单管放大器的设计与仿真及误差分析

单管放大器的设计与仿真及误差分析

课程设计报告

题 目： 单管放大器的设计与仿真

学生姓名： 学生学号： 系 别： 专 业： 电子信息工程 届 别： 指导教师：

电气信息工程学院制

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2013年3月

目录

引言……………………………………………………………

1任务与要求…………………………………………………

2系统方案制定………………………………………………

3系统方案设计与实现………………………………………

4系统仿真和调试……………………………………………

5数据分析……………………………………………………

6总结…………………………………………………………

7参考文献……………………………………………………

8附录…………………………………………………………

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单管放大器的设计与仿真

学生: 指导教师：

电气信息工程学院电子信息工程专业

引言：放大现象存在于各种场合中，例如，利用放大镜放大微小的物体，这是光学中的放大；利用杠杆原理用小力移动重物，这是力学中的放大；利用变压器将低电压变换为高电压，这是电学中的放大。而作为电子电路中的放大 晶体管放大器是放大电路的基础【1】，也是模拟电子技术、电工电子技术等课程的经典实验项目，实验内容涉及方面广泛。本文已常见的作为集成运放电路的中间级的共射放大电路为讨论对象，一方面，对具体包括模拟电路的一般设计步骤、单管共射放大电路设计方案的拟定、静态工作点的设置与电路元件参数的选取、放大电路性能指标的测量、稳定静态工作点的措施等做阐述。本文采用的是分压式电流负反馈偏置电路设计成的共发射极放大器，对分压式电流负反馈偏置电路能稳定静态工作点的原理作了说明，并将对晶体管放大器静态工作点的设置与调整方法、放大电路的性能指标与测试方法、放大器的调试技术做阐述。介绍模拟电子电路的一般设计方法和思路，以及Multsim和Matlab软件的一些基本操作和仿真功能。

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1任务与要求 1.1设计的任务：

本文采用的是分压式电流负反馈偏置电路设计成的共发射极放大器，对分压式电流负反馈偏置电路能稳定静态工作点的原理作了说明，并将对晶体管放大器静态工作点的设置与调整方法、放大电路的性能指标与测试方法、放大器的调试技术做阐述。 1.2单管放大器设计的要求：

（1）VCC12V,RL3k,Vi10mA，Rs600

（2）AV40，Ri1kΩ，Ro3k,fL100Hz，fH100kHz

（3）温度特性好；bjt的参数对放大器性能影响小；具有最大不失真动态范围。 1.3单管放大器设计的理论基础： 1）选定电路形式

选定为共射放大电路

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图1.1

2)选用三极管

因设计要求fH100kHz，fH的指标要求较高。一般来说，BJT的fT愈大，Cb'e、

Cb'c愈小，

fH愈高。故选定BJT为2N222，其

ICM600mA ,V(BR)CEO20V,PCM625mW.fT300MHz，ICEO0.01μA,hFE()为60-300。对于小信号电压放大电路，工程上通常要求的数值大于AV的数值，故取=60。

3）设置静态工作点并计算元件参数

由设计要求Ri(Rirbe)>1k,取rbb'=200有rberbb'rb'erbb'26mV26601.95mA,取ICQ2.0mA

Rirbb'1000200VBQVBEQICQ3.70.71.5kΩ，取E24系列2.026mA ICQ(mA)ICQ(mA)取VBQ3.7V，VBEQ0.7V有Re（5%）标称值，Re1.0kΩ 由图3.1有

Rb2VBQI1VBQ(510)ICQ603.7（12~24）kΩ （5~10）2取E34系列标称值，Rb230K

VBQVCCRb2

Rb1Rb2第 4 页

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Rb1Rb2VCCVBQVBQ30(123.7)60KΩ

3.7 取E24系列标称值，Rb157K

rberbb'由R'26mV2620060980

ICQ(mA)2'LRc//RL，有

AVrbeRL400.980.65KΩ

60RLR'L30.65Rc1.14KΩ 'RLRL30.65取E24系列标称值，Rc2KΩ

放大电路的通频带主要受电路中存在的各种电容的影响，fH主要受BJT结电容及电路中分布电容的限制;fL主要受耦合电容Cb1、Cb2及旁路电容Ce的影响。 要严格计算Cb1、Cb2及Ce同时作用对fL的影响，计算较为复杂。通过分析可知，

