晶体管两级耦合放大电路设计

2013级《模拟电子技术》课程设计说明书

晶体管两级阻容耦合放大电路

院 、 部： 电气与信息工程学院 学生姓名：

学 号： 指导教师： 职称 副教授 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气本1301 完成时间： 2015年6月26日

摘 要

放大器是能把输入信号的电压或功率放大的装置，由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成，在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等装置中都离不开放大器。放大器已经在这个高度发达的社会中，成了我们生活中不可缺少的一部分。

通常放大电路的输入信号是很微弱的，一般为毫伏或微伏数量级，因此应用中经常需要把几个单级放大电路连接起来，使信号逐级得到放大，方可在输出获得必要的电压幅值。由几个单级放大电路连接起来的电路称为多级放大电路，多级放大电路中，每两个单级放大电路之间的连接方式叫耦合，如果耦合电路是采用电阻、电容进行耦合，则叫做“阻容耦合”。

课题设计了一个两级放大电路，为了尽可能保证不失真放大并且兼顾放大电路稳定性的要求，两级放大电路采用阻容耦合方式进行了设计，然后采用Multisim软件对所设计的两级阻容耦合放大电路进行了仿真，仿真结果符合设计要求，然后利用AD软件制出PCD图，再完成实物制作和调试，调试结果表明，所设计的两级阻容耦合放大电路负载增益为62.32，空载增益为71.44，基本达到设计要求。

关键词 ： 晶体管； 放大电路；阻容耦合；通频带；增益

目 录

1 绪论 ...................................................................................................................................... 1

1.1 阻容耦合电路介绍 ...................................................................................................... 1 1.2 设计要求 ...................................................................................................................... 1 1.3 设计目的 .................................................................................... 错误！未定义书签。 2 设计原理及参数设定 .......................................................................................................... 2

2.1电源设计 ....................................................................................................................... 2

2.1.1电源变压器设计 ................................................................................................. 2 2.1.2整流电路设计 ..................................................................................................... 2 2.1.3滤波电路设计 ..................................................................................................... 3 2.1.4 稳压电路设计 .................................................................................................... 4 2.2 放大电路设计 .............................................................................................................. 5

2.2.1 第一级放大电路设计 ........................................................................................ 5 2.2.2第二级放大电路设计 ......................................................................................... 6 2.3设计电路图 ................................................................................................................... 8 3 电路仿真和分析 .................................................................................................................... 9

3.1 通频带研究 .................................................................................................................. 9 3.2 空负载增益测试 .......................................................................................................... 9 4 电路制作与调试 ................................................................................................................ 12

4.1 电路的制作 ................................................................................................................ 12 4.2 电路的调试与分析 .................................................................................................... 12 结束语 ...................................................................................................................................... 14 参考文献 .................................................................................................................................. 15 致 谢 ...................................................................................................................................... 15 附录A PCB图 ...................................................................................................................... 17 附录B 实物图 ...................................................................................................................... 17 附录C 元器件清单 .............................................................................................................. 18

1 绪论

1.1 阻容耦合电路介绍

放大器是能把输入信号的电压或功率放大的装置，由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成，在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等装置中都离不开放大器。放大器已经在这个高度发达的社会中，成了我们生活中不可缺少的一部分。

通常放大电路的输入信号是很微弱的，一般为毫伏或微伏数量级，因此应用中经常需要把几个单级放大电路连接起来，使信号逐级得到放大，方可在输出获得必要的电压幅值。由几个单级放大电路连接起来的电路称为多级放大电路，多级放大电路中，每两个单级放大电路之间的连接方式叫耦合，如果耦合电路是采用电阻、电容进行耦合，则叫做“阻容耦合”。阻容耦合放大电路由于耦合电容的隔直作用，使各级放大电路的静态值可单独调整；多级放大电路的放大倍数是各级放大倍数的乘积。两级阻容耦合放大电路，在尽可能保证不失真放大，同时也保证了放大电路稳定性的要求，在分立元件的放大电路中经常被采用。

1.2 设计要求

1.2.1 基本要求

（1)放大电路有合适的静态工作点；

(2)通频带内，空载时信号电压放大倍数大于70； (3)单电源供给，电压为12VDC； (4)输入电阻接近10kΩ； (5)β值为80~100左右； (6)通频带范围20HZ~20KHZ； 1.2.2 扩展要求

(1)接10kΩ后，信号电压放大倍数维持在60以上； (2)供电直流电源改为采用两节9V电池供电； (3) 最大不失真输出信号VPP2V；

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2 设计原理及参数设定

2.1电源设计

直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。直流稳压电源框图如图1所示：

图1直流稳压电源框图

2.1.1电源变压器

在电容滤波的整流电路中，变压器次级线圈除供给负载电流外，还要向电容充电。由于充电时的电流瞬时值很大，因此通过变压器次级线圈的电流平均值虽然等于I1,但通过变压器次级线圈的有效值I2要比I1大，I2和I1的关系决定于电流脉冲波型的形状，波型愈小，有效值愈大。一般取

