三极管多级音频放大器

模拟电子电路课程设计设计三极管多级音频放大器一、设计题目设计三极管多级音频放大器。二、设计技术参数要求要求输入阻抗大于20KΩ，电压增益大于400倍，输出阻抗小于200Ω，电源电压15V，输出信号峰峰值不小于8V,非线性失真度小于7%。三、所用设备、仪器及器件1.信号发生器一台，示波器一台，直流稳压电源一台，数字万用表一个，面包板一个。2.9013NPN三极管4个，150KΩ的电阻1个，100KΩ的电阻3个，30KΩ的电阻1个，20KΩ的电阻2个，10KΩ的电阻2个，7.5KΩ的电阻1个，4.7KΩ的电阻1个，3KΩ的电阻1个，1.5KΩ的电阻一个，200Ω的电阻一个，100Ω的电阻3个，22.4uF的电容7个，四、设计电路图五、原理介绍音频放大器实际上就是对比较小的音频信号进行放大。前置放大主要完成对小信号的放大，使用多个三极管对输入的音频小信号的电压进行放大。这个过程可以采用的是三极管组成的共射级放大电路和共基极放大电路，但是为了得到较稳定的静态工作点，我们选择了分压偏置的共射级放大电路，利用基级的偏置电阻的分压来稳定基极电位，从而稳定静态工作点。如上图所示，此为音频放大器的原理图，其中首尾两级为射级跟随器，利用射级跟随器高输入阻抗、低输出阻抗的特点，来实现所要求的20KΩ高输入阻抗，200Ω的低输出阻抗。中间为放大区，因为对放大倍数要求较高，而一级放大最大也就200倍左右，因此一级放大不可能实现，所以选用两级放大来实现400倍的放大倍数。其实可以实现放大的元器件不一定只有三级管组成的放大电路，场效应管也可以代替三级管实现放大，但是由于场效应管的放大倍数较小，一般在10以内，所以对于这样的设计要求，场效应管恐怕很难实现，因此确定用三极管组成的放大电路。六、相关理论介绍多级放大电路相关知识：单级放大电路的放大倍数有时不能满足我们的需要，为此我们需要把若干个基本的放大电路连接起来，组成多级放大电路。多级放大电路之间的连接称为耦合，它的方式由多种。一：多级放大电路的耦合方式实际中我们常用的耦合方式有三种，即阻容耦合、直接耦合和变压器耦合。1.阻容耦合它的连接方法是:通过电容和电阻把前级输出接至下一级输入。它的特点是：各级静态工作点相对独立,便于调整.它的缺点是：不能放大变化缓慢（直流）的信号；不便于集成。如图（1）所示为阻容耦合接法。2.直接耦合为了避免电容对缓慢变化信号的影响，我们直接把两级放大电路接在一起，这就是直接耦合法。它的特点是：即能放大交流信号，也能放大直流信号，便于集成，存在零漂现象。3.变压器耦合变压器耦合主要用于功率放大电路，它的优点是可变化电压和实现阻抗变换，工作点相对独立。缺点是体积大，不能实现集成化，频率特性差。二：多级放大电路的指标计算1.电压放大倍数Au多级放大电路的倍数等于各级放大电路倍数的乘积.即:Au=Au1.Au2.Au3.......Aun2.输入电阻和输出电阻对于多级放大电路来说：输入级的输入电阻就是输入电阻；输出级的输出电阻就是输出电阻。我们在设计放大电路的输入级和输出级时主要是考虑输入电阻和输出电阻的要求分压偏置共射级放大电路相关知识：分压式偏置放大电路是一种应用最为广泛的放大电路，大电路无法稳定静态工作点的缺点。分压式偏置放大电路如图4-4所示，R1为上偏置电阻，R2力下偏置电阻，Rc为负载电阻，Re为发射极电阻。1．电流关系接通电源后，电路中有I1、I2、Ib、Ic、Ie电流产生，各电流的流向如图所示。不难看出，这些电流有以下关系：I2+Ib=IlIb+Ic=IeIc=Ib·β2．电压关系接通电源后，电源为三极管各个极提供电压，+Vcc电源经Re降压后为VT提供集电极电压Ue，+Vcc经R1、R2分压为VT提供基极电压Ub，Ie电流在流经R4时，在R4上得到电压UR4，UR4大小与VT的发射极电压Ue相等。图中的三极管VT处于放大状态，Uc、Ub、Ue三个电压满足以下关系：UcUbUe3．三极管内部两个PN结的状态由于UcUbUe，其中UcUb使VT的集电结处于反偏状态，UbUe使VT的发射结处于正偏状态。4．静态工作点的稳定与固定偏置放大电路相比，分压式偏置放大电路最大的优点是具有稳定静态工作点的功能。分压式偏置放大电路静态工作点稳定过程分析如下。