管由两个PN结构成，共用的一个电极成为三极管的基极(用字母b 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示)。其他的两个电极成为集电极(用字母c表示)和发射极(用字母e表示)。由于不同的组合方式，形成了一种是NPN型的三极管，另一种是PNP型的三极管。 图2.1 三极管 三极管的种类很多，并且不同型号各有不同的用途。三极管大都是塑料封装或金属封装，常见三极管的外观，有一个箭头的电极是发射极，箭头朝外的是NPN型三极管，而箭头朝内的是PNP型。实际上箭头所指的方向是电流的方向。 2.1.2基本结构 三极管的基本结构是两个反向连结的PN结面，可有PNP和NPN两种组合。三个接出来的端点依序称为发射极(emitter,E)、基极(base,B)和集电极(collector,C)。 3 电子技术课程设计说明书 图2.2 三极管的基本结构 2.1.3放大原理 晶体三极管按 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 分有两种:锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。 对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结，而集电区与基区形成的PN结称为集电结，三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。 当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子(电子)及基区的多数载流子(空穴)很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流了。由于基区很薄，加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电极电流Ic，只剩下很少(1-10%)的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给，从而形成了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得:Ie=Ib+Ic，这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即:β1=Ic/Ib 式中:β1--称为直流放大倍数，集电极电流的变化量?Ic与基极电流的变化量?Ib之比为:β= ?Ic/?Ib。式中β--称为交流电流放大倍数，由于低频时β1和β的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，β值约为几十至一百多。三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。 4 电子技术课程设计说明书 2.2基本放大电路 2.2.1共发射极放大电路 共发射极放大电路简称共射电路，其原理电路如图所示。输入端AA′外接需要放大的信号源;输出端BB′外接负载。发射极为输入信号ui和输出信号uo的公共端。公共端通常称为“地”(实际上并非真正接到大地)，其电位为零，是电路中其他各点电位的参考点，用“?”表示。 图2.3 共射极放大电路 1(电路的组成及各元件的作用 (1)三极管VNPN管，具有放大功能，是放大电路的核心。 (2)直流电源VCC使三极管工作在放大状态，VCC一般为几伏到几十伏。 (3)基极偏置电阻Rb它使发射结正向偏置，并向基极提供合适的基极电流(。Rb一般为几十千欧至几百千欧。 (4)集电极负载电阻Rc它将集电极电流的变化转换成集-射极之间电压的变化，以实现电压放大。Rc的值一般为几千欧至几十千欧。 (5)耦合电容C1、C2又称隔直电容，起通交流隔直流的作用。C1、C2一般为几微法至几十微法的电解电容器，在联结电路时，应注意电容器的极性，不能接错。 2(放大电路的静态分析静态是指放大电路没有交流输入信号(ui=0)时的直流工作状态。静态时，电路中只有直流电源VCC作用，三极管各极电流和极间电压都是直流值，电容C1、C2相当于开路。 对放大电路进行静态分析的目的是为了合理设置电路的静态工作点(用Q表示)，即静态时电路中的基极电流IBQ、集电极电流ICQ和集-射间电压UCEQ的值，防止放大电路在放大交流输入信号时产生的非线性失真。 根据直流通路，可求得三极管的静态值IBQ为 5 电子技术课程设计说明书 (2-1) 三极管工作于放大状态时，发射结正偏，这时UBEQ基本不变，对于硅管约为0.7V，锗管约为0.3 V。由于UBEQ一般比VCC小得多，式(2-1)可以写成 (2-2) 例2-1在图2-4所示共射电路中，已知VCC=20V，RC=6.2kΩ，Rb=500kΩ，三极管为3DG100，β=45。