负反馈放大器电路的设计报告.doc

四川天一学院 2012年9月 26日

负反馈放大电路的设计
反馈放大电路的设计一般是根据技术指标的要求来确定放大电路的结构、级数、电路元器件的参数及型号，然后通过实验调试来实现的。
一、 设计任务及要求
用分立元器件设计一个交流放大电路，用于指示仪表中放大弱信号，具体指标如下：
（1） 工作频率：f=30Hz~30KHz。
（2） 信号源：=10mv（有效值），内阻=50
（3） 输出要求：1V（有效值），输出电阻小于10，输出电流1mA（有效值）。
（4） 输入要求：输入电阻大于20K。
（5） 工作稳定性：当电路元器件改变时，若，则。
二、 负反馈放大电路设计的一般原则
1.负反馈方式的选择
采用什么反馈方式，主要根据负载的要求及信号源内阻的情况来考虑。在负载变化的情况下，要求放大电路定压输出时，就需要采用电压负反馈；在负载变情况下，要求放大电路恒流输出时，就要求采用电流负反馈。至于输入端采用串联还是并联方式；主要根据对放大电路输入电阻的要求而定。当要求放大电路具有高的输入电阻时，宜采用串联反馈；当要求放大电路具有低的输入电阻时，宜采用并联反馈。如仅仅为了提高输入电阻，降低输出电阻（即阻抗变换）时，宜采用射极输出器。
反馈深度主要根据放大电路的用途及指标要求而定。
对音频放大电路，主要是用负反馈减小非线性失真，设计时一班取1+AF=10左右。
对测量仪表中使用的放大电路，要求放大倍数要有较高的稳定度，而采用负反馈的目的主要是提高放大倍数的稳定度，因此根据不同的要求可取1+AF为几十至几百。
对高放大倍数宽频带放大电路，采用负反馈的目的主要是展宽频带，这时采用多级放大加深反馈容易产生自激，且在幅频特性的高、低频段易产生凸起的现象。因此首先要保证每一级有足够宽的频带，如在两级之间采用低输入电阻的接法（例如共射一共基的形式）去解决。
2、放大管的选择
如果放大电路的级数多，而输入信号很弱时（微伏级）必须考虑输入级放大管的噪声所产生的影响，为此前置放大级应选用低一些（小），这样可减小噪声；但对输出级而言，因其输出电压和输出电流都较大，故需选用大的管子。
3、级数的选择
放大电路级数可根据无反馈时的放大倍数而定，因此放大倍数又要根据所要求的闭环放大倍数和反馈深度而定，因此设计时首先要根据技术指标确定出它的闭环放大倍数Af及反馈深度1+AF，然后确定所需的Af。
确定了A数值，放大电路的级数大致可用下列原则来确定：几十至百倍左右采用一级或两级几百至千倍左右采用两级或三级，几千倍以上采用三级或四级（射极输出器不计，因其A约为1）。一般情况下很少采用四级以上，因为这将给施加反馈后的补偿工作带来很大的困难，但如反馈只加在每两级之间也是可以的。
4、电路的确定
根据不同的要求，放大电路中各级所选用的电路也是不同的。
（1）输入级。输入级采用什么电路主要决定于信号源的特点。如果信号源不允许取较大的电流，则输入级应具有高的输入电阻，那么以采用射极输出器为宜。如果信号源不允许取较大的电流，则输入级应具有高的输入电阻，那么以采用射极输出器为宜。让一个要求有特别高的输入电阻（〉1M），可采用场效应管，并采用自举电路或多级串联负反馈放大电路。如信号源要求放大电路具有低的输入电阻，则可用电压并联反馈放大电路。如果无特殊要求，可选用一般的共射放大电路。
输入级放大管的静态工作点一般取。
（2）中间级。中间级主要是积累电压及电流放大倍数，多采用共射放大电路，而且选用大的管子。其静态工作点一般为。
（3）输出级。输出级采用什么电路注意决定于负载的要求。如负载电阻较大（几个千欧左右），而且主要是输出电压，则可用共射放大电路；反之，如负载为低阻，且在较大范围内变化时，则用射极输出器。如果负载需要进行阻抗匹配，可用变压器输出。
因输出级的输出电压和输出电流都较大，其静态工作点的选择要比中间级为高，具体数值要视输出电压和输出电流的大小而定。
三、设计过程
1.确定方案
（1）确定反馈深度。从所给的指标来看，设计中需要解决的主要是输出电阻、输入电阻及对放大性能稳定的要求等三个问题。由于要求输出电阻较低，故输出级应采用射级输出器，但它的输出电阻大致为几十欧至几百欧，因此需要引入一定程度的电压负反馈才能达到指标要求。设射级输出器的输出电阻为100，则所需反馈深度为

