大学的多级放大电路，你交给老师了吗？

第一章设计任务

1.1项目名称：设计三极管多级音频放大电路

本项目的主要内容是设计并实现三极管多级音频放大功能。该电路将所学习的三极管基本放大电路与功率放大电路有机结合。

1.2项目设计说明

（1）设计任务和要求

使用常见的小功率三极管设计一个三极管多级音频放大电路，要求信号源内阻为20kΩ，电压增益大于400倍，输出阻抗小于200Ω，三极管集电极最大电流不超过20mA，电源为单电源15V，输出信号不小于8Vp-p，非线性失真小于7%。

（2）进度安排

周次	实验内容
1	查找资料
2	详细设计
3	模块电路的调试
4	模块电路的整合调试
5	题目最终线路检查
6	完成报告

（3）项目框图

（4.）项目总体功能图

第二章需求分析

2.1问题基本描述及概念的明确

本次实验的课题是设计多级三极管音频放大电路，因此在设计时没有采用运放等集成放大电路。在电路设计中没有考虑直接耦合这种电路结构，主要原因是这种电路结构的静态工作点不好调整。所以采用阻容耦合方式，使各级之间有独立的静态工作点不会相互影响。由于题目对信号源内阻提出了要求，要求放大电路的输入电阻比较大，因此本电路采用了一级共集电极放大电路（射随器）进行信号的第一级放大，利用共集电极放大电路的输入阻抗比较大的优点，匹配高阻抗的信号源。由于本电路对负载电阻也有要求，因此要求电路的输出阻抗比较小，因此在电路设计上，同样是采用了一级共集电极放大电路进行末极放大输出。而单个共射极放大电路不能一次性达到４００倍以上，同时它单个它还有反向放大的作用，因此必须使用两个共射才能达到题目的要求。因此在电路设计时，采用了两级共发射极放大电路进行电压放大。在整个电路中，由于共集电极放大电路没有电压放大作用，因此电压放大主要依靠中间的两极共发射极放大电路，设置输入级和输出级只是为了匹配题目中要求的输入阻抗和输出阻抗。由于题目对三极管的集电极电流有限制，并且也为了降低三极管温升，本电路中各级放大电路的静态工作点设定都比较低，已经达到了能够满足题目中要求最小值。

注：全用峰峰值进行计算（1V=1000mV）

关键字

内阻

又称内电阻。电池的内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部所受到的阻力。

电压增益

也就是电压的放大倍数。计算公式是：Au=输出电压/输入电压。有时候会用分贝表示增益，后面标明dB，数值与分贝的计算公式是：X=20lg(输出电压/输入电压)。

单电源

是指输出一种电压的电源。

双电源

是指输出两种电压的电源。双电源或单电源的区别是在直流供电部分，即相对于地线，有“正电压”电源，也有“负电压”电源就称为双电源供电（如：±15V等）。一般情况下，双电源以对称电压数值的应用为多见。

输出信号中不会有输入信号中所没有的新的频率分量，各个频率的输出波形也不会变化。这种幅度的失真或者相位的失真是由该电路的线性电抗元件对不同频率的响应不同而引起的，所以叫线性失真。线性失真和非线性失真其实是同样的概念，都是对输入、输出波形差异的衡量方式。即：信号在放大过程中，输入和输出信号在波形上出现的畸变。衡量的指标单位也相同，使用%来表示。

不同之处是线性失真是在波形畸变上出现了对称的失真，这种失真一般出现在有深度负反馈的功率放大器中；其结果会产生多于的偶次谐波分量。

而非线性失真则是波形畸变是不对称的，这种失真是一种指数型失真，一般出现在三极管单管甲类放大电路中，其结果会产生多余的奇次谐波分量。

饱和失真和截止失真

是指信号范围超出晶体管放大电路正常放大范围时，出现的信号波形畸变。饱和失真和截止失真都属于非线性失真。当输入信号过大时会出现截止失真（削顶失真）。

2.2系统问题分解及功能基本要求

（1）首尾两级为射随器（利用其高输入阻抗，低输出阻抗的特点，来实现所要求的20KΩ高输入阻抗，200Ω的低输出阻抗）。

（2）因为单电源电压为15V,为了避免出现较大的失真,所以每一级都需要调节较为合适的静态工作点,通过调节每一级的Rb,来调节静态工作点的大小。由于输入（５ｍＶ）信号的峰峰值很小,第一级放大后峰峰值也不会超过1V,因此对第一级和第二级的静态工作点要求不是很高，但是经过两级放大之后, 信号峰峰值已被放大到8V左右,因此对后两级的静态工作点要求较高,否则将会出现失真。

（3）每两级间用阻容耦合方式连接，使各级之间有独立的静态工作点不会相互影响。

（4）单个共射极放大电路不能一次性达到400倍以上，同时单个共射它还有反向放大的作用，因此必须使用两个共射才能达到题目的要求。中间级为两级共射极放大电路（采用一个电阻为三极管提供偏置电压进行电压放大）