试求放大电路的静态工作点。 图2-4 快速熔断器在电路中的不同位置 由此可见，共射放大电路的静态工作点是由基极偏置电阻Rb决定的。因此，通过调节基极偏置电阻Rb可以使放大电路获得一个合适的静态工作点。 3(放大电路的动态分析放大电路在有输入信号时(ui?0)的工作状态称为动态。动态时，在直流电压VCC和输入交流电压信号ui的共同作用下，电路中的电流和电压是由直流分量和交流分量的叠加而成脉动直流信号。 说明:由于放大电路是交、直流共存的电路，因而名称、符号较多。为了便于分析，将放大电路中 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的电流和电压符号列于表2-1。 表2-1 放大电路中电流和电压的符号 6 电子技术课程设计说明书 动态时，为了分析交流信号的传输情况，通常需要先画出交流电流所流经的路径，即交流通路，如图2.5所示。此时，耦合电容C1、C2对交流的容抗很小，因而可视为短路;直流电源的内阻很小，交流通过时的电压降可忽略，因此直流电源也可视为短路。 图2.5 放大电路的交流通路 4(放大电路的性能指标分析电压放大倍数、输入电阻和输出电阻是放大电路的三个主要性能指标，分析这三个指标最常用的方法是微变等效电路法，这是一种在小信号放大条件下，将非线性的三极管放大电路等效为线性电路进行分析的方法。 图2.6三极管交流通路 (1)三极管的微变等效电路按共发射极方式联结的三极管交流通路如图2.6所示。从输入端b、e来看，由于在小信号输入条件下，三极管的输入特性近似为线性，ube和ib成正比，因此b、e间可用电阻rbe来等效;从输出端c、e来看，集电极电流ic=βib，几乎与uce无关，因此可用受控恒流源ic=βib来等效。根据以上分 7 电子技术课程设计说明书 析，可将三极管等效为图2.7所示电路。 图2.7 三极管的微变等效电路 rbe称为三极管的输入电阻，低频小功率管的输入电阻rbe可用下式估算 (2-3) 由式(2-3)可见，rbe与静态工作电流IE有关。当低频小功率管的静态工作电流IC=1~2 mA时，rbe约为1kΩ。 2)共射放大电路的微变等效电路将图2.5所示交流通路中的三极管用微变等效电路替代，得到共射放大电路的微变等效电路如图2.7所示。 3)共射放大电路动态性能指标分析 • 电压放大倍数Au放大倍数是衡量放大电路放大能力的重要指标，由图2.5可知 共射放大电路的电压放大倍数为 (2-4) 式中Au——电压放大倍数; RL′——交流负载等效电阻，RL′=RC// RL-(Ω)。 共射放大电路的电压放大倍数一般较大，通常为几十倍至几百倍。式(2-4)中，负号表示输出电压与输入电压相位相反。 空载时，交流负载等效电阻RL′= RC，因此空载电压放大倍数为 8 电子技术课程设计说明书 (2-5) 由于RC// RL< RC，因此Au< Au0，即放大电路接负载RL后，放大倍数下降。 • 输入电阻Ri输入电阻是从放大电路输入端看进去的等效电阻。输入电阻越大，放大电路的实际输入电压就越接近于所接信号源电压。 根据图2.7所示电路，共射放大电路的输入电阻为 Ri=Rb//rbe (2-6) 通常，Rb为几百千欧，rbe约为1千欧，Rb,,rbe，所以 Ri?rbe (2-7) 可见，共射放大电路的输入电阻Ri较小，一般为几百欧至几千欧。 输出电阻Ro输出电阻是从输出端向放大电路看进去的等效电阻。输出电阻越小，放大电路接上负载后的输出电压下降越小，即放大电路的带负载能力越强。 共射放大电路的输出电阻Ro?RC。由于RC一般为几千欧至几十千欧，因此共射放大电路输出电阻Ro较大，电路的带负载能力也较差。 例2-2在例2-1所示共射放大电路中，已知RL=6kΩ，若输入信号有效值Ui=10mV，则输出电压的幅值有多大, 解由例2-1已求得该电路的静态工作点为 IBQ=40μΑ;ICQ=1.8mΑ;UCEQ=8.8V IE?ICQ=1.8mΑ; 根据式(2-3)得三极管的输入电阻为 电压放大倍数Au为 输出电压的幅值为 5(放大电路非线性失真实践表明，若静态工作点Q设置不当，在放大电路中将会出现输出电压uo和输入电压ui波形不一致的现象，即非线性失真，如图2.8所示。 9 电子技术课程设计说明书 图2.8非线性失真 (1)饱和失真图2.8中，若静态工作点设置在Q1点，则集电极电流ICQ1过大，接近饱和区。当ib1按正弦规律变化时，Q1点进入饱和区，造成iC1的正半周和输出电压uo1的负半周出现平顶畸变。这种由于三极管进入饱和区工作而引起的失真称为饱和失真。通过增大基极偏置电阻Rb，减小IBQ1，可将静态工作点适当下移，以消除饱和失真。 (2)截止失真图2.8中，若静态工作点设置在Q2点，则集电极电流ICQ2太小，接近截止区。由图可见，此时iC2的负半周和输出电压uo2的正半周出现平顶畸变。