多級放大電路課程設計報告

1、<p><b>　　電子課程設計報告</b></p><p>　　題 目：多級放大電路 </p><p>　　計算機與信息學院電信專業(yè)</p><p><b>　　2011年7月2日</b></p><p><b>　　摘 要</b></p>&

2、lt;p>　　【摘要內容】在我們日常生活和科學研究等工作中，常常會遇到放大電 路。這些放大電路的形式不通，性能指標也不同，使用的元器件也不相同， 但它們都是用來進行信號的放大，其基本工作原理都是一樣的。在這些放 大電路中，單管放大電路時構成各種復雜電路的基本單元。本文以幾個簡 單的放大電路為例，介紹放大電路的組成原理、工作原理、性能指標及計 算方法。</p><p>　　本著從簡單到復雜的分析思想逐步對電路

3、進行剖析，化整為零，化零 為整分析電路的工作原理和各個放大登記的輸入輸出電阻和靜態(tài)工作點。 通過這次設計的思考和查閱資料我不僅對放大電路有了深一層的認識還對 功率放大器有了更深的學習。通過此次研究加深在放大電路上的理解，使 其在工作學習中運用的更加熟練。 </p><p>　　【關鍵詞】 ：放大電路原理；多級放大電路的概述；運行參數(shù)，放大倍 數(shù)，靜態(tài)工作點，輸入、輸出電阻；</p><p>

4、;<b>　　目錄</b></p><p>　　摘要..................................................................................................................................2</p><p>　　放大電路基礎 ..........

5、.......................................................................................... 3 </p><p>　　1.1 第一種類型的指標：...........................................................................................

6、... ..4</p><p>　　1.2 第二種類型的指標.................................................................................................. ..6</p><p>　　1.3 第三種類型的指標：........................................

7、...................................................... ..6</p><p>　　第二章 基本放大電路 .....................................................................................................7 2.1 BJT 的結構 .............

8、................................................................................................ 7 2. 2 BJT的放大原理 ............................................................................................

9、......... 8 第三章 多級放大電路...................................................................................................... 9 3.1 多級放大電路</p><p>　　總結......................................................

10、................................................................... ...... 14 </p><p>　　參考文獻 ................................................................................................................ .

11、..... 14 </p><p><b>　　放大電路基礎</b></p><p>　　放大的概念和放大電路的基本指標：</p><p>　　“放大” 這個詞很普遍， 在很多場合都會發(fā)現(xiàn)放大的現(xiàn)象的存在。 比如， 利用放大鏡使微小的物體出現(xiàn)較大的形象，這是光學中的放大現(xiàn)象；利用 杠桿能用較小的力移動重物，這是力學的放大現(xiàn)象；等等一些。我們可以

12、 看見它們的一個共同點，它們都是把原物中的差異的程度放大了。因此， 所謂放大就是對差異的程度或變化量而言的。這是我們要注意的第一點。 同時，我們可以發(fā)現(xiàn)，它們之間還存在著一個重要的差別。經(jīng)放大鏡放大 后的影像，其亮度比原來的要弱；利用杠桿得到較大的力，然而物理移動 的距離要比加力點經(jīng)過的距離短?？梢姡@幾種放大現(xiàn)象都是遵守能量守 恒原則。總之，得到了較大的功率。</p><p>　　我們首先要先定性看什么樣的放大

13、電路時比較好的。希望不失真，最 大能輸出多少功率等等。這些都應該是衡量放大電路性能的標準。 </p><p>　　性能指標可以分為 3 種類型：第一種是對應于一個幅值已定、頻率已定 的信號輸入時的性能，這是放大電路的基本性能。第二種是對于幅值不變 而頻率改變的信號輸出時的性能。第三種是對應于頻率不變而幅值改變的 信號輸入時的性能。 </p><p>　　1.1 第一種類型的指標： <