另外，还要考虑输入电阻和放大性能的稳定性对反馈深度的要求，才能最后确定反馈深度的大小。
由于放大电路的输入电阻指标为20K，此数值不是很高，故可采用电压串联负反馈的方式来实现。假定无反馈，基本放大电路的输入电阻为=2.5K（第一级可采用局部电流负反馈），则所需反馈深度为

最后从放大性能稳定度也可以确定出所需反馈深度为

综上所述，在设计放大电路时所需反馈深度为10，故取1+AF=10。
（2）估算A值。根据指标的要求，放大电路的闭环凡达倍数应为

由此可以求出

因输出级采用了射击输出器，其电压放大倍数近于1，故需用两级共射放大才能达到1000倍。考虑到仪表对主和大电路稳定性能要求较高，故采用典型的两级直接耦合双管放大单元，如图6.43所示。其中Rf1和Rf2不加旁边电容是为了引入局部负反馈以稳定每一级的放大倍数。R1和C4是去耦电路，用以削弱由于电源存在内阻而在Vcc3出面的电压波动，使它发送可能少传到Vcc1.
（2）放大管的选择。由于VT3需要输出设备电流的最大值，为了保证不失真，要求，因此它的射级电流，故选用小功率管3DG100即可，其参数如下：
因前两级放大对管子无特殊要求，为了统一起见，均采用3DG100。
根据以上考虑：
方案一 (如图1所示)

（1） 图中A1,A2,A3为CF351宽带集成运放。引脚功能与uA741相同,即1、5输入失调调节， 2 IN－, 3 IN＋， 4 －VEE， 6 OUT， 7 ＋VCC， 8 增益带积G 、BW:4MHZ
（2）工作原理及分析
Ui1-Ui2=
即 Uo1-Uo2=
输出电压：
U0=-=-
令: R2=800.R=Rf=20K时；R=10K
U0=﹣
=-102Uid
其中，4个5PF的瓷片电容是相位补偿电容，防止电路自激

图1

（3）电路特点
当Ui 1=Ui 2=Ui C 时。UA=UB=Ui c （虚短），R2 中电流为0. Uo 1=UO 2=Ui C 输出电压UO=0.可知电路放大差模信号抑制共模信号。当输入信号中有共模噪声时也将被抑制。
输入阻抗可达1012。输出阻抗﹤1.当电源电压为15V时。最大差模信号输入电压为12V.最大差模输入电压为12V.
当Auf1=51时。BWf1=80KHZ当AUf2=2时。BWf2=2MHZ 两级放大时,BW=0.64min(BWf1,BWf2)=0.64×80≈50KHZ
参考资料：《模拟电子技术基础》
《简明电子元件手册》
《模拟电子技术基础》

方案二

1. 电路原理图（如图2所示）
2. 工作原理：与上述图1三运放仪用放大器相同，不同的是它是制作在一块芯片上的，型号是INA102，后一级是电压跟随器，型号是CF741。

3. 增益设定（如表2-1所示）
表2-1
增益
引脚连接
增益
引脚连接
1
6和7
100
3和6和7
10
2和6和7
1000
4和7,5和6

图2

3、.组成仪用放大器 （如图3所示）
图3
两个1F的电容为去耦电容。Rw为输入级失调调节电位器，将引脚③和⑥和⑦短接。Auf=100，A1为INA102，A2为CF741集成运放，组成电压跟随器。
由于无外接器件，故放大器的放大倍数的稳定性很好
参考资料：童诗白、华成英主编《模拟电子技术基础》第三版。P.368~P.370
方案三：由分立元件组成的负反馈放大器
初步电路如图6.43所示。输出级到输入级的反馈是从 VT3的射级反馈到VT1的射级，组成电压串联负反馈的形式。

工作原理：由三级放大器组成。一、二级采用直接偶合方式，第三级为射随器，由于每级都引入了交（直）流负反馈。工作稳定，放大倍数稳定，经估算性能指标完全达标。（详细分析计算在电路设计中给出。）
综上所述：三方案均满足给定技术指标，但方案三由学校统一采购元器件，同时又能培养我们的动手能力，故选定方案三为本次课程设计终选方案.
2.电路参数的计算
首先要初步确定出各级的电压放大倍数，然后才能根据它们来计算出各级的电路参数。前面已经指出双管方大单元的电压放大倍数应满足AU1AU2≥1000，那么，如何分配Au1及Au2呢？由电路结构可知，为了使放大电路的输入阻抗高，工作性能稳定，在第一级和第二级中都串入了RF1和RF2以便实现局部负反馈作用，因此它们的电压放大倍数都不会很高。各级的电压放大倍数可初步分配为Au2≈30,Au2≈40,Au3≈1，这样总的电压放大倍数Au≈30x40x1=1200，略大于1000（多出的数值是为了留有一定的余量）。
（1）输出级的计算由于输出电压UO =1v（有效值）,输出电流IO=1mA（有效值），故负载电阻
UO/IO=1KΩ
①.确定及Vcc。在射级输出器中，一般根据来选择，取系数为2，则， =667Ω。
在图6.44中，取=1mA，=1v，可以求出
=+（/′)=1+(1)= 3.12mA

