【硬件设计】模拟电子基础二--放大电路

前言：本章为知识的简单复习，适合于硬件设计学习前的知识回顾，不适合运用于考试。

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一、基本放大电路

1.1 初始电路

如图所示：

• e_s:输入电源
• R_s：输入电源的负载
• U_o：输出电源
• R_L：输出负载
• VCC：①为电路提供能量②为电路提供合适的静态工作点
• R_B：为电路提供合适的静态电流
• R_C：将放大的电流信号转变为电压信号
• C₁、C₂：隔直通交

各元器件的取值

• 三极管放大电路是小信号的放大，常用器件最大通过的电流也只有几百毫安，所以输入信号不能太大
• 对于三极管放大电路的设计，基极电阻取值Rb一般为几十到几百千欧。集电极电阻Rc一般为几千到几十千欧。
• C1、C2作为隔直通交的电容，取值一般为几微法到几十微法

电路分析：

总基极电压：U_BE = U_BEQ + U_i
总基极电流：i_B = I_BQ + i_b
总集电极电流： i_C = I_CQ + i_c
总的U_CE = VCC-i_C R_C
化简：U_CE = VCC - (I_CQ + i_c)R_C = U_CEQ + (-i_C R_C)
U_o = -i_c R_C
得出结论：输出信号反向

Multisim仿真图：

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1.2 静态工作点

当电路没有加入信号源时，直流电源VCC为电路提供的静态值，电路工作在Q点。

①当VCC改变时，R_b 、R_c 、β保持不变时，Q点变化如下：

• 升高VCC，平行右上移
• 减小VCC，平行左下移

②当改变R_c ,保持VCC、R_b 、β不变时，变化如下:

• 增大R_c,直流负载线斜率改变，则Q点向饱和区移近

基本放大电路的不足：

这种电路虽然结构简单，但是最大的缺点是静态工作点不稳定，当环境温度变化，电源电压波动，或者更换三极管时，都会使原来的静态工作点改变，严重时会使放大器不能工作。

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1.3 分压偏置电路

在原电路基础上增加了R_B2 、 R_e 、C₃ 。

放大倍数β = R_c/R_e

特点：

1. 分压偏置电路，它的静态工作点，与三极管本身的参数无关，它只取决于外接电路的VCC和 R_B1、R_B2、R_e
2. 射极电容C₃作为旁路电容，通交隔直，提高输出级的放大倍数的作用。
   因为在交流电路分析中，如果R_e被引入电路是要增加电源的功耗。输出的信号有一部分消耗到了R_e上，现在，加入了C₁，那么对于交流电，这完全是被短路了，所以不会影响输出。

Multisim仿真图：

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二、负反馈放大电路

定义：

凡是将放大电路输出端的信号（电压或电流）的一部分或全部引回到输入端，与输入信号叠加，就称为反馈。

• 负反馈: 引回的信号削弱了输入信号
• 正反馈: 引回的信号增强了输入信号

A = X_o/X_d ,
F = X_f / X_o ,
A_f = X_o / X_i = X₀ / (X_d + X_f) = A / (1+AF)
A ≈ 1/F

A: 无反馈的放大系数，F：反馈系数，A_f：有反馈的放大系数
X_o:输出量，X_f：反馈量，X_i：未加反馈的输入量，X_d：加反馈的输入量

根据公式可知：
在深度负反馈条件下，即1+AF>>1时，此时，闭环放大倍数仅取决于反馈系数F，而与开环放大倍数A无关。
通常反馈网络仅由电阻构成，反馈系数F十分稳定。所以，闭环放大倍数必然是相当稳定的，诸如温度变化、参数改变、电源电压波动等明显影响开环放大倍数的因素，都不会对闭环放大倍数产生多大的影响。

负作用：

1. 稳定静态工作点;稳定放大倍数;改善输入电阻和输出电阻，扩展通频带，改善输出信号波形。
2. 引入负反馈后，失真了的信号经反馈网络又送回到输入端，与输入信号反相叠加，得到的净输入信号为正半周小而负半周大。这样正好弥补了放大器的缺陷，使输出信号比较接近于正弦波。

正反馈：

• 当|AF=1时，
  放大量和反馈量成倒数关系，电路将产生自激，去除信号源也将产生信号的输出
• 当|AFI>1时，
  放大量过大，输出信号将不断增加，如果无及时的限制措施，信号将出现严重失真
• 当|AF|<1时,
  此时反馈量过大，信号将不断衰减，直到消失

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三、直流稳压电路

Multisim仿真图：

1. 整流二极管的选择
   
   （这里的U_o为变压器副线圈输出的有效值）选择应该是反相电压大于U_ZMAX的为整流管。
2. 电容C1的选择
   (经过电容输出的电压为1.2U_O)，选择耐压值大于1.1 √2uo大约为1.55倍的U_o
3. 变压器的选择
   应该选择变压电压大于稳压块电压，电流大于需要的输出电流的变压器。
4. C3作为旁路电容，滤除输入线上窜入的干扰信号，防止自激，选择电容大小一般是0.3uF。
   C2和C4作为耦合电容，,滤除输出线上的干扰，和自激，以及对输出线上电压的突变，提供储能的作用。
5. 稳压块
   (1)LM7805的引脚及功能
   Input:电压输入端,其输瑞入电压范围为7~35V.
   Ground:电源地端。
   Output:电压输出端,典型值为5V。
   最大电流:1.5A。
   (2)LM7912的引脚及功能
   Ground:电源地端。
   Input:电压输入端,其输人电压范围为-14.5~-35V.
   Output:电压输出端,典型值为-12V.
   最大电流:1.5A。
   (3)LM317的引脚及功能
   Adjust:调节端。
   Output:电压输出端,可输出1.25~37V可调的电压。
   Input:电压输入端,其输人电压最大值为40V
   最大电流:1.5A.

可调稳压源设计

1、正常工作时，输出端和调整端间的电压V_REF固定为1.25V。
2、要使稳压块正常工作，必须保证输出端和调整端间的电流大于3.5mA。
所以，如果取电流为6mA,那么R1_MAX=1.25V/6mA=208欧,因此,R₁可选用200欧的普通碳膜电阻
3、若输出电压取12V,根据公式V_o=1.25(1+R2/R1)V,R₂=1720欧。因此,R₂可选用2k欧的精密绕线电位器。

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