14、/p><p>　　1.放大倍數(shù) 放大倍數(shù)是衡量放大電路放大能力的指標。它定義為輸出變化量的幅 值與輸入變化量的幅值之比，有時也稱為增益。雖然放大電路能實現(xiàn)功率 的放大，然而在很多場合，人們常常只關心某一單項指標的放大的倍數(shù)， 比如電壓或者電流的放大倍數(shù)。由于輸出和輸入信號都有電壓和電流量， 所以存在以下四中比值： </p><p>　　Au=U0/Ui（1-1） </p><

15、;p>　　電流放大倍數(shù)用Aii表示，定義為</p><p>　　Aii= Io/Ii（1-2）</p><p>　　電壓對電流的放大倍數(shù)用Aui表示，定義為 </p><p>　　Aui=Uo/Ii（1-3） </p><p>　　電流對電壓的放大倍數(shù)用Aiu表示，定義為</p><p>　　Aiu=Im/ui（

16、1-4） </p><p>　　需要注意的是，若輸出 波形出現(xiàn)明顯失真，則此值就失去意義了，因此在輸出端要有監(jiān)視失真的 措施（如用示波器觀察波形） 。其他指標也是如此。</p><p><b>　　2.輸入電阻 </b></p><p>　　作為一個放大電路，一定要有信號源來提供輸入信號。例如擴大機就 是利用話筒將聲音轉成電信號提供放大電路的。

17、放大電路與信號源相連， 就要從信號源取電流。取電流的大小表明了放大電路對信號源的影響程度， 所以我們定義一個指標，來衡量放大電路對信號源的影響，叫做輸入阻抗。 當信號頻率不是很高時，輸入電流 與輸入電壓 基本同相，因此通常用輸 入電阻來表示。它定義為： </p><p>　　Ri = Ui/iI（1-5）</p><p>　　放大電路輸入端看進去的等效電阻越 大，表明它從信號源取的電流越小

18、，放大電路輸入端所得到的電壓 越接 近信號電壓 。因此作為測量儀表用的放大電路其 要大。但是對于晶體 管來說， 大則取電流小， 講減低放大倍數(shù)。 所以在需要放大倍數(shù)大而 為 固定值的情況下，晶體管放大電路的 又以小一些為好。 </p><p><b>　　輸出電阻</b></p><p>　　放大電路講信號放大后， 總要送到某裝置區(qū)發(fā)揮作用。 這個裝置我們通常 稱為負

19、載。比如揚聲器就是擴大機的負載。當我們在原來的揚聲器兩端再并聯(lián)一個揚聲器時，它兩端的電壓講要下降，這種現(xiàn)象說明向放大電路的 輸出端看進去有一個等效內阻，通常稱為輸出電阻， 如圖1-1所示。 </p><p>　　通常測定輸出電阻的辦法是輸入端加正弦波實驗信號，測出負載開路 時的輸出電壓 ，再測出接入負載 時的輸出電壓 。</p><p>　　Ro = (U'a/Uo-1)RL （1

20、-6）</p><p>　　輸出電阻越大，表明接入負載后，輸出電壓的幅值下降越多。因此 反映了放大電路帶負載能力的大小。 </p><p>　　1.2 第二種類型的指標： </p><p>　　通頻帶 當只改變輸入信號的頻率時，發(fā)現(xiàn)放大電路的放大倍數(shù)是隨之變化的， 輸出波形的相位也發(fā)生變化。這就需要有一定的指標來反映放大電路對于 不同頻率的信號的適應能力。一般情況下

21、，放大電路只適用于放大一個特 定頻率范圍的信號，當信號頻率太高或太低時，放大倍數(shù)都有大幅度的下 降，如圖 1-2 所示。</p><p>　　當信號頻率升高而使放大倍數(shù)下降為中頻時放大倍數(shù)（記作 ）的 0.7 倍時，這個頻率稱為上限截止頻率，記作 。同樣，使放大倍數(shù)下降為 3 供用電技術專業(yè)實習報告 的 0.7 倍時的低頻信號頻率稱為下線截止頻率， 記作 。 我們將 和 之 間形成的頻帶稱為通頻帶，記作 ，即 &