2.3设计原理

1.Q1~Q4：为4个2N222三极管。在本电路中，Q1设置在输入级，接为共集电极放大电路形式，用来提高电路的输入阻抗。Q2、Q3作为中间级电压增益放大，用于放大电压信号。Q4为输出级，为共集电极放大电路形式，可以减小电路的输出阻抗。

2.C1~C4：全部为普通电解电容器，规格为10μF，在电路中作为耦合元件使用，可以防止前一级的电路中的直流信号对后级电路产生影响。

3.R1、R4、R5、R9：这四个电阻构成了三极管的偏置电路，分别为对应的三极管提供偏置电压。

4.R2、R0：共集电极放大电路的发射极电阻，用于在三极管截止时降低发射极电压，为耦合电容器泄放电荷。

5.R5、R7：共发射极放大电路的集电极电阻。

6.基本共射极放大电路的分析原理：

(1）静态工作点

(2）电压放大倍数

(3）输出电阻

(4）输入电阻

7.基本共集电极放大电路分析原理：

（1）静态工作点

（2）电压放大倍数

（3）阻抗变换

2.4分解设计

（1）Q1共集电极放大电路分析：

静态工作点 :Uce=7.558V, Ube=0.659V；放大倍数:Au1≈20/20=1倍。

（2）Q2共射极放大电路分析：

静态工作点 :Uce=7.457V, Ube=0.643V；放大倍数:Au2≈478/（-20）=-24倍。

（3）Q3共射极放大电路分析：

静态工作点 :

Uce=7.403V, Ube=0.643V；放大倍数:Au3≈750/（-20）=-37.5倍。

（4）Q4共集电极放大电路分析：

静态工作点 :

Uce=7.489V, Ube=0.715V；放大倍数:Au4≈20/20=1倍。

第三章调试并分析结果

3.1输入说明

信号源内阻20kΩ，电源为单电源15V。分别有以下两种情况：

（1）输入信号为10mV，1KHz的正弦波。

（2）输入信号为20mV，1KHz的正弦波。

3.2仿真预计输出

输出阻抗小于200Ω，电压增益为大于400倍。

3.3测试结果电路图

（1）输入信号为10mV，1KHz的正弦波。由于版面不够，所以分两次仿真。

输出Uop-p为8.848V，非线性失真度为2.761%。Au总≈8848mA/20mA=444倍。

（2）输入信号为20mV，1KHz的正弦波。

输入信号过大，如图出现截止失真（削顶失真），非线性失真度达到27.35%。

3.4测试结果记录

注：全用峰峰值进行计算（1V=1000mV）

输入信号（mVp-p）

输出信号

（Vp-p）

8.848

（轻微）截止失真

（明显）截止失真

10mV，1KHz的正弦波	Q1射随器（输入级）	Q2共射极放大（中间级）	Q3共射极放大（中间级）	Q4射随器（输出级）
Uce（V）	7.558	7.452	7.718	7.525
Ui（mV）	19.989	19.860	-312.494	8908
Uo（mV）	19.860	-312.494	8908	8848
Au	1	-15.6	-28.5	1

20mV，1KHz的正弦波	Q1射随器（输入级）	Q4射随器（输出级）
Ui（mV）	40	39.955
Uo（mV）	39.955	10970
Au	1	274

3.5测试结果分析

（1）输入1KHz，10mV 正弦波电路的电压增益约为Ａｕ总＝Au1*Au２＊Au３＊Au４＝１＊（－15.6）＊（－28.5）＊１＝444倍，已经满足题目的设计要求电压增益大于400倍，且非线性失真度为2.761%满足小于7%，输出信号Vp-p为8.848V满足大于8V。且满足集电极电流都不大于20mA。

（2）输入1KHz，20mV 正弦波电路出现失真度是２7.35％已经大于题目要求的７％，此时总的放大倍数为：（10.970＊1000）ｍＶ／39.955ｍＶ=274倍，虽然有放大作用但是不符合题目要求的大于４００倍。还出现削顶失真。

第四章结论

本次课程设计的实验最终实现了三极管多级音频放大电路的电压增益大于400倍，输出信号不小于8Vp-p，非线性失真小于7%，输出电阻小于200Ω。综上可知：

1.该电路原理图能达到放大交流小信号的作用。

（例如：１KHｚ，10ｍＶ，正弦波）

2.不可以把分解设计的结果直接想当然的按照每级的倍数直接相乘得到总的放大倍数。（如：Au=Au1*Au2*Au3*Au4=1*(-24)*(-37.5)*1=900倍）是错误的想法。当把分解设计的电路图级联整合之后，电路的性质已经发生改变，该级的输入电阻已经和上一级的输出电阻发生并联，而此时整个电路的放大倍数只能通过仿真结果来看。由测试结果纪录得：Au总=1*（-15.6）*（-28.5）*1=444倍。

3.函数发生器的使用接法：全都输入频率1KHz，振幅1V。

（1）接+和-：输出峰峰值4V。