低频电路课程设计报告两级晶体管放大电路和二阶低通滤波器.doc

报告题目两级晶体管放大电路和二阶低通滤波器一、 题目的要求和意义 两级晶体管放大电路要求：设计两级晶体管放大电路，输入信号幅度 20mv, 频率为1KHz，电源电压+5V，要求完成下面的技术指标：a. 电压增益Au 50b. 输入电阻Ri 2Kc. 输出电阻Ro 50，并改变输入信号的频率（10KHz和100Hz），记录电压增益的变化，探究改变什么元件参数达到上述指标。 二阶低通滤波器要求：设计二阶低通滤波器，电源电压±5V，要求完成下面的技术指标：a. 滤波器的截止频率fH 100HZ； b. 通带电压增益Au 1；以及把电源改为单电源+5V供电，并完成上述指标。本课程的意义在于培养学生根据需要选学参考书，查阅手册，图表和文献资料的自学能力，通过独立思考深入钻研有关问题，学会自己分析解决问题的方法。利用所学过的知识，通过设计计算元件选取电路板制作调试等环节，初步掌握工程设计的技能。掌握常用仪表的正确使用方法，学会简单电路的实验调试和整机指标测试方法，使学生巩固和加深对模拟电路的理论知识，锻炼学生的动手能力。了解与课程有关的电子电路以及元器件工程技术规范，能按课程设计任务书的技术要求，编写设计说明，能正确反映设计和实验成果，能正确绘制电路图。培养严谨的工作作风和科学态度，使学生逐步建立正确的生产观点，经济观点和全局观点。二、 方案的论证和设计晶体管放大电路中，有共发射极放大电路、共集电极放大电路和共基极放大电路。共发射极放大电路，叫交流信号由基极输入，输出电压取自集电极；共集电极放大电路，交流信号也是由基极输入，输出电压取自集电极。而共发射极放大电路一般作为多级放大电路的中间级，提供较大的电压放大倍数；而共集电极可以作为多级放大电路的输入级、中间级和输出级，主要作为阻抗匹配。由两种电路的特性可知共集电极放大电路输入电阻大，输出电阻小是理想的输入输出级，但其放大能力较弱，若两级共集电极放大电路，放大倍数不符合要求。所以设计下面2个方案。本课程设计有两个方案：（1）第一级用共射极放大电路，第二级用共集电极放大电路。（2）两级都使用共集电极放大电路。由两种电路的特性可知共集电极放大电路输入电阻大，输出电阻小是理想的输入输出级，但其放大能力较弱，若两级共集电极放大电路，放大倍数不符合要求。而共射极放大电路对输入信号的放大能力较强，当选取共射极放大电路为第一级，共集电极放大电路为第二级。对于电路整体来说，电路的输入电阻： .可知共发射极放大电路的输入电阻主要受影响。当输入电阻数量级为时，满足课题要求。第二级为共射极时： .输出电阻较大，因此不符合课程要求。放大电路的输出电阻： ·····························输出电阻也足够小,符合课程要求。放大倍数亦符合要求,当选取方案(1)第一级用共射极放大电路，第二级用共集电极放大电路,较为合理二阶低通滤波器指低频信号能顺利通过而高频信号不能通过的滤波器。最简单的低通滤波器是由RC网络构成的无源低通滤波器。只要将低通网络后接集成运放，就可构成有源低通滤波器。滤波器分为无源滤波器与有源滤波器两种：无源滤波器:由电感L、电容C及电阻R等无源元件组成；有源滤波器:一般由集成运放与RC网络构成，它具有体积小、性能稳定等优点，同时，由于集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大与缓冲作用。利用有源滤波器可以突出有用频率的信号，衰减无用频率的信号，抑制干扰和噪声，以达到提高信噪比或选频的目的，因而有源滤波器被广泛应用于通信、测量及控制技术中的小信号处理。方案：用LM324构成二阶压控电压源低通滤波器。：用RC网络构成无源低通滤波器。方案论证：图一中，由RC元件与运算放大器组成的滤波器称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可用在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面，但因受运算放大器频带限制，这类滤波器主要用于低频范围。由于它由两级RC滤波环节与同相比例运算电路组成，其中第一级电容C接至输出端，引入适量的正反馈，可以改善幅频特性。 明显的，对于二阶低通滤波器选用方案一：用LM324构成二阶压控电压源低通滤波器能更加快的把高频段的信号衰减掉。二阶有源滤波器是一种信号检测及传递系统中常用的基本电路, 也是高阶虑波器的基本组成单元。常用二阶有源低通滤波器的电路型式有压控电压源型、无限增益多路反馈型和双二次型。我选用的方案是用LM324运算放大器构成二阶压控电压源低通滤波器。下图是二阶有源低通滤波基础电路。图1.1：二阶有源低通滤波基础电路本设计主要用的新片是LM324N，如下是详细介绍:芯片介绍：产品型号：LM324N1.概述与特点LM324是由四个独立的运算放大器组成的电路。它设计在较宽的电压范围内单电源工作，但亦可在双电源条件下工作。本电路在家用电器上和工业自动化及光、机、电一体化领域中有广泛的应用。其特点如下：具有宽的单电源或双电源工作电压范围；单电源3V30V，双电源±1.5V±15V 内含相位校正回路, 外围元件少消耗电流小:Icc=0.6mA (典型值, RL=)输入失调电压低:±2mV (典型值)  电压输出范围宽：0V Vcc1.5V  共模输入电压范围宽：0V Vcc1.5V 封装形式：DIP14 图3LM324N实物图 图2.1 LM324N管脚图 三、 具体电路的设计和参数的计算我设计的两级晶体管放大电路的具体电路如图1.2：、 图1.2第一级为分压偏置式共发射极放大电路，由公式：···························································由、可得·····························由微变等效电路图可得：····························而第二级为共集电极放大电路也称电压跟随器，其电压放大倍数约等于1，所以总的放大倍数为······························两级晶体管放大电路中，其输出电阻是指第二级的输出电阻，即共集电极的输出电阻，即·····························根据上面给出的公式，严格按照需要设计电路的参数如下：，, , , , , ,然后根据设计的数据，由公式、可计算出电压放大倍数由可得输入电阻由可得输出电阻而要求是：a. 