22、lt;/p><p>　　Fbm = FH-Fl（1-7） </p><p>　　通頻帶越寬，表明放大電路對信號頻率的適應能力越強。對于收錄機、 擴大機來說，通頻帶寬意味著可以將原樂曲中豐富的高、低音都能完美的 播放出來。然而有些情況下則希望頻帶窄，如帶通濾波電路等。 </p><p>　　1.3 第三種類型的指標：</p><p>　　5.最大輸

23、出幅值 最大輸出幅值指的是當輸入信號再增大就會使輸出波形的非線性失真 系數(shù)超過額定數(shù)值（比如 10%）時的輸出幅值。我們以（或）表示。 一般指有效值，也有以封至峰值表示的，二者差倍。</p><p>　　6． 最大輸出功率與效率 </p><p>　　最大輸出幅值是輸出不失真時的單項（電壓和電流）指標。此外還應 該有一個綜合性的指標即最大輸出功率。它是輸出信號基本不失真的情況 下輸出的最大

24、功率。</p><p>　　前面我們說過，輸入信號的功率都是很小的，經(jīng)過放大電路，得到了 較大的功率輸出。這些多出來的能量石由電源提供的，放大電路只不過是 實現(xiàn)了有控制的能量轉換。既然是能量的轉換，就存在轉換效率的問題。 也就是說，不能只看輸出功率的大小，還應該看能量的利用率如何。效率定義為 </p><p>　　η=Pom / Pv（1-8）</p><p>　　

25、式中 為直流電源消耗的功率。 </p><p>　　非線性失真系數(shù) 由于晶體管等器件都具有非線性的特性，所以當輸出幅度大了之后， 有時需要討論它的失真問題。我們在這里定義的非線性失真系數(shù)，是指放 大電路在某一頻率的正弦波輸入信號下，輸出波形的諧波成分總量和基波 成分之比。用 定義為： 表示基波和各種諧波的幅值，則失真系數(shù) D定義為;</p><p><b>　?。?-9）<

26、/b></p><p>　　以上三類指標是以輸入信號的幅值的頻率來劃分的。一般來說，第一 類指標多適用于輸入為低頻小信號時的情況；第二類指標多適用于輸入信 號幅值小但頻率變化范圍寬的情況；第三類指標則多適用于低頻但輸出幅值較大的情況。</p><p>　　第二章 基本放大電路</p><p>　　2.1 BJT 的結構</p><p>

27、　　BJT 的結構示意圖如圖 1-1 所示。其中 1-1（a）所示是 NPN 型管，圖 1-1（b）所示是 PNP 型管，它們是用不同的摻雜方式制成的，不論是硅管 還是鍺管，它們都可制成這連個類型。由圖可見，它們有三個區(qū)，分別是 發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)。由三個區(qū)分別引出一個電極，分別成為發(fā)射集 e、 基極 b 和集電極 c。發(fā)射區(qū)和集電區(qū)之間的 PN 結成為發(fā)射結。集電區(qū)和基 區(qū)之間的 PN 結稱為集電結。</p><

28、p>　　圖 2-1（b）PNP 型三級管 6 供用電技術專業(yè)實習報告 三極管有三個電極，一般的功率管中，管殼兼做集電極；而工作頻率 較高的小功率管除了 e、b、c 電極外，管殼還有引線，供屏蔽接地用。</p><p>　　2.2 BJT 的放大原理 </p><p>　　根據(jù) PN 結無外加電壓的情況下載流子的擴散與漂移處于動態(tài)平衡，流 過 PN 結的電流為零。當外加電壓的極性呈單向

29、導電性。</p><p>　　放大電路分為共發(fā)射極電路、共集電極電路、共基極電路。其內部載 流子的傳輸過程相同。如下圖（1-2）的 NPN 型管。</p><p>　　發(fā)射區(qū)每向基區(qū)注入一個復合用的載流子，就要向集電區(qū)供給β個載 流子，也就是說，BJT 如有一個單位的基極電流，就必然會有β倍的集電極 電流故一般 IC>>IB;它也表示了基極電流對集電極的控制作用， 利用這一性