Cb1、Cb2、Ce愈大，fL愈低，因此，在工程设计中，为了简化计算，通常采用以Cb1或Cb2或Ce单独作用时的转折频率作为基本频率，再降低若干倍作为下限频率的方法，电容Cb1、Cb2、Ce单独作用时对应的等效回路分别如图4.3（a）、（b）、（c）所示。如果设计要求中，fL为已知量，则可按下列表达式估算：

Cb1(310)

1 （a）

2fL(Rsrbe)Cb2(310)

1 （b）

2fL(RcRL)第 5 页

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Ce(13)12fL(ReRsrbe//)1 （c）

一般常取Cb1Cb2，可在式中选用回路电阻较小的一式计算。 由于(Rsrbe)(RcRL)，故取Cb1Cb2，有

Cb1Cb2(3~10)

1(3~10)1(2.6~8.6)F2fL(RSrbe)2100(6001240)取Cb1Cb210F/25V，有

Ce(1~3)12fL(Re//Rsrbe)1(1~3)1(53~159)F60012402100(1600//)160

取Ce100F/25V

2系统方案制定

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提出设拟定电路设定器件电路安装结果测量 指标满电路设计

3单管放大器的系统方案设计： 3.1 Multsim软件介绍

NI Multisim10软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，NI Multisim10 是一个完整的集成化设计环境。multisim10作为著名的电路设计与仿真软件，不需要真实电路环境介入，具有仿真速度快，精确度高，准确，形象等优点【2】。本文利用multisim10软件进行实验仿真，具体对共射放大电路进行了静态工作点仿真分析、动态分析、瞬态特性分析、灵敏度分析、参数扫面分析，可以动态直观地观察不同参数对放大电路性能指标的影响，对理解实验原理，熟悉实验过程具有很大的帮助，了解了multisim10仿真软件的一些基本仿真功能和应用，提高了运用multisim10实际动手进行电路仿真操作的能力。NI Multisim10计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。NI Multisim10软件绝对是电子学教学的首选软件工具

修改电路修改电路是否要修改电第 7 页

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3.2用Multsim软件画电路图的步骤 1. 打开Multsim10运用程序。

2. 点击File下的New,选择Schematic Capture新建一个界面。

3. 在新建界面的右方选择Oscilloscope,用鼠标左键单击，将其移至绘制电路图区合适的位置，再次单击鼠标左键确定。

4. 将鼠标指针移至晶体管器件库图标上，该图标就会变成上凸，并在图标右下方出现该图标的英文名称。在Component区，借助右侧的滑标，找到2N222，并单击将其选中。放置绘图区的合适位置。

5. 在关闭晶体管器件库之后，按照类似的方法，从基本器件库选取所有需要的电阻类元件及电容类元件等等其他所需元件，放置绘图区的合适位置并按照设计理论设置相关参数，再将其基本器件库关闭。

6. 用连线正确的将所有器件连接起来，连接中注意节点的位置。 7. 链接好之后，对其进行仿真，进一步验证电路图绘制的正确性。 8. 后面的电路图画法将依据以上画法进行。 3.3由以上步骤画出如下设计要求的电路图

图3.3.1 实验电路

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3.5按照3.2的要求依次在Multsim的平台上画出图5.3.2，图5.3.4

由图5.3.2所示测量电路测得信号源的峰值为14.107mV，实验放大

电路的输入端信号峰值为8.367mV,如图所示，则实验电路的输入电阻为：

Ri

VipVspVipRS8.36711.46k

14.1078.367

3.3.2（测量输入电阻电路及测量参数）

由图5.3.4所示，断开负载电阻RL后，测得输出电压峰值VOLP,则实验

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电路的输出电阻为：RO(

计指标。

VOLP46511)RL(1)312.4k，略大于设 VOP906.562

3.3.4（测量断开负载电阻ＲL电路及测量参数）

3.4电路工作原理

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3.1电路工作原理

4单管放大器的系统仿真和调试 4.1用Multsim实现仿真和调试的步骤

（1）在3.2中已经完成的3.3.1电路图的界面单击左上角的开关按钮，打开开关，点击鼠标左键双击电路图中的示波器，在弹出的图5.4Oscilloscope—XSC1的图形界面上，分别调节Scale至500us/Div,10mV/Div,500mV/Div。这样就会出现如图5.4所示的仿真图。