这种由于三极管进入截止区工作而引起的失真称为截止失真。通过减小基极偏置电阻Rb，增大IBQ2，可将静态工作点适当上移，以消除截止失真。 2.2.2射极输出器 图2.9 射极输出器 10 电子技术课程设计说明书 1(电路结构射极输出器的电路结构如图2.9所示，三极管的集电极直接接电源VCC，发射极接射极电阻Re。对交流信号而言，基极是信号的输入端，发射极是输出端，集电极相当于接地，是输入、输出回路的公共端，故称共集电极放大电路。由于信号从发射极输出，所以又称射极输出器。 2.射极输出器的输出电压与输入电压数值相近、相位相同，即输出信号跟随输入信号的变化，这是射极输出器最显著的特点，因此又称射极跟随器。 此外，射极输出器还具有输入电阻大(可达几十千欧至几百千欧)、输出电阻小(一般为几欧至几百欧)的特点，因而多级放大电路、电子测量仪器以及集成电路中得到广泛的应用。 11 电子技术课程设计说明书 第三章 多级放大电路 3.1概述 3.1.1多级放大电路的概述 实际应用中，放大电路的输入信号都是很微弱的，一般为毫伏级或微伏级。为获得推动负载工作的足够大的电压和功率，需将输入信号放大成千上万倍。由于前述单级放大电路的电压放大倍数通常只有几十倍，所以需要将多个单级放大电路联结起来，组成多级放大电路对输入信号进行连续放大。 多级放大电路中，输入级用于接受输入信号。为使输入信号尽量不受信号源内阻的影响，输入级应具有较高的输入电阻，因而常采用高输入电阻的放大电路，例如射极输出器等。中间电压放大级用于小信号电压放大，要求有较高的电压放大倍数。输出级是大信号功率放大级，用以输出负载需要的功率。 3.1.2多级放大电路的组成及特点 1(多级放大电路的组成多级放大电路的组成框图如图3.1所示。 图3.1 多级放大电路的组成框图 多级放大电路中，输入级用于接受输入信号。为使输入信号尽量不受信号源内阻的影响，输入级应具有较高的输入电阻，因而常采用高输入电阻的放大电路，例如射极输出器等。中间电压放大级用于小信号电压放大，要求有较高的电压放大倍数。输出级是大信号功率放大级，用以输出负载需要的功率。 2(多级放大电路的级间耦合方式及特点在多级放大电路中，级与级之间的联结方式称为耦合。级间耦合时应满足以下要求:各级要有合适的静态工作点;信号能从前级顺利传送到后级;各级技术指标能满足要求。 12 电子技术课程设计说明书 3.2常见的几种放大电路 3.2.1概述 常见的耦合方式有阻容耦合、变压器耦合、直接耦合以及光电耦合等。 3.2.2阻容耦合阻容耦合多级放大电路 阻容耦合阻容耦合多级放大电路如图3.2所示。图中，前级的输出电阻通过电容C2(称为耦合电容)与后级的输入电阻相连，因而称为阻容耦合。 图3.2 阻容耦合 阻容耦合结构简单，价格低廉，在多级分立元件交流放大电路中获得广泛应用。但阻容耦合放大电路不能放大直流和缓变信号，并且集成电路中制造大电容也比较困难，使阻容耦合的应用又具有很大的局限性。 3.2.3变压器耦合多级放大电路 变压器耦合多级放大电路如图3.3所示。图中，前级的输出通过变压器与后级的输入端相连，因而称为变压器耦合。变压器耦合的最大特点是能够进行阻抗变换，实现负载与放大电路之间的阻抗匹配，使负载获得最大功率。 图3.3 变压器耦合 13 电子技术课程设计说明书 由于变压器具有体积大、笨重和频率特性差的缺点，同时也不能放大直流和缓变信号，因此应用较少。 3.2.4直接耦合多级放大电路 直接耦合多级放大电路如图3.4所示。由图可见，前级的输出端直接与后级的输入端相连，因而称为直接耦合。 图3.4 直接耦合 直接耦合的多级放大电路具有良好的频率特性，不但能放大交流，还能放大直流和缓变信号，所以又称“直流放大电路”。但由于前级与后级直接相连，因此需要解决:?静态工作点相互牵制可能导致的多级放大电路无法进行正常线性放大的问题;?零点漂移问题。 所谓零点漂移，是指放大电路的输入电压为零时，在输出端出现的偏离静态值而缓慢、无规则变化的输出电压的现象。造成零点漂移现象的原因很多，但主要是由于三极管参数随温度变化使各级静态工作点变动而导致的，因此又称为温度漂移。显然，在阻容耦合、变压器耦合的放大电路中，这种缓慢变化的漂移电压不会传送到下级放大，但在直接耦合的放大电路中，漂移电压会和有用信号一起直接传送到下一级，经过逐级放大后，在输出端很难区分有用信号和漂移电压，甚至会出现漂移电压“淹没”有用信号的现象，使放大电路无法正常工作。不难想象，多级放大电路的放大倍数越大，零点漂移现象越严重，而且以第一级放大电路产生的零点漂移电压在输出端引起的后果最严重。 由于直接耦合无电容、无变压器，因此在集成电路中得到广泛应用。 3.2.5光电耦合电路 光电耦合电路如图3.5所示。图中，方框内是光电耦合器，它由发光二极管和光电晶体管封装在同一管壳内组成。前级输出信号使发光二极管发光，光电晶体管接受光照后，产生光电流。光电流的大小随输入端信号的增加而增大。