30、質可以實現(xiàn) BJT 的方的作用。 </p><p>　　BJT 最基本的一種應用，是把微弱的信號放大。若在基極輸入端接入一 個小恩輸入信號電壓，在小電壓的作用下使基極電流產(chǎn)生一個隨小電壓規(guī) 律變化的小電流 。通過基極對集電極電流的控制作用集電極電流也將產(chǎn)生 相應的變化，產(chǎn)生大電流 。這種以較小的輸入電流變化控制較大輸出電流 變化的作用就是 BJT 的電流放大作用。放大系數(shù)為β。</p><p&

31、gt;<b>　　β=ΔIB/ΔIc</b></p><p>　　第三章 多級放大電路</p><p>　　3.1 多級放大電路的概述 </p><p>　　由于單級放大電路的放大倍數(shù)有限，不能滿足實際的需要，因此實用 的放大電路都是由多級組成的。通?？煞譃閮纱蟛糠?，即電壓放大(小信號 放大)和功率放大(大信號放大)，如圖（2-1）框圖所示。前

32、置級一般跟據(jù) 信號源是電壓源還是電流源來選定，它與中間級主要的作用是放大信號電 壓。中間級一般都用共發(fā)射極電路或組合電路組成。末級要求有一定的輸 出功率供給負載 RL，稱為功率放大器，一般由共集電極電路，或互補推挽 電路，有時也用變壓器耦合放大電路。</p><p>　　多級放大電路的放大倍數(shù)：</p><p><b>　　3.2 耦合形式 </b></p>

33、;<p>　　多級放大電路的連接，產(chǎn)生了單元電路間的級聯(lián)問題，即耦合問題。 放大電路的級間耦合必須要保證信號的傳輸，且保證各級的靜態(tài)工作點正確。 </p><p>　　直接耦合——耦合電路采用直接連接或電阻連接，不采用電抗性元件。 直接耦合電路可傳輸?shù)皖l甚至直流信號，因而緩慢變化的漂移信號也可以 通過直接耦合放大電路。</p><p>　　電抗性元件耦合——級間采用電容或變壓

34、器耦合。電抗性元件耦合， 只能傳輸交流信號，漂移信號和低頻信號不能通過。</p><p>　　根據(jù)輸入信號的性質，就可決定級間耦合電路的形式。 耦合電路的簡化形式如圖 (3-2)所示。</p><p>　　直接耦合或電阻耦合使各放大級的工作點互相影響，應認真加以解決。</p><p>　　3.2.1 直接耦合放大電路的構成</p><p>　

35、　直接耦合或電阻耦合使各放大級的工作點互相影響，這是構成直接耦 合多級放大電路時必須要加以解決的問題。 在模擬集成電路中常采用一種電流源電平移動電路，如圖（3-3）小，通過 R1 上的壓降可實現(xiàn)直流電平移動。但電流源交流電阻大，在 R1 上的信號損 失相對較小，從而保證信號的有效傳遞。同時，輸出端的直流電平并不高， 實現(xiàn)了直流電平的合理移動。</p><p>　　用一個三極管組成的基本放大電路的 Av 一般可達幾

36、十倍，但實際工作 中為放大非常微弱的信號，這樣的放大倍數(shù)往往不夠，為達到更高的放大 9 供用電技術專業(yè)實習報告 倍數(shù)，常將幾個基本放大電路連接起來，組成多級放大電路。</p><p>　　多級放大電路內部各級間的連接方式稱為耦合方式。 </p><p>　　計算方法有兩種：一種方法是計算前級電壓放大倍數(shù) Av(n-1)時，將后 級的輸入電阻 Rin 作為前級的負載電阻，即 Rin=RL(n

37、-1)，計算后級時不考 慮前級的影響，即只計算后級的電壓放大倍數(shù)；另一種方法是計算前級電 壓放大倍數(shù)時，不考慮后級的影響，即認為前級的負載電阻 R(n-1)L=∞， 但后級必須計算源電壓放大倍數(shù)， 即將前級的輸出電阻 Ro(n-1)作為后級的 信號源內阻，即 Ro(n-1)=Rsn。兩種計算方法是等價的，也是相互獨立的。 </p><p>　　多級放大電路的輸入電阻為第一級的輸入電阻，即 Ri=Ri1；輸出電阻