当环境温度上升时，三极管内部的半导体材料导电性增强，VT的Ib、Ic电流增大→流过R的电流Ie增大（Ie=Ib+Ic，Ib、Ic电流增大，Ie就增大）→R4两端的电压UR4增大（UR4=IeR4，R4不变，Ie增大，UR4也就增大）→VT的e极电压Ue上升（Ue=UR4）→VT的发射结两端的电压Ube下降（Ube=Ub-Ue，Ub基本不变，Ue上升，Ube下降）→Ib减小→Ic也减小（Ic=βIb，β不变，Ib减小，Ic也减小）→Ib、Ic减小恢复到正常值，从而稳定了三极管的Ib、Ic电流。七、测试数据分析因为要求输出电压为8V，放大倍数不小于400倍，所以本次课程设计的输入信号采用的是2kHz，峰峰值为20mV的正弦信号。经过对每一级的调试，得到如下数据：第一级第二级第三极第四级VC（V）4.6610.139.514.63VE（V）7.330.732.148.43VCE（V）7.059.417.356.23峰峰值(mV)2060084008400Av130141因为电源电压为15V，为了避免失真，所以每一级都需要调节较为合适的静态工作点，通过调节每一级的Rb，来调节静态工作点的大小。由于输入信号的峰峰值很小，第一级放大后峰峰值也不会超过1V，因此对第一级和第二级的静态工作点要求不是很高。但是经过两级放大之后，信号峰峰值已被放大到8V左右，因此对后两级的静态工作点要求较高，否则将会出现失真。实现放大是由中间两级实现的，而放大倍数的大小是由Rc和Re之间的关系来调节的，Av≈Rc/Re。但这是理论值，而实际中，还要考虑到rbe的影响，因此实际中的放大倍数要小于理论值，因此需要适当的提高Rc或者降低Re。通过测试，第二级的放大倍数为30倍，第三级放大倍数约等于14呗，两级级联之后放大倍数大于400倍，而且最后一级的静态工作点在7V左右，基本不会出现失真，这样，便实现了对信号的放大，并且几乎没有失真。通过测量，在输入端20KΩ后面测得输入端峰峰值为16mV,如果把后面的整个电路等效成一个电阻，则通过分压的方法求出输入阻抗20KΩ/R0=1/4，求得输入阻抗为80KΩ，大于20KΩ，满足设计要求。同理，当负载为100Ω时，测得负载两端信号峰峰值为7V,通过8.4/(7-1)*100，求得输出阻抗R=160Ω,小于200Ω，满足课程设计要求。七、遇到的问题及解决方法介绍问题一：静态工作点随着电路之间的级联有所改变，静态工作点调试起来很困难。解决方案：做设计电路需要很大的耐心。先进行每一级静态工作点的调试，级联之后在对其进行微调。射级跟随器通过调节Rb来调节静态工作点。分压偏置共射级放大电路通过调节Rb1和Rb2来调节静态工作点。这个过程很烦躁而且不停地反复，所以必须要有耐心，花费一些时间和精力来调试，会收获很多经验问题二：放大倍数调节好之后，对输出信号进行采集，第一二三级级联之后都可以采集到信号，但是接到第四级，信号混乱，采集不到。解决方案：在用示波器采集信号时，正极接一个电阻之后再去采集信号，可以得到清楚的信号。八、课程设计心得体会本次课程设计刚开始时，为了找到合适的电路图，在过程中遇到的问题很多都是在书上不能找到的，所以我必须自己查找相关资料，利用图书馆和网络，这是一个比较辛苦和漫长的过程，你必须从无数的信息中分离出对你有用的，然后加以整理，最后才学习到变为自己的并用到设计中的问题去。在实验室调试的过程中出现了不少困难，在同伴们的共同努力下，辛苦的去专研去学习，最终都克服了这些困难，使问题得到了解决。而在本次课程设计中用到了Multisim软件，用来画电路原理图，工作量比较大，我专门在图书馆借了几本书，回到宿舍学习这软件的用法，最终基本完成了课设要求，利用此次课设我熟练掌握了这软件，使我的电路分析和设计能力有了提高。为期四周的模电的课程设计已经结束了，回顾设计的点点滴滴，虽然最终的结果并不是非常完美，但是通过此次课程设计复习了很久没有接触过的模电知识，学会了如何分析电路，查找问题并想办法解决问题，在实验室中的那段实物调试时间，很好的检验了自己理论知识的掌握程度，实际动手操作能力，发现自己存在的问题，并且在自己动手设计，制作电路的过程中也加深对理论知识的理解，更好的掌握了如何将理论的知识应用于实际，同时发现了与仿真中的差别，明白了理论与实际的差别。我相信在此次课程设计中学到的电路设计思想，设计方法，以及处理问题的方法将对我以后的工作学习有积极的作用。