多级交流放大器的设计

实验七多级交流放大器的设计一．实验目的1．学习多级交流放大器的设计方法。

2．掌握多级交流放大器的安装、调试与测量方法二．预习要求1．根据教材中介绍的方法，设计一个满足指标要求的多级交流放大器，计算出多级交流放大器中各元件的参数，画出标有元件值的电路图。

2．预习多级交流放大器的调试与测量方法，制定出实验方案，选择实验用的仪器设备。

三．实验原理当需要放大低频范围内的交流信号时，可用集成运算放大器组成具有深度负反馈的交流放大器。

由于交流放大器的级与级之间可以采用电容耦合方式，所以不用考虑运算放大器的失调参数和漂移的影响。

因此，用运算放大器设计的交流放大器具有组装简单、调试方便、工作稳定等优点。

如果需要组成具有较宽频带的交流放大器，应选择宽带集成放大器，并使其处于深度负反馈。

若要得到较高增益的宽带交流放大器，可用两个或两个以上的单级交流放大器级联组成。

在设计小信号多级宽带交流放大器时，输入到前级运算放大器的信号幅值较小，为了减小动态误差，应选择宽带运算放大器，并使它处于深度负反馈。

由于运放的增益带宽积是一个常数，因此，加大负反馈深度，可以降低电压放大倍数，从而达到扩展频带宽度的目的。

由于输入到后级运放的信号幅度较大，因此，后级运放在大信号的条件下工作，这时，影响误差的主要因素是运放的转换速率，运放的转换速率越大，误差越小。

四．设计方法与设计举例1．设计方法与步骤：169170 （1）确定放大器的级数n根据多级放大器的电压放大倍数A u Σ和所选用的每级放大器的放大倍数A ui ，确定多级 放大器的级数n 。

（2）选择电路形式（3）选择集成运算放大器先初步选择一种类型的运放，然后根据所选运放的单位增益带宽BW ，计算出每级放大 器的带宽。

uiHi A BW f = （1） 并按（2）式算出。

121'-=nHi Hi f f （2） 多级放大器的总带宽H f 必须满足： 'Hi H f f ≤ （3）若'Hi H f f >，就不能满足技术指标提出的带宽要求，此时可再选择增益带宽积更高的运放。

一直到多级放大器的总带宽H f 满足（3）式为止。

当所选择的运放满足带宽要求后，对末级放大器所选用的运放，其转换速率R S 必须满足： om R U f S ⋅≥max 2π （4）否则会使输出波形严重失真。

（4）选择供电方式在交流放大器中的运放可以采用单电源供电或正负双电源供电方式。

单电源供电与正 负双电源供电的区别是：单电源供电的电位参考点为负电源端（此时负电源端接地）。

而正负双电源供电的参考电位是总电源的中间值（当正负电源的电压值相等时，参考电位为零）。

（5）计算各电阻值根据交流放大器的输入电阻和对第一级电压放大倍数的要求，先确定出第一级的输入 电阻和负反馈支路的电阻，然后再根据第二级电压放大倍数的要求，确定出第二级的输入电阻和负反馈支路的电阻。

按此顺序，逐渐地把每级的电阻值确定下来。

（6）计算耦合电容当信号源的内阻和运放的输出电阻被忽略时，信号源与输入级之间、级与级之间的耦 合电容可按下式计算。

iL R f C π2)10~1(= （5） 上式中，i R 是耦合电容C 所在级的输入电阻。

类似地输出电容可按下式计算。

LL R f C π2)10~1(=（6） 2．设计举例171要求设计一个交流放大器，性能指标为：中频电压放大倍数：1000=u A输入电阻： Ω=k R i 20通频带：L H f f f -=∆，其中 Hz f L 20≤，kHz f H 10≥最大不失真输出电压：V U om 5=已知负载电阻：Ω=k R L 2设计步骤：（1） 确定放大器的级数n由于所要求的电压放大倍数A u =1000，同相放大器的电压放大倍数在1~100之间，反相 放大器的电压放大倍数在0.1~100之间，因此采用两级就可以满足设计要求。

在本例中放大器的级数选用两级。

（2） 选择电路形式由于同相放大器的输入电阻比较高，在不接同相端平衡电阻R P 时，同相放大器的输入 电阻在10M Ω~100M Ω之间，接了同相端平衡电阻R P 后，输入电阻主要由R P 的值决定。

反相放大器的输入电阻R i =R 1，R 1的取值一般在1k Ω~1M Ω之间，对于所设计的交流放大器，要求输入电阻R i =20k Ω，因此输入级无论采用同相放大器还是反相放大器都能满足要求。

由于交流放大器所要求的最大不失真输出电压U om =5V ，因此最大不失真输出电流： mA A R U I L om om 5.2105.2102533=⨯=⨯==- 对于普通运放，其输出电流一般都在几毫安与十几毫安之间，因此无须采用扩流方式。

根据以上分析，采用图1所f1 f2示两极交流放大电路。

在图1的交流放大电路中，第一级采用同相放大器，选择其电压放大倍数A u1=10第二级采用反相放大器，选择其电压放大倍数A u2=100。

此时，第 图1 两级交流放大电路一级运放工作在小信号情况下，第二级运放工作在大信号的情况下。

（3）选择集成运算放大器第一级交流放大器中，101=u A ，若该级运放选择741A μ，由于其单位增益带宽MHz BW 1=，因此第一级交流放大器的带宽1H f 为：172kHz A BW f u H 1001010105611==== Hz f f n H H 321311'1104.64121010012⨯=-⨯⨯=-=因此H H f f >'1kHz 10≥，故第一级交流放大器采用741A μ型运放，可满足设计要求。