38、為最后一級的輸出電阻，即 Ro=Ron 。</p><p>　　3.3 放大電路的靜態(tài)工作點分析</p><p>　　當輸入信號為零時 放大電路只有直流電源作用，各處的電壓和電流都 是直流量，成為靜態(tài)。這時三極管各級電流和各級之間的電壓分別用 IB 和 I?C 和 UBC、UCE 表示，它們代表輸入、輸出特性曲線上的一個點，所以習 慣上稱為靜態(tài)工作點。靜態(tài)工作點可以由放大電路的直流通路采用

39、估算法 球的，也可以由圖解法確定。估算法是根基、u 實際情況，突出主要矛盾、 忽略次要因素的一種分析方法。</p><p>　　首先畫出放大電路的直流通路。 由于電容對于直流相當于開路， 故放大電 路直流通路如圖（3-5）所示。</p><p>　　則 Vcc = IRRR + URE</p><p>　　= vcc-UBE)/RR</p><p

40、>　　式中 UBE，對于硅管約為 0.7V，鍺管約為 0.2V。由于一般 , （3.2）可近似為</p><p>　　IB ≈ VCC/ RB 在忽略 ICEO 的情況下，根據(jù) BJT 的電流分配關系可得</p><p>　　I C ≈ βI B 最后，可由圖（3－5）的輸出回路可知</p><p>　　U CE = VCC - I C* RC （3.2）&l

41、t;/p><p>　　至此，根據(jù)上式就可以估算出放大電路的靜態(tài)工作點。</p><p>　　3.4 設計電路的工作原理</p><p>　　如圖（3-6）所示，電路的一級放大電路是一個阻容耦合的單管共射放 大電路，它由信號源、直流電源、BJT、電阻、電容等元件組成。</p><p>　　T 是 NPN 型管，起放大作用，是一級放大的核心。VCC

42、是直流電源，為 發(fā)射結提供正向偏置電壓，為集電結提供反向偏執(zhí)電壓，也是信號放大的 能源 Rb1 是基極偏置電阻，它和電源一起為基極提供一個合適的基極電流 IB,以保證 BJT 不失真的放大。</p><p>　　第二級放大部分為共基極放大電路，從它的交流通路可見，發(fā)射極是 輸入端，集電極是輸出端，而基極是輸入、輸出回路的公共端。其特點是 電流放大倍數(shù)小于 1 而接近 1，但電流放大倍數(shù)大，仍具有功率放大作用； 輸

43、出高壓與輸入電壓相位相同；輸入電阻小，輸出電阻較大，其允許的工 作頻率較高，高頻特性較好，用于高頻電子電路中。 </p><p>　　第三級放大部分為共集電極放大電路，其特點是輸入電阻大，輸出電 阻??；電壓放大倍數(shù)小于 1 而接近于 1；輸出電壓與輸入電壓相位相同。沒 有電壓放大作用，但有電流和功率放大作用。共集電極放大電路可做多級 放大電路的輸入級，可使輸入到放大電路的信號電壓基本上等于信號源電 壓；還可以做多

44、級放大電路的輸出級，可獲得穩(wěn)定的輸出電壓提高放大電 路的的帶負載能力，將其接在兩級放大電路之間，利用其輸入電阻大，輸 出電阻小的特點，在兩級放大電路中間起緩沖作用。</p><p><b>　　3.5 計算參數(shù) </b></p><p>　　一級放大電路的靜態(tài)工作點 ：</p><p>　　U B = VCC*( Rb12 /(Rb1 + Rb

45、12)) ； U B = 18V *(12 K/( 60 K + 12 K)) ；</p><p>　　UB = 3V </p><p>　　IB = IC ≈ I E = VCC（ Rb1 + Rb12 ） ； IB = 0.25uΑ </p><p>　　IC ≈ IE = UB-UBE</p><

46、p>　　I C ≈ I E =(3V-0.3V) /4.6K</p><p>　　IC ≈ IE =0.6uA</p><p>　　U CE ≈ Vcc - Ic(Rc1+Re2)</p><p>　　U CE ≈ 118v-(12k+16k)</p><p><b>　　.U CE =4V</b></p&

