模拟电子技术实验 信号放大器的设计 班级： 姓名： 指导老师： 2013年 12 月 10 日至 12 日 信号放大器的设计 - 1 - 1.实验目的 （1）掌握分立或集成运算放大器的工作原理及其应用。 （2）掌握低频小信号放大电路和功放电路的设计方法。 （4）通过实验培养学生的市场素质，工艺素质，自主学习的能力，分析问题解决问题的能力 以及团队精神。 （5）通过实验总结回顾所学的模拟电子技术基础理论和基础实验，掌握低频小信号放大电路 和功放电路的设计方法 2.实验任务和要求 2.1 实验任务 1）已知条件： 信号放大电路由“输入电路”、 “差分放大电路” 、 “两级负反馈放大电路”、 “功率放大器” 、 “扬 声器”几部分构成。 图 2-1 信号放大器的系统框图 2）性能指标： a) 输入信号直接利用RC正弦波振荡电路产生。 b) 前置放大器：输入信号： Uid 10 mV 输入阻抗： Ri 100 k。 c) 功率放大器：最大不失真输出功率：Pomax 1W 负载阻抗： RL= 8；电源电压： + 5 V，+ 12V，- 12V d) 输出功率连续可调 直流输出电压50 mV 信号产生差分放大共射级放大功率放大 负反馈 输出信号 信号放大器的设计 - 2 - 静态电源电流100 mA 2.2 实验要求 1 ）选取单元电路及元件 根据设计要求和已知条件，确定信号产生电路、前置放大电路、功率放大电路的方案， 计算和选取单元电路的原件参数。 2）前置放大电路的组装与调试测量前置放大电路的差模电压增益AU 、共模电压增益AUc、共 模抑制比KCMR 、带宽 BW 、输入电压Ri 等各项技术指标，并与设计要求值进行比较。 3）有源带通滤波器电路的组装与调试 测量有缘带通滤波器电路的差模电压增益AUd 、带通 BW ，并与设计要求进行比较。 4）功率放大电路的组装与调试 功率放大电路的最大不失真输出功率Po,max、电源供给功率PDC 、输出效率、直流输 出电压、静态电源电流等技术指标。 5）整体电路的联调 6）应用 Multisim软件对电路进行仿真分析。 2.3 选用元器件 电容电阻若干、双踪示波器1 个、信号发生器一个、交流毫伏表1 个、数字万 用表等仪器、晶体三极管 2N3906 1 个，2N2222A 5个，2N2222 2 个，2N3904 2 个， 1N3064 1个。 3、实验内容 1、总电路图 （一）实验总体电路图 信号放大器的设计 - 3 - 图 3-1 总体电路图 （二）各部分电路图 1、信号产生电路 直接利用RC正弦波振荡器产生正弦波信号作为输入信号。 信号放大器的设计 - 4 - 图 3-2 RC 正弦波振荡电路图 图 3-3 RC 正弦震荡产生的波形图 仿真数据：F=1kHZ T 1 UB (V) UE (V) UC (V) IC (MA) UO (V) 1.737 1.111 2.335 0.612 0.641 T2 UB V) UE (V) UC (V) IC (MA) 1.364 0.785 4.198 1.554 实测数据：F=0.947kHZ T 1 UB (V) UE (V) UC (V) IC (MA) UO (V) 1.535 0.894 2.837 0.484 2.045 T2 UB V) UE (V) UC (V) IC (MA) 1.356 0.692 5.205 1.02 信号放大器的设计 - 5 - （二）前置放大电路方案： 前置放大电路由两级负反馈放大器、差分放大电路组成。在典型情况下， 有用信号的最大幅度 可能仅有若干毫伏，而共模的噪声高达几伏，所以放大器输入漂移和噪声等因素对于总的精度至关 重要。因此，前置放大电路应该是一个高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移的的小信号放大电路。 1、差动放大器： 差动放大器它对差模信号无负反馈作用，因而不影响差模电压放大倍数，但对共模信号有较 强的负反馈作用，故可以有效地抑制零漂，稳定静态工作点。 1.调节放大器零点 把开关 S1和 S2 闭合， S3 打在最左端，启动仿真，调节滑动变阻器的阻值，使得万用表的数据 为 0（尽量接近0，如果不好调节，可以减小滑动变阻器的Increment 值） ，填表一： 仿真值：Ui= 4.243mv R 串=430K Uo= 14.166 mv AV=3.338 仿真值 S3 在左端 Q1 Q2 R9 C(v) B(v) E(v) C(v) B(v) E(v) U(v) 6.966 -33.954 -0.632 0.000001 -0.064 -0.683 11.317 S3 在第二12 0.000002 -0.160 0.000002 0.000004 -0.176 0.00001 实测值： Ui=10.45mv R 串=430K Uo=0.2326V AV=22.297 测量值 S3 在左端 Q1 Q2 R9 C(v) B(v) E(v) C(v) B(v) E(v) U(v) 5.35 -0.076 -0.741 0.0004 -0.0473 -0.6988 11.229 S3 在第二6.614 -0.064 -0.713 0.0003 -0.0537 -0.7236 0.0001 信号放大器的设计 - 6 - 2、带有电压串联负反馈的两级阻容耦合放大器 1调节信号发生器处（震荡产生的正弦波）的大小，使输出端10 在开环情况下输出不失真。 2 .