=+ += 1+1.4+3.122=8.64V式中，ULP是输出负载的电压峰值。为了留有余量，取=3.5mA,Vcc=12v；由此可以求出=3.52=7V.

②.确定及。为了计算及，首先要求出及，由图6.44可知， ==7+0.7=7.7V。选用=50的管子，则=0.07mA=70A，选用=（5～10）=0.35~0.7mA,为了提高本级输入电阻，取0.35mA，则得
=/=7.7/0.35=2KΩ
=（-）/=(12-7.7)/0.35=12.3KΩ
取=13KΩ，由此可以求出输出级对第二级的等效负载电阻约为
RL2 = =∥∥(1+) =13∥22∥(510.67)6.6KΩ式中忽略了的影响。
③.确定及，由于有三级电容耦合，根据多级放大器下限截止频率的计算公式
fL =1.1
假设每级下限频率相同，则各级的下限频率应为
=Hz
为了留有余地， 忽略第二级的输出电阻（因尚未标出），则
（3～10）（31.8～106.2）（4.82～16.1）
因此，可选用10电解电容器。
同理，忽略射极输出器的输出电阻，则
（3～10）（31.8～106.2）（31.8～106.2）
因此，可选用100的电解电容器。

（2）双管放大单元电路的计算：
①确定第二级的电路参数。为了稳定放大倍数，在电路中引入如图6.45所示，一般取几十欧至几百欧。由于希望这一级的电压放大倍数大些，故取较小的=51Ω，由此可求出这级的电压放大倍数为
==
选=1mA，=50，则

又由于预先规定了{
由此可以解得3.35KΩ。再利用=∥代入=6.6KΩ，
则3.35=选=3V，=1mA,则由Vcc=可得
由此可以得出
第二级的输入电阻可以计算如下

②确定第1级的电路参数。电路如图6.46所示。

为了提高输入电阻而又不致使放大倍数太低，应取05 mA，并选=50，则
=+（1+）=300+（50+1）
利用同样的原则，可得

为了获得高输入电阻，而且希望也不要太小，并与第二级的阻值一致以减少元器件的种类，取，代入，可求得，再利用，求出。
为了计算，选，则有

得出
K
选。为了计算，可先求出

由此可得
K
选51K。
为了确定去耦电阻，需先求出

再利用，取为。
为了减少元器件的种类，选用10，，均为电解电容。由下限频率可以验证，。
（3）反馈元器件。由于，又已知A=1000，则F=。再利用

可求出。
电容器，可以验证
。
3.核算技术指标
确定放大管的静态工作点及电路元器件后，放大电路的各项技术指标是否能满路要求尚需进行最后核算。
（1） 核算：
①核算射级输出器的电压放大倍数。射级输出器的电压放大倍数可用下式求得
式中，

因此得

②核算第2级电主入大倍数
第2 级电压放大倍数用下式求得

式中，，因此可得
③核算第1级电压放大倍数
第1级电压放大倍数用下式求得

式中，，因此可得

因此可以求出
这说明放大电路元器件的选择是合适的。
（2） 核算输出电阻。放大电路开环时的输出电阻为
故得

因此可满足要求。
（3） 核算输入电阻。放大电路开环时的输入电阻为

式中，由此可求出闭环时的输入电阻为
因此，总输入电阻为，可满足要求。
（4）核算放大电路是否稳定的，可以判定本例电路不会产生振荡
以上电路是用分立元器件构成的负反馈放大电路，当上限截止频率不高时（一般几百千赫以下），也可以利用通用集成运算放大器实现。
四、调试要求
负反馈放大电路的PCB转接头发中图6.47反示。

（1） 按书4.4节中图4.3反示连接线路，输入信号源为30Hz～30KHz中频段的某一频率，信号源 Ui=10mV（有效值），测试放大电路输出电压有效值班，并计算机电压放大倍数。
（2） 按书4.4节介绍方法，测试放大电路的输出电阻。
（3） 按书4.4节介绍的方法，测试放大电路的输入电阻。

