新建 模电课程设计之放大器设计

模拟电子技术课程设计
方法及其原理与具体调试
一．课题名称：放大器的设计
二．设计内容及要求：
要求完成原理设计并通过软件仿真部分：
（1）输入为100mV的正弦信号，负载电阻1KΩ，放大器的性能参数为：增益40dB、输入电阻50Ω、输出电阻≤10Ω、通频带范围300Hz~4000Hz。

（2）输入为0.5mV的正弦信号，负载电阻1KΩ，设计放大器的性能参数为：增益80dB、输入电阻≥200KΩ、输出电阻≤50Ω、通频带范围20Hz~400KHz。

（3）输入为10mV的正弦信号，负载电阻1KΩ，设计放大器的性能参数为：增益60dB、输入电阻10KΩ、输出电阻≤20Ω、通频带范围500Hz~10KHz，要求增益可调，调节步进10dB。

软件仿真部分元器件不限，只要元器件库中有即可，但需要注意合理选取。

三．设计采用的方案评析：
由于晶体三极管放大电路以及场效应管放大电路本身要求较高且比较复杂，电路的参数也难算，而集成运放的电路用一定的生产工艺将晶体管，场效应管，二极管，电阻，电容以及他们之间的连线所组成的整个电路集成在一块半导体基片上，封装在一个管壳内，构成一个完整的具有一定功能的器件。

它具有高放大倍数，高输入电阻，低输出电阻等多方面的优良性能，且其参数比较容易算，所以这次设
计的放大器用的都是集成运算放大器。

四．设计原理：
放大器是应用广泛的基本模拟电路，主要用于小信号的放大，基本性能指标有增益系数、输入电阻、输出电阻、通频带（带宽）等，依据不同的性能要求选用不同的集成运放作为放大器件，不同的集成运放其增益带宽积为不同的常数，输入电阻决定于第一级、输出电阻决定于最后一级。

对于实用的电压放大电路，通常要求其输入电阻大，以减小放大电路从信号源索取的电流，使其获得尽可能的输入电压；输出电阻小，有足够强的带负载能力；电压放大倍数大，即有足够的电压放大能力。

而单管放大电路很难满足上述性能要求。

因此采用多级放大电路。

多级放大电路有多种耦合方式，本设计采用阻容耦合。

另外如果放大级数过多的话会使其通频带变窄，放大电路的级数愈多，频带愈窄，所以尽量不要采用过多级数的放大电路。

五、放大器设计基本电路：
基本正相放大电路如下：
1.0kΩ
该电路的电压增益为Av=R1+R2/R2,且其输入电阻Ri趋向无穷大，输出电阻Ro趋向于零。

基本反相放大电路如下：
该电路的电压增益为Av=R1/R2，且其输入电阻Ri=R2,这个特点可用于要求输入电阻为订值的电路。

仪用放大电路如下：
该电路的电压增益为Av=Av1*Av2=(R1+R2+R3/R1)*(-R6/R4),该电路可大大提升共模抑制比。

带通滤波电路如下：
该电路电阻R1和电容C1组成低通滤波电路，控制fH ，
fH=1/(2*3.14*R1*C1),电容C2和电阻R2组成高通滤波电路，控制
1.0kΩ
¸
fL,fL=1/(2*3.14*R2*C2)。

六、设计原理图：
电路1：
电路2：
电路3：
电路说明：
（1）三个电路都采用阻容耦合的方式决定高低截止频率构成设计要求的通频带。

电路１、２采用电压串联负反馈，反相输入，电路３采用电压并联负反馈，反相输入。

电路一根据要求输入为100mV的正弦信号，负载电阻1KΩ，增益40dB、输入电阻50Ω、输出电阻≤10Ω、通频带范围300Hz~4000Hz 该电路第一级采用反相比例运算电路，控制电路的Ri=50Ω，然后再经两级放大反相和提高放大倍数，使增益达40dB ，输出电阻为很小，根据带宽的要求确定低通电阻R4=5KΩ,高通电阻R10=40 KΩ根据
上面提到的公式可以算出C1的值为10nF，C2的值为10nF。

（2）因为电路2根据要求输入为0.5mV的正弦信号，负载电阻1KΩ，增益80dB即放大10000倍、输入电阻≥200KΩ、输出电阻≤50Ω、通频带范围20Hz~400KHz由于该电路属小信号放大电路，且要求其增益比较高、带宽比较大。

