低頻電路課程設(shè)計報告----兩級晶體管放大電路和二階低通濾波器

1、<p><b>　　報告題目</b></p><p>　　兩級晶體管放大電路和二階低通濾波器</p><p><b>　　題目的要求和意義</b></p><p>　　兩級晶體管放大電路要求：設(shè)計兩級晶體管放大電路，輸入信號幅度 ≥20mv, 頻率為1KHz，電源電壓+5V，要求完成下面的技術(shù)指標(biāo)：a. 電壓增益

2、Au ≥50b. 輸入電阻Ri ≥2KΩc. 輸出電阻Ro ≤50Ω，并改變輸入信號的頻率（10KHz和100Hz），記錄電壓增益的變化，探究改變什么元件參數(shù)達到上述指標(biāo)。</p><p>　　二階低通濾波器要求：設(shè)計二階低通濾波器，電源電壓±5V，要求完成下面的技術(shù)指標(biāo)：a. 濾波器的截止頻率fH ≤100HZ； b. 通帶電壓增益Au ≥ 1　；</p><p

3、>　　以及把電源改為單電源+5V供電，并完成上述指標(biāo)。</p><p>　　本課程的意義在于培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)需要選學(xué)參考書，查閱手冊，圖表和文獻資料的自學(xué)能力，通過獨立思考﹑深入鉆研有關(guān)問題，學(xué)會自己分析解決問題的方法。利用所學(xué)過的知識，通過設(shè)計計算﹑元件選取﹑電路板制作調(diào)試等環(huán)節(jié)，初步掌握工程設(shè)計的技能。掌握常用儀表的正確使用方法，學(xué)會簡單電路的實驗調(diào)試和整機指標(biāo)測試方法，使學(xué)生鞏固和加深對模擬電路的理論知識

4、，鍛煉學(xué)生的動手能力。了解與課程有關(guān)的電子電路以及元器件工程技術(shù)規(guī)范，能按課程設(shè)計任務(wù)書的技術(shù)要求，編寫設(shè)計說明，能正確反映設(shè)計和實驗成果，能正確繪制電路圖。培養(yǎng)嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)和科學(xué)態(tài)度，使學(xué)生逐步建立正確的生產(chǎn)觀點，經(jīng)濟觀點和全局觀點。</p><p><b>　　方案的論證和設(shè)計</b></p><p>　　晶體管放大電路中，有共發(fā)射極放大電路、共集電極放大電路和

5、共基極放大電路。共發(fā)射極放大電路，叫交流信號由基極輸入，輸出電壓取自集電極；共集電極放大電路，交流信號也是由基極輸入，輸出電壓取自集電極。而共發(fā)射極放大電路一般作為多級放大電路的中間級，提供較大的電壓放大倍數(shù)；而共集電極可以作為多級放大電路的輸入級、中間級和輸出級，主要作為阻抗匹配。</p><p>　　由兩種電路的特性可知共集電極放大電路輸入電阻大，輸出電阻小是理想的輸