五、原件清单
所用元器件如下表所示。
序号
器件名称
数量
备注
1
电阻
1

2
电阻
3

3
电阻
2

4
电阻
1

5
电阻
1

6
电阻
1

7
电阻
1

8
电阻
1

9
电阻
1

10
电阻
1

11
电容
4
有极性电解电容
12
电容
3
有极性电解电容
13
3DG100三极管
3
功率小，不失真

六、电路的制作与检测
1、印制电路的设计与制作
①印制电路（80*75）

②制作过程
1、单片负铜板下料
2、打磨边框
3、手工雕刻
4、钻孔
5、去氧化层
6、涂助焊剂
2、元器件的识别与安装
①、识别元件
②、元件分类做好标记
③、按指定的位置装查元件
3、电路的焊接
（1）要求按照以下焊接五步法
1、加热
2、喂锡
3、退锡
4、冷凝（去烙铁）
5、 合金
（各一秒）
（2）质量要求
焊接点大小适中，光亮，圆润；无毛刺，无拖尾，无凹陷，对称以圆锥形散开；杜绝虚焊，漏焊
（3）减去过长的引脚
4、电路的测量
静态测量
①经过反复检查电路装配焊接无误通上12v直流电 静态测量，VA、VB、VC、VD、VE输入下表格
测量点
VA
VB
VC
VD
VE
电位
12
10.5
0.9
2.1
7.4
②动态测量
1、令交流Ui=10mv
fs=1kHZ的正旋波如到输入端用示波器观察Ui，Uo的波形r
2、用示波器测量Ui、Uo
Uip-p=5mv*3=15mV
Uop-p=0.5*3=1.5v
Auf=Uop-p/Uip-p=100
3、ki的测量
在放大器入端加载一个22k的电阻，令Us=20mv测出Ui9(用毫伏表)
Ri=Ui*Rs/Us-Ui=13*22/20-13
4、Ro的测量保持Ui=100mv f=100Hz
测出Uo(用毫伏表测)在断开RL测出Uoc
Ro=（Uoc-Uo）*Rc/Rc=1.01
5、BWf的测量（闭环通频带）保持Ui=10mv不变
① 让fs从1kHZ增加在测出Fh
② 让fs从1kHZ减小在测出FL
BWf=Fh-FL =600KHZ-30HZ
七、电路故障及解决方法
(1）、高频自激震荡:可以在T的集电极和基极之间并接20PF瓷片电容，可消除高频自激。或者在C4换成20PF的铝电解电容也可消除高频自激。
(2）、低频自激震荡：可将反馈信号从C3左端取可消除低频自激震荡，或者将C4换成100uF的铝电解电容。
(3）、同时出现高低频自激震荡：可以在T的集电极和基极之间并接20PF瓷片电容和将反馈信号从C3左端取可以消除高低频自激震荡。或者将C4换成100uF和20PF并联，可以消除高低频自激震荡。

八、心得体会
通过这学期实验，使我学到了不少的实用的知识，更重要的是，做实验的过程，思考问题的方法，这与做其他的实验是通用的，真在使我们受益匪浅。
通过本门课程实验，以下能力得到了较大的提高：
a) 了解常用二极管和三极管的原理和应用,以及练级电路的注意事项及各种测试不同指标的方法；
b) 培养具有综合应用相关知识来解决测试问题的基础理论；
c) 培养在实践中研究问题，分析问题和解决问题的能力。
我们必须坚持理论联系实际的思想，以实践证实理论，从实践中加深对理论知识的理解和掌握。实践是我们快速认识和掌握理论知识的一条重要途径。
我认为，在这学期的实验中，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获的成熟，在次过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其他能力上也有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这时日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。
通过这次的课程设计，我们对模拟电子技术基础这门课有了更深更好的理解。这些知识不仅在课堂上有效，在日常生活中更有着现实的意义，也对自已的动手能力是个很好的锻炼。在设计过程中整个组队的成员都努力的分析课题积极参与讨论。经过层层解剖最终设计出了本实验的原理图再运用各种软件进行绘图与仿真大量运算得到了检测结果。本次课程设计不仅锻炼了我们的动手能力也提高了我们解决问题的能力更明白了知识和团队的力量。更重要的是我们熟悉了常用电子器件的类别、型号、规格、性能以及其使用范围学会了利用Multisim进行仿真。我们能通过查找资料查阅有关的电子器件图书等来帮助完成设计。这次的设计让我们感受到在我们不懂得问题上利用网上和图书馆的资源搜索查找需要的信息以及和同学之间相互讨论、相互交流、积极配合也尤为重要。

九、参考文献
《模拟电子技术基础》童诗白 主编 北京:高等教育出版社

共20页 负反馈放大电路的设计 第19页