47、gt;<p>　　β= IC/ IB ； </p><p>　　β= 0.6 uΑ /0.25uA=2.4</p><p>　　電壓放大倍數(shù)： =-β = RL’/rbe (RL’=RC1 //RE2 ) </p><p>　　Au = -2.4(3k/60k) </p><p>　　輸入電阻 Ri:

48、 R i = 0.43 K </p><p>　　輸出電阻 Ro: Ro≈ =12k </p><p>　　二級放大電路的靜態(tài)工作點 ：</p><p>　　U B = VCC*( Rb 22 /Rb21+Rb22)</p><p>　　U B =18V *( 9.4 K/（26.6 K + 9.4 K ）</p><

49、p>　　U B = 4.8 V </p><p>　　IB = VCC* （Rb 21 + Rb 22）; IB =18V/（ 26.4 K + 9.4 K ）</p><p>　　I B = 0.5uΑ</p><p>　　IC ≈ I E = U B / U BE /R2</p><p>　　IC ≈ I E = (4.8V -0

50、.3V)/4K</p><p>　　I C ≈ I E = 1.2 uΑ </p><p>　　U CE ≈ VCC-I C (RC 2 + R E 2 ) ;</p><p>　　U CE ≈ 18V - I C (6 K + 4 K ) </p><p>　　U CE ≈ 6V </p><p>　　β= IC/

51、IB ;β = =1.2 uΑ/ 0.5uΑ=2 .4 </p><p>　　電壓放大倍數(shù): Au= - β = Au= RL’/rbe= 2.4 (RL’=RC1 //RE2 ) </p><p>　　Au=-2.4(3k/60k) 3K =-0.12 </p><p>　　輸入電阻 Ri: R i = R b1 // Ri = 0.28 K </p

52、><p>　　輸出電阻 Ro: Ro ≈ Rc1 Ro ≈ Rc1=6k </p><p>　　三級放大電路的靜態(tài)工作點 ：</p><p>　　IB = (VCC - U BE) / (Rb+(1 + β )Re) BIb = 0.026 × 10^-3 </p><p>　　I C = β I B ; I C = 1.3uΑ

53、 </p><p>　　I C ≈ I E = 1.2 uΑ</p><p>　　U CE ≈ VCC - I C *I e ; U CE ≈ 18V - 1.3 × 4</p><p>　　U CE ≈ 12.8V </p><p>　　輸入電阻 Ri : R i = R b1 //[ rbe + (1 + β )R `] <

54、;/p><p>　　Ri =461k//(1.32+510.25)</p><p><b>　　Ri=0.07k</b></p><p>　　輸出電阻 Ro: Ro=Re // ((rbe + RL` )/(1+ β ))=14.5 k </p><p><b>　　總結： </b></p>

55、<p>　　本次設計主要分析多級放大電路。從單級放大電路入手，先分析單獨 的ＢＪＴ的放大原理，再分析了三種不同種類的放大電路。本次的主要電 路就是由三種不同的放大電路的耦合電路。本著從簡單到復雜的分析思想 逐步對電路進行剖析，化整為零，化零為整分析電路的工作原理和各個放 大登記的輸入輸出電阻和靜態(tài)工作點。通過這次設計的思考和查閱資料我 不僅對放大電路有了深一層的認識還對功率放大器有了更深的學習。</p>&l

56、t;p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1].周良權，李世新等編著. 模擬電子計時基 2005 版.高等教育出版社</p><p>　　[2].黑田徹編著.晶體管電路設計與制作 2006 版 .科學出版社 </p><p>　　[3].石生編著.電路基礎分析 2006 版. 高等教育出版社</p>&l

57、t;p>　　[4].康華光.電子技術基礎（模擬部分）.第四版.北京：高等教育出版社，</p><p>　　1999 [5].童詩白.模擬電子技術基礎.第二版.北京：高等教育出版社，</p><p>　　1988 [6].清華大學教研組.模擬電子技術基礎簡明教程.北京：高等教育出版社，</p><p>　　1988 [7].黃義源.電子技術.長沙：湖南大學出版社