第二级交流放大器中，1002=u A ，若该级运放也选择741A μ，则该级放大器的带宽为：kHz A BW f u H 1010100104622==== Hz f f n H H 321312'21044.612101012⨯=-⨯⨯=-=因此H H f f <'2（其中kHz f H 10≥），若第二级交流放大器采用741A μ，就不能满足设计要求。

若选用LF347（或774A μ），由于LF347的单位增益带宽为4MHz ，转换速率us V S R 13=。

因此第二级的带宽为： kHz A BW f u H 401041001044622=⨯=⨯== Hz f f H H 3213212'2107.2512104012⨯=-⨯⨯=-=因此H H f f >'2，能满足设计的指标要求。

由于第二级运算放大器工作在大信号情况下，因此选择运放时，除了要考虑集成运放的增益带宽积外，还要考虑运放的转换速率R S ，要求所选运放的转换速率R S 满足： om R U f S ⋅≥max 2π将V U om 5=，kHz f 10max =代入上式，可求得s V S R μ314.0≥，对于LF347集成运放，其转换速率us V us VS R 314.013>=，因此满足设计要求。

（4）选择供电方式在本设计课题中采用正负双电源供电方式。

（5）计算电阻值根据性能指标要求，输入电阻Ω=k R i 20，第一级放大器的输入电阻1p R 既是平衡电 阻，也是整个放大器的输入电阻，因此取Ω==k R R i p 201，由 111//R R R f p = 和101111=+=R R A f u ，可得：Ω=k R 221,Ω=k R f 2001.173 对于第二级放大器，100222-=-=R R A f u ，取Ω=k R 102，则Ω=M R f 12，Ω==k R R R f p 10//222，Ω==k R R i 1022。

（6）计算耦合电容对于交流同相放大器，耦合电容：F R f C i L 63110)98.3~398.0(1020202)10~1(2)10~1(-⨯=⨯⨯⨯==ππ 取标称值，得：C 1=1μF第一级放大器与第二级放大器之间的耦合电容：F R f C i L 632210)96.7~796.0(1010202)10~1(2)10~1(-⨯=⨯⨯⨯==ππ 其中，R i2=R 2=10k Ω，电容取标称值，得：C 2=1μF第二级放大器输出端的的耦合电容：F R f C L L 63310)8.39~98.3(102202)10~1(2)10~1(-⨯=⨯⨯⨯==ππ 取标称值，得：C 3=4.7μF四.调试方法1．按图2所示连接第一级交流放大器。

R f1其中，R 2是第一级交流放大器的负载，也是第二级交流放大器的输入电阻R i2，C 2是第一级交流放大器与第二级交流放大器之间的耦合电容。

2．从放大器的输入端输入频率为1kHz ，幅度U im =5mV 的交流信号，用示波器在放大器 图2 第一级交流放大器的输出端测出输出电压的幅值U o1m ，根据U im 图中：R P1=20k Ω，R 1=22k Ω，R f1=200k Ω， 与U o1m 算出该级电压放大倍数A u1。

然后将输 C 1=1μF ，C 2=1μF ，R 2=10k Ω 入信号的频率改为20Hz ，输入信号的幅度保持5mV 不变，测出对应的输出电压U ´o1m ，若U ´o1m =0.707 U o1m ， 说明已达到指标要求，若U ´o1m < 0.707 U o1m ，说明C 1、C 2的值取得太小，此时应先加大C 1 的值，同时观察对应的输出电压U ´o1m ，然后再改变C 2 的值，一直调节到 U ´o1m =0.707 U o1m 为止；若U ´o1m >0.707 U o1m ，说明C 1、C 2的值取得太大，此时应先减小C 1的值，174同时观察对应的输出电压U ´o1m ，然后再改变C 2的值，一直调节到U ´o1m =0.707 U o1m 。

此时第一级放大器就已经调试好了，接着就可以调试第二级放大器。

3．按图3所示连接第二级放大器，在第二 R f2级交流放大器的输入端输入频率为1kHz ，幅度U im =50mV 的交流信号，用示波器在放大器的输出端测出输出电压的幅值U o2m ，根据U im 与U 算出该级电压放大倍数A u2。

然后将输入信号的频率改为20Hz ，输入信号的幅度保持不变，测出对应的输出电压U ´o2m ，若U ´o2m =0.707 U o2m ， 图3 第二级交流放大器 说明已达到指标要求，若U ´o2m < 0.707 U o2m ， 图中：C 2取第一级交流放大器调试后的值， 说明C 2、C 3的值取得太小，此时应先加大C 2 R P2=9.1k Ω,R f2=1M Ω，C 3=4.7μF,R L =2k Ω 的值，同时观察对应的输出电压U ´o2m ，然后再改变C 3的值，一直调节到U ´o2m =0.707U o2m 为止；若U ´o2m >0.707U o2m ，说明C 2、C 3的值取得太大，此时应先减小C 2的值，同时观察对应的输出电压U ´o2m ，然后再改变C 3的值，一直调节到U ´o2m =0.707 U o2m 。