（2）按照相同的方法在已完成的图3.3.2和图3.3.3的界面上依次仿真出图5.5和图

5.6。并依次调节

Scale

至

500us/Div,20mV/Div,5mV/Div

和

500us/Div,2mV/Div,2V/Div。

4.2仿真图如下所示

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图5.4（测量VOLP）

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5.5测量（VOP）

5.6（测量输出电阻电路及测量参数）

4.3系统测试与调试

（1） 静态工作点的测试与调整

根据设计，组装后的放大电路，通电前应先用万用表的“”挡检测电源间有无短路现象、电路连接是否正确，然后才可接通电源，检测静态工作点。

为调试方便，Rb1可先用5.1k固定电阻与由1~100k电位器构成的可变电阻串联后替代，待调试完成后，根据实测阻值，再用相应的固定电阻取代。

测量静态工作点，应使vS0,即将放大电路的交流输入端（耦合电容Cb1的左端）对地短路，然后用万用的直表流电压挡分别测量BJT的B、E、C极对地电压VBQ、

VEQ、VCQ。测量的目的，一是查看静态工作点是否合适，是否能保证在Vipp范围内，

BJT都工作在放大状态；二是通过检测，确认电路设计、安装、元器件质量好坏等情况。

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如果出现VCQVCC，说明BJT工作在截止状态；如果出现VCEQ0.5V,说明BJT已经饱和。这时，应调整Rb1的大小，即调整可变电阻（电位器）阻值的大小，同时用万用表监测VBQ、VEQ、VCQ的变化。当工作点偏高（靠近饱和区）时，应增加Rb1的阻值，以减小IBQ；当工作点偏低（靠近截止区）时，应减小Rb1的阻值，以增大IBQ。如果测得VCEQ为正几伏，说明BJT已工作在放大状态。此时可依据VBQ、VEQ、VCQ的数值换算出ICQ,也可通过测量已知电阻Rc和Re两端的电压降，换算出对应的ICQ或

IEQ。一般在检测电路的在线电流时，多用此法，而不采用断开电路串口电流表的测

量方法。虽然测得VCEQ为正几伏的电压，但并不能说明放大电路的静态工作点已设置在合适的位置，还要进行动态测试，以保证在输入信号vi（或vs）的全周期内，BJT都工作在放大状态。

按设计要求，在放大电路的输入端接入vi10mV,fi1kHz的正弦波信号，并用双踪示波器分别监测放大电路输入电压vi的波形和输出端（负载电阻RL两端）的输出电压vo波形，观测vo正弦波波形是否产生了失真。

如果vo的波形顶部产生了削波，说明放大电路的静态工作点偏低，电路产生了截止失真，应调大基本偏流IBQ；如果vo的波形底部被削波，说明放大电路的静态工作点偏高，电路产生了饱和失真，应调小基极偏流IBQ。如果逐渐增大输入信号vi的幅值，输出波形的顶部和底部差不多同时开始产生削波，则说明静态工作点设置得比较合适，这当然是忽略了放大电路静态功耗指标的要求。此时，移去信号源，直接调试，即在忽略BJT饱和压降VCES的情况下，使VCEQ1/2VCC。重新使vi0的情况下，测量VBQ=3.6V、VEQ=2.8V、VCQ=10.2V、则可知VCEQ=7.3V和ICQ=1.8mA，并移去VCC断开连线，测量并记录Rb1=60KΩ，即为所求。 （2）放大电路动态性能指标的检测

A. 电压放大倍数的测量

测量电压放大倍数，实际上是测量放大电路的输入电

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压与输出电压的值。在输入信号的中频段，输出波形不失真情况下，测得Vi（有效值）或Vip（峰值）或Vipp=18.8mV（峰峰值）与Vo（有效值）或Vop（峰值