I21.1~3I1

I21.5I11.5A

2.1.2整流电路

整流电路的作用是将交流降压电路输出的电压较低的交流电转换成单向脉动性直流电，这就是交流电的整流过程，整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上称单向脉动性直流电压。二极管单相全波整流电路如图2所示。

图2单相全波整流电路原理图

在U2的正半周内，二极管VD1、VD3导通，VD2、VD4截止；U2的负半周内，VD2、VD4导通，VD1、VD3截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方

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向是一致的。电路的输出波形如图3所示。

图3整流电路输出波形图

流过每个二极管的直流电流:

ID1I1500mA 2 有载时的直流输出电压:

UO11.2U2

故变压器次级线圈电压的有效值：

U2UO110V 1.2 在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即电路中的每只二极管承受的最大反向电压为22U(U2是变压器副边电压有效值)。

U反2U221014V

可根据ID和U反值选二极管。可选用整流二极管IN4004（标准整流电流为1A，最大反向工作电压为400V）。 2.1.3滤波电路

滤波电路常用于滤去整流输出电压中的纹波。在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。

选择电容滤波电路，直流输出电压:

UO11.1~1.2U2

3

直流输出电流:

I1I2

1.1~3I2是变压器副边电流的有效值。

RLC(RL为负载阻值)越大，电容器放电越慢，输出电压平均值越大。一般可选放电时间常数RLC大于C的充电周期(3~5)倍.对桥式整流来说,C 的充电周期等于交流电网周期的一半，即：

T110.02S f50Hz

TTRLC4，设计取RLC4

22式中，T为整流电周期，RL为负载电阻 RLU1212 I1T取：RLC42

2T0.04C0.0033FRL12电容耐压VC>2U2=1.414×10=14.14V 2.1.4 稳压电路

前面所讨论的整流滤波电路，都是不能保证输出稳定的直流电压。输出电压不稳定的主要原因有以下几个方面：

（1）由于输入电压不稳定（通常交流电网允许有±10％的波动），而导致整流滤波电路输出直流电压不稳定；

（2）由于整流滤波电路存在内阻，当负载变化时，引起负载电流发生变化，使输出直流电压发生变化；

（3）由于电子元件（特别是导体器件）的参数与温度有关，当环境温度发生变化时，引起电路元件参数发生变化，导致输出电压发生变化；

（4）整流滤波后得到的直流电压中仍然会有少量纹波成份，不能直接供给那些对电源质量要求较高的电路。

所以，为了得到输出稳定的直流电压，经整流滤波后的直流电压必须采取一定的稳压措施才能适合电子设备的需要。

本设计选用固定式三端稳压器，W7812/W7912。其中，78系列输出正电压，79系

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列输出负电压，12代表所能稳定输出的电压值。它们有一系列固定的电压输出，应用非常的广泛。每种类型由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本上不会损坏。如果能够提供足够的散热片，它们就能够提供大于1.5A的输出电流。虽然是按照固定电压值来设定的，但是当接入适当的外部器件后，就能获得各种不同的电压和电流。

2.2 放大电路设计

由于设计要求实际电压增益与输入电阻都比较大（A>60，Ri=10kΩ）,单靠一级放大电路器远远不能满足要求，这就需要将两个或两个以上的基本单元放大电路连结起来组成多级放大电路，使信号逐级放大到所需要的程度且能保证输入电阻也符合设计要求。其中每个基本单元放大电路为多级放大器的一级，级与级之间的联结方式称为耦合方式，两级之间通过耦合电容及下级输入电阻连接称之为阻容耦合。由于电容有隔直作用，使前后级的直流工作点可以单独计算和调整，课题采用两级阻容耦合放大电路来进行设计。

2.2.1 第一级放大电路参数设定

确定第一级的电路参数.第一级放大电路原理图如图2所示。

图4第一级放大电路原理图

静态工作点的设定：取IEQ11mA,VBQ3V,取rbb'300

5

则 rberbb'1262.4K （1）

ReVBQVBEQ2.3K ②

IEQ 取 R4=200Ω，Ri1=RB1ll[rb1+(1+β)R4]=10KΩ ③

Rb1≈3Rb2 ④

Rb2=90kΩ 其中Rb1=R1+R6 Rb2=R2 Re=R2 取标称值Re=2.4KΩ 要求Av1>15

则 Av1-RL1'r15 （其中RL1’=RC1 llRi2） be1(1)R11∴ 可得 RL1’>3.4

又 Rb2R（8R7R9）RRR17K

789 rbe2+(1+β)R11≈25 kΩ

Ri2RB2||rbe21R1110K

为了控制增益不过于大，结合仿真结果取 R11=300Ω

∴ Ri2≈10 kΩ

∴ Rc1>5.2 KΩ 取标称值Rc1=6 KΩ

2.2.2第二级放大电路参数设定

确定第二级的电路参数。第二级放大电路原理图如图2所示.