启动直流工作点分析，记录数据，填入下表 仿真值： 三极管 Q1 三极管 Q2 Vb(v) Vc(v) Ve(v) Vb(v) Vc(v) Ve(v) 2.907 7.092 2.263 3.818 4.452 3.189 有反馈 Ui Uo Av 4.243mv 710.191mv 167.379 无反馈 Ui Uo Av 4.243mv 1.437v 338.675 实测值： 三极管 Q1 三极管 Q2 Vb(v) Vc(v) Ve(v) Vb(v) Vc(v) Ve(v) 2.619 8.006 1.944 1.944 9.945 3.7015 有反馈 Ui Uo Av 3.535mv 127.279mv 36 无反馈 Ui Uo Av 2.121mv 424.264mv 200.03 5.负反馈对失真的改善 1、 在开环情况下适当加大Vi 的大小，使其输出失真，记录波形 信号放大器的设计 - 7 - 2、闭合开关S1，并记录波形 （三）功率放大器电路方案 功率放大器的主要作用是向负荷提供功率，要求输出功率尽可能大，转换效率尽可能高，非线 性失真尽可能小。这里我们采用OTL功率放大电路。电路原理图如下： 信号放大器的设计 - 8 - 1.静态工作点的调整 分别调整 R4和 R1 滑动变阻器器， 使得万用表XMM2 和 XMM3 的数据分别为5-10mA 和 2.5V ， 然后测试各级静态工作点填入下表： 仿真值：Ic1=Ic3= 71.246 mA， Ui=703.78mV Uo= 728.232mV Av=1.034 Q1 Q2 Q3 Ub(v) 0.708 1.891 3.366 Uc(v) 4.872 4.674 5 Ue(v) 0.0262 0 0 实测值：Ic1=Ic3= 107.14 mA ， Ui=0.3225 V Uo=0.3738V Av=1.16 Q1 Q2 Q3 Ub(v) 1.0200 0.0002 4.9690 Uc(v) 0.9608 1.0310 2.3310 Ue(v) 0.2668 1.7350 1.7370 2.最大不失真输出功率理想情况下， L CC OM R U P 2 8 1 ，在实验中可通过测量RL两端的电压有效值， 来求得实际的 L O OM R U P 2 。 仿真值：POM=6.6% 实测值：POM=1.7% 3. 效率 %100 E OM P P ， E P：直流电源供给的平均功率。理想情况下，%5.78。在实验 信号放大器的设计 - 9 - 中，可测量电源供给的平均电流 dC I，从而求得 dCCCE IUP，负载上的交流功率已用上述方 法求出，因而也就可以计算实际效率了。 仿真值 :1.8% 实测值： =0.32% （四）综合测量方案 1、测量系统电路的输入输出电阻以及通频带 测量值：输入电阻 486K 输出电阻 5.67 仿真值：输入电阻 687K 输出电阻 2.92 测量值：通频带219.4HZ239KHZ 仿真值：通频带112HZ210KHZ 2、输入输出波形 该信号放大器的前置电路中包含差分放大电路、两级负反馈放大电路，这些电路可以组成理想 运放，比较理想运放电路中信号同相输入与反相输入输出波形特点。 同相输入输出波形仿真图 同相输入输出波形实物图： 信号放大器的设计 - 10 - 反相输入输出波形仿真图： 反相输入输出波形实物图： 信号放大器的设计 - 11 - （五）实物图 （六）仿真结果 信号放大器的设计 - 12 - 1、输入信号为10mv、500mv、6v 时的输入输出波形图 信号放大器的设计 - 13 - 2、RC 正弦波震荡产生的信号经过放大电路后最终输出波形图 3，仿真测量 信号放大器的设计 - 14 - 4，通频带的测量仿真图 f=204khz 时的输出波形 信号放大器的设计 - 15 - f=210khz 时的输出波形 f=118hz 时的输出波形 f=112hz 时的输出波形 信号放大器的设计 - 16 - 4 实验结果分析 通过比较测量数据与仿真数据，发现实际测量的数据与仿真值误差较大，达到 9.66%。为减小误差， 可以在 RC 正弦波震荡产生电路2N2222 的输出端接入一个 100K 的滑动变阻器，通过调节滑动变阻器，使输出电压维持在2mv 左右。利用振荡器产生 的信号直接作为输入信号时，仿真结果中有些输出波形失真，主要是因为震荡产生的 波形不稳定造成，如果直接使用信号发生器输入信号，则无明显失真。通过测量发现 该信号放大电路的输入电阻很大而输出电阻很小，因此采用理想运放电路可以减小 综上，通过我们组的成员共同努力，本实验设计圆满完成，达到实验要求。 5 设计总结 这次实验内容的自我学习和实验任务的自我实践设计，不但激发了我们自己学习 和理解知识的热情，而且给我们树立起了自觉应用自身的知识理论转化能力的意识。 总结整个实际过程，我们学到了一些东西: 1、在整个实际过程中我们总结的方法是逐层调试的方法。比如在这个设计过程中我们 必须先确保 RC 正弦波震荡电路产生的波形不失真，然后将信号送入差分放大电路、 负反馈放大电路以及功率放大电路逐层调试，确保每一级的不失真。 2、分别对各个模块的功能进行仿真处理，与期望进行对比分析，找出不符合的地方回 到上一步进行参数的调整，使得仿真结果最终符合设计的要求。 信号放大器的设计 - 17 - 3、从大体上对电路图进行进一步优化，使得结构更加清晰明了。 4、对整个过程遇到的问题进行反思考虑总结，以避免下次犯同样的错误。