光电耦合器以光为 14 电子技术课程设计说明书 媒介，实现电信号从前级向后级传输，它的输入端和输出端在电气上绝缘，具有抗干扰、隔噪声等特点，已得到越来越广泛的应用。 图3.5 光电耦合 3.3多级放大电路实例 例3-1图3.6为三级放大电路。 ， UCC RRRRbcbcR222323b 1 CC ，34， ， ，VVV123 C，2C， 1 R′Rbe31U2o RLRU图2-36ieRR3eb 211C，e，3R Cee22 ,, 图3.6 三级阻容耦合放大电路 已知 UVRkRkRkRk,,,,,,,,,15,150,100,15,100,CCbbbb1222132 'RkRkRkRkRk,,,,,,,,,,22,20,100,750,1,2beeee31123 RkRkRk,,,,,,5,3,1,ccL23 三极管的电流放大倍数均为β=50。试求电路的静态工作点、 电压放大倍数、 输入电阻和输出电阻。 解 图示放大电路, 第一级是射极输出器, 第二、 三级都是具有电流反馈的工作点稳定电路, 均是阻容耦合, 所以各级静态工作点均可单独计算。 15 电子技术课程设计说明书 第一级: UU,14.3CCBEImA,,,0.012 BQ,RR，，，(1)1501020be11 IImA,,，,500.0120.61,CQBQ UUIRV,,,,，,150.61202.8 CEQCCCQe1 第二级: R15b 21UUV,,，,151.96BCC2 10015RR，，bb2122 UUUV,,,1.26EBBE2 U1.26E ImAI,,,,1.48EQCQ'22 RR，0.85ee22 'UUIRRRV,,，，,()6.3 CEQCCCQcee22222 第三级: R22b31 152.7UUV,,，,BCC3RR，，10022 bb3122 UUUV,,,,,2.70.72EBBE33 U2E3ImAI,,,,2 EQCQ33R1e 3 UUIRRV,,，,()7CEQCCCQce3333 电压放大倍数: AAAA,,,uuuu123 第一级: 第一级是射极输出级, 其电压放大倍数 ' (1)，,Re第二级: A,,1u'1rR，，(1),bee21 16 电子技术课程设计说明书 ',,Rc 2A,u'2 (1)rR，，,bee22 '//5//0.960.8RRrk,,,,cci 223 RRRrk,,,,////100//22//0.960.96ibbbe331323 2626 rRk,，，,，，,,(1)300510.96'be,bb32I EQ3 2626(1)300511.2rRk,，，,，，,, 'bebb2,1.48IEQ 2 ,，500.85.13A,,,u 21.2510.1，， 第三级: ' ,,Rc3 A,,u3 rbe3 ' //3//10.75RRRk,,,,ccL33 500.75,， 39.06A,,,u 30.96 15.1339.06200AAAA,,,,，，, uuuu123 输入电阻: 输入电阻即为第一级输入电阻 ' rrRrk,,,,,//150//17881iibi111 '',rrRk,，，,,(1)178 ibee111 'rrRk,,,3.45eei112 ' rrRrRk,，，,,,////[(1)100//15//6.34.17,ibbbee2212222 2626 rrK，，，,，,,(1)300512.48bebb,1 I0.61EQ1 输出电阻: 输出电阻即为第三级的输出电阻 r=r=R=3kΩ ooc33 17 电子技术课程设计说明书 总结 在我们实际应用中，放大电路的输入信号都是很微弱的，一般为毫伏级或微伏级。为获得推动负载工作的足够大的电压和功率，需将输入信号放大成千上万倍。由于前述单级放大电路的电压放大倍数通常只有几十倍，所以需要将多个单级放大电路联结起来，组成多级放大电路对输入信号进行连续放大，这在实际生活中是非常重要的，多级放大电路在电子电路中有着很重要的地位。 但是放大电路也存在着静态工作点相互牵制可能导致的多级放大电路无法进行正常线性放大的问题;零点漂移问题;非线性失真等问题。 18 电子技术课程设计说明书 参考文献 [1]. 秦曾煌.电工学.上册.电工技术——七版.北京:高等教育出版社，2009 [2]. 秦曾煌.电工学.下册.电子技术——七版.北京:高等教育出版社，2009. [3].邱关源.电路.第五版. 北京:高等教育出版社，2006. [4]. 康华光.电子技术基础(模拟部分).第四版.北京:高等教育出版社，1999. [5]. 周淑敏.模拟电子技术实验教程.南京:东南大学出版社，2008. [6].华永平.放大电路测试与设计.北京:机械工业出版社，2010. [7]. 童诗白.模拟电子技术基础.第四版.北京:高等教育出版社，1980. 19 电子技术课程设计说明书 指导教师评语: 成绩: 指导教师签字: 年 月 日 20