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⑤

图5第二级放大电路原理图

要求负载电阻RL=10KΩ时，负载增益A'V2RL2r)R4 be(111 ∴ RL2'RC2||RL1.3K

10RC210R=1.3kΩ 8.7RC2>13kΩ RC>1.5 kΩ

C2为了便于调节,取 R2=R8=30KΩ R1=R7=30kΩ R5=R10=2.2kΩ 空载增益 Av2=

RC2r>5 be2(1)R11综合⑥⑧取

RC2=1.6KΩ

静态工作点的设定：调节静态工作点Q2使电路不失真，结合仿真结果 取R7+R9=30+10=40 kΩ

∴

R7R930R=10=4 8303 ∴ VBQ2=12×37=5.1V

∴ IEQ2=5.10.72.5=1.76mA

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⑥ ⑦ ⑧

VCEQ2=12-1.76(1.6+2.5)=4.8V

确定C1-C3：由于有两级电容耦合，根据多级放大器下限截止频率的计算公式

f1.1f2L1f2L2 ⑨

假设每级下限频率相同，则各级的下限频率应为

fL'fL

1.12又因为 fL’=20HZ

所以 C1~3≈(1~10)[1/(2πfL’R L)] ≈1.2~12uF 选取C1~3=10F

2.3实验原理图及其参数

图6 两级阻容耦合放大电路原理图

8

3 实验仿真

3.1 通频带研究

图7低频响应

FL10.173Hz

图8高频响应

FH1.477MHz

3.2 增益测试

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图9增益仿真图（RL）

数据分析：A通道为输入，B通道为输出,RL。由图7可求出电路的空载增益为

满足设计要求

AVUO4.73780.07170 Ui0.05869 10

图10增益仿真图（RL10K）

数据分析：A通道为输入，B通道为输出，RL10K。由图8可求负载增益为

满足设计要求

AVUO4.04869.45760 Ui0.058028

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4 调试与验证

4.1 估算A值

根据指标的要求，放大电路的总体增益应为：

Uo 空载时： A0> >70

UiUo 负载时： AL> >60

Ui4.2调试与分析

图11负载调试波形图

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图12空载调试波形图

图13一二级放大后波形图

数据分析：

Av115.2 负载增益 Av24.1

AvAV1AV262.32

Av115.2 空载增益 Av24.7

AVAV1AV271.44根据数据可知设计符合设计要求。

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结束语

这次课程设计终于结束了，给我留下了深刻的印象，尤其是对未知的探索，对知识的渴求，一步一步地纠正自己的思路。在连接电路中遇到了不少问题，包括原理的理解，实验电路的设计。通过这次课程设计，不断地查找资料，加深理解了专业知识，实现了理论与实践的结合，对放大倍数.负反馈，通频带有了更深一步的认识。同时也让我明白了一个人的力量是渺小的，只有在小组的合作下，才能更好的完成设计，达到设计要求。我明白了基本理论知识与实践设计的差别，好多理论上可行的东西就是调试不出来，这时候就得自己寻找错误，是不是电路连接有错，还是实验设备的问题。通过小组的合作，终于成功完成了此次课程设计，让我明白了课堂上学的知识远远是不够的，理论与实践结合才能发挥最大的效果，同时一个人的力量是渺小的，团队合作的力量远远大于一个人闭门造车。

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参考文献

[1]杨元挺 《电子技术技能训练》 [M] 北京 高等教育出版社 2006 128-131 [2]戴伏生 《基础电子电路设计与实践》 [M]北京 国防工业出版社 2006 47-52 [3]姚福安 《电子电路设计与实践》 [M] 济南 山东科学技术出版社 2007 77-83 [4]梁宗善 《电子技术基础课程设计》 [M]武汉 华中理工大学出版社 2008 48-52 [5]张友汉 《电子技术试验与实训》 [M]北京 高等教育出版社 2008 83-91 [6]康华光

[M]北京 高等教育出版社 2008 101-177 485-513

致 谢

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《模拟电子技术基础》

本小组在设计参数以及仿真时遇到了两个问题，第一个是仿真时同时出现了上限失

真和下限失真，在此很感谢我们的指导老师张松华老师提供的帮助，老师一针见血的指导令本小组钦佩，诚然，老师的帮助是不可或缺的；第二个问题是多级放大电路的通频带设计的问题，在此非常感谢王勇刚老师，王老师不辞辛苦在百忙中抽空帮我们分析了电路，本小组受益匪浅。另外需要感谢给本小组提供建议并教与pcb制作的梁海韵和陈林同学。

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附录A PCB图

直流稳压电源的pcb图

附录B 实物图

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直流稳压电源实物图

实物图

附录C 元器件清单

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表1 元器件清单

编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

器件 三极管 电容 电容 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 电阻 直流电源 交流电源 电位器

型号 2N2222A 10uF 100 uF 200Ω 300Ω 1.6k 2.2k 6k 10k 28.8k 30k 12V 100mV 200KΩ

数量 2 3 2 1 1 1 2 1 1 2 3 1 1 2

标号 Q1 Q2 C1C4

C3 C5

R4 R11 R10 R5 R12 R3 R13 R2 R8 RS R1 R7 V1 Ui R6 R9

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