题中的输入信号只有0.5mv，是一个非常小的信号，极易受到外界噪声的干扰，因此在电路的输入端采用op运放组成的差分放大电路，能够有效地抑制共模增益，提高电路的抗干扰能力400KHz。

所以电路第一级采用仪用放大电路，该放大电路可大大提升电路的共模抑制比达到设计要求。

然后再经两级放大反相和提高放大倍数，使增益达80dB ，输出电阻为很小，根据带宽的要求确定低通电阻R5=200Ω,高通电阻R10=2.8KΩ根据上面提到的公式可以算出C1的值为50uF，C2的值为100pF，。

（3）电路3中根据要求输入为10mV的正弦信号，负载电阻1K
Ω，增益60dB、输入电阻10KΩ、输出电阻≤20Ω、通频带范围500Hz~10KHz，要求增益可调，调节步进10dB。

该电路第一级采用反相比例运算电路，控制电路的Ri=50Ω，然后再经三级放大反相和提高放大倍数，输出电阻为很小，根据带宽的要求确定低通电阻R3=2.7KΩ,高通电阻R10=2KΩ根据上面提到的公式可以算出C1的值为100nF，C2的值为10nF。

并且该电路采用一个2端开关J4和一个6端开关J3实现步进10dB。

当J4的19节点导通时，J3依次接节点9，11，14，15实现增益依次为10dB，20dB，30dB，40dB的步进，然后J4换10节点导通J3依次接节点2，17实现增益依次为50dB，60dB，由此可实现增益步进10dB
仿真结果及相关参数测试：
在仿真软件中，连接好原理图及标明相关元器件型号，引入信号源，用示波器观察输出波形，并记录相关参数，若有问题，测认真分析原理图，及时修改。

电路1的仿真结果：
1幅频响应
2、相频响应
3、波形图
实验测得参数：
截止频率点增益：300hz:36.974db 4000hz:36.873db
最大增益值:39.784db.输入电阻Ri= 70.7mv/1.412mA=50.07Ω输出电阻:Ro=(V o/Vl-1)*Rl=(5.766v/5.653v-1)*1000≈20Ω
电路2的仿真结果：
相频响应、幅频响应以及波形图如下所示
实验测得参数：
截止频率点增益：20hz:76.933db，400khz:76.953dB，增益最大值:80.14db
输入电阻Ri=354uV/1.482n A≈239kΩ输出电阻R o＜50Ω共模抑制比KCMR≈84/0.05=1680
电路3的仿真结果
仿真后增益为10dB波形及波特图如下：
增益增加10dB变为20dB波形及波特图如下：
增益增加10dB变为30dB波形及波特图如下：
增益增加10dB变为40dB波形及波特图如下：
增益增加10dB变为50dB波形及波特图如下：
增益增加10dB变为60dB波形及波特图如下：
试验测得参数:
输入电阻: Ri= 7.07mV/706.718n A≈10kΩ
输出电阻：Ro=(V o/Vl-1)*Rl=(510.02nV/502.26nV-1)*1000≈15.45Ω
七、硬件设计及焊接测试（信号发生器）
1、原理图及仿真结果
仿真结果：
2、硬件制作需要的元器件清单
3、焊接最后的电路板为
4、调试
1，最后波形为：
方波
三角波
正弦波
5、硬件测试所得参数（信号发生器）：
频率f范围：min f=56.4399HZ,max f=1.1371KHZ
幅值(峰-峰值)：方波：10.4V 三角波：8.3V 正弦波: 8.56V
八、遇到问题及解决：
故障一：正弦波起振缓慢或不起振。

原因分析：起振条件不满足，反馈电流太小。

排除方法：增大反馈电阻Rf,调节反馈系数。

故障二：正弦波起振后顶部和底部同时失真，产生近似方波的不规
则波形。

原因分析：反馈电流过大。

排除方法：调节反馈系数，减小反馈电阻Rf。

故障三：频率增大时，正弦波和方波幅度不变，三角波幅度明显减小。

原因分析：积分电路的积分时间常数通常是保持不变的，随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度将同时改变。

排除方法：改变积分时间常数的大小。

同步减小C2或者R18，延长积分时间。

故障四：三角波顶部或底部失真。

原因分析：1.方波信号边沿失真。

2.积分电路时间常数选取不当。

排除方法：1.在方波信号输出端增加稳幅电路。

2.改变积分时间常数的大小，或者选择一大电阻（300K 左右）与积分电容C2并联，调节三角波线性度。