或Vopp=-895.4mV（峰峰值），则AvVoVopVopp895.4=||=47.6 18.8ViVipVipp 如果是大致估算，用示波器即可完成测量；如果是精确测量，则使用电子交流毫伏表，示波器只是用来监测输出波形的失真情况，如果输出波形产生了失真，Av的检测是没有意义的。

B. 输入电阻的测量

工程上常采用如图（B）所示的串接电阻法来测量放大电路的输入电阻。在信号频率的中频段，给定一正弦波信号，在输出波形不失真的条件下，用电子交流毫伏表或示波器，分别测得Vs与Vi的数值，则

RiVi9.1R=1kΩ=1.82kΩ VsVi14.19.1为减小测量误差，一般采取串接的辅助测量电阻R为与Ri相近似的阻值,取1kΩ。

图（B）

如图（C）所示，在输出波形不失真的情况下，测得断开RL时输出电压VoL的值和接入RL后输出电压Vo的值，则

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Ro(Vo'1.21)RL=(1)3KΩ=956Ω Vo0.91为减小测量误差，一般取RL为与Ro相近的阻值，输入信号为一稳定的中频信号。

图（C）

C.频率特性的测量

放大电路的频率特性可用波特图示仪测得。

放大电路的幅频特性也可以通过测量不同频率信号作用时的电压放大倍数Av来获得。工程上通常采用“逐点法”来测量放大电路的幅频特性。在维持输入信号幅值不变、输出波形不失真的情况下，每改变一次输入信号的频率，即用电子毫伏表或示波器测得一个输出电压值，计算对应的电压放大倍数，然后将测量数据fi、Av（dB）列表，整理并标于坐标纸上，将逐点测量的结果连接成线，即为所求的幅频特性曲线。

如果只需测量放大电路的同频带BW，则只需先测出放大电路中频段（如fo=1kHz）的输出电压Vo，然后分别升高、降低输入信号的频率，直至输出电压降到0.707Vo为止（过程中，应维持输入信号的幅值不变），此时所对应的输入信号的频率即为fH和

fL,则

BW=fH-fL

实际测得Vo=730mV，当电压降至0.707Vo=516mV时，测得fH=3.18MHz和

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fL=65Hz，则

BW=fH-fL≈3.18MHz

C. 动态性能指标调整

对于一个低频放大电路，当然希望电路的稳定性要好，非线性失真要小，电压放大倍数要大、输入阻抗要大、输出阻抗要低、fL要低、fH要高。但这些要求往往很难同时满足。例如，对于图1所示的小信号共射放大电路而言，要提高其电压放大

倍

数

依

式

，

Av=Rc//RLrbe，可知有三径：

RL'(RcRo);rbe(Ri);(rbe)。改变Rc及ICQ会影响放大电路的

静态工作点设计。这样看来，只有提高BJT的，才是提高电路电压放大倍数的有效措施。 5数据分析

表 一 Ｖ（ＣＥＱ）７．２２ （理论值） Ｖ（ＣＥＱ）７．０５ （实测值） 相对误差

２．４％ ３．４％ ７．７％ ５．７ ９．８％ ６．１６ ５．０３ ３．７８ ２．２０ ６．３８ ５．４５ ４．０１ ２．４４ 第 17 页

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结论：由以上分析可以看出，静态工作点的的数据VＣＥＱ的实验值与理论值的误差比较小，实验结果较为理想，说明理论计算所运用的等效模型是正确的。

6设计总结

从课程设计本身来说，它是培养学生综合运用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题、实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。模拟电路的设计确实需要一定的积累经验，一些参数取值是通过先设定的经验值，然后再估算其他参数值，再使用仿真软件对电路仿测试其参数值是否合适，若有偏差还得进行修正，以满足电路的需要，而且有些参数值是可以有一定的浮动，各个参数值之间又相互影响电路的性能，对本设计中调整Re1的阻值，可以提高放大倍数但同时bjt所受温度影响也增加，适当减少放大倍数却可以减少bjt受温度的影响，两者之间的舍取根据实际情况而定。总之通过本次课程设计，不但巩固了以前所学过的模拟电子技术的知识，而且学到了很多在书本上所没学到过的，学会了

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