电压增益Au 50 b. b. 输入电阻Ri 2K c. c. 输出电阻Ro 50四、电路性能测试与结果分析图1.3如图1.3，为电路仿真得出输出波形，取某一时间段内输入输出波形峰峰值，相除得出放大倍数为53.46输入Vpp(mV)频率输出Vpp(V)Au4010Hz1.154540100Hz2.085140200Hz2.1251.140300Hz2.2152.1440500Hz2.2552.2140700Hz2.2552.25401000Hz2.2653.154010kHz2.2253.540100kHz2.2253.5401MHz2.250.1表1.1如表1.1，为实验室记录数据。由表可知根据表格发现，当输入频率在100Hz到100KHz，其输出的峰峰值大概不变。根据可计算出Au=64.3，符合设计要求。而频率小于10Hz和频率大于1MHz的输入信号，其输出电压的峰峰值小于很小，这因为频带受限制了。最后根据题目的要求a. 电压增益Au 50b. 输入电阻Ri 2Kc. 输出电阻Ro 50都符合设计出来的参数设置。当改变输入信号的频率（10KHz和100Hz），电压增益基本没有变化。对于二阶有源低通滤波器。要求截止频率；通带电压放大倍数，品质因数Q=0.707。由 0.707可以求得，所以低通滤波器的通带电压增 =1.586选择C=4.7uF,选择标准电阻R=1K，=12K，由此，我设计的两级晶体管放大电路的具体电路如图2.2。 图2.2然后在电脑上仿真，我运用的仿真软件是Multisim 进行仿真，先是输入信号为频率在200Hz时的正弦波信号。如图2.3 数据记录表如下：输入Vpp(mV)频率输出Vpp(V)50010Hz1.5450020Hz1.5450030Hz1.5450040Hz1.0250050Hz0.9950060Hz0.4150080Hz0.22500100Hz0.14500 200Hz0.045001KHz0.008 表2.1明显的，输出信号幅值明显变小，而在输入信号频率在40Hz时的正弦信号时，输出信号的幅值明显的变大。根据表格发现，当输入频率小于30Hz，其输出的峰峰值大概不变即是输出Vp-p的最大值。·····························当等于公式时，此时的输入频率就是其截止频率。根据上面的演算测得截止频率符合题目要求的截止频率，而根据有，在误差范围内基本符合要求。对于单电源依然按照频率从小到大进行调整频率，然后测量其输出电压峰峰值，最后测量出来的截止频率，于双电源时的截止频率相差不多。五、调试过程遇到的问题与解决的方法（1）输出失真 输出失真与静态工作点有关，经研究表明：在分压式偏置放大电路中，静态工作点与Rb1与Rb2的比值有关，适当调整可改善电路。(2)放大倍数不足 放大倍数不足是很常见的情况，共集电极电路放大倍数1，不做调整，共发射极电路作为主要调整对象。经研究表明：放大倍数与Rc，Re1有关，适当上调Rc，减少Re1会增加放大倍数。六、 课程设计体会课程设计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,锻炼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。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关模拟电子技术方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。最后感谢张老师辛勤指导，才能把实验顺利完成。七、 参考文献（四号宋字，粗体）【1】 李瀚荪.简明电路分析基础.2009,2【2】 百度文库【3】 廖惜春.模拟电子技术基础.2008,1：3586；168169【4】 百度百科（9013三极管） 说 明一、报告应包括下列主要内容：1 概述所作题目的要求和意义、本人所做的工作及系统的主要功能；2 方案的论证和设计（有两个以上的方案进行分析比较）(重点内容)3 具体电路的设计和参数的计算；(重点内容)4 电路性能测试与结果分析(重点内容)5 调试过程遇到的问题与解决的方法。6 课程设计体会7 主要参考文献二、对报告的要求：1 报告的字数应在3000字左右；2 页面设置：上下左右页边距分别为2.5cm、2.0cm、2.5cm、2.0cm3 正文字体：宋体，小四号字，行间距18磅4 参考文献要求如下：论文参考文献类型标识：M-专著（书）； C-论文集； J-期刊文章； D-学位论文； R-报告； S-标准； P-专利； 并放在“论文标题”与“刊名（书名）”之间。文献的标题，作者（仅需给出3位），年、卷、期、起始页码均需给全。参考文献不少于3篇，并在文中备注清楚例如：1 蔡菲娜,刘勤贤,朱根兴等. 数据融合方法在单传感器系统中的应用J.数据采集与处理.2005，3(1)：8890 2 郑少仁，王海涛，赵志峰等. Ad Hoc网络技术M.北京:人民邮电出版社，20053 金纯，许光辰，孙睿. 蓝牙技术M. 北京：电子工业出版社，20014 张海滨，宋文涛. 无线通信发展与“高频电子线路”课程教学J. 电气电子教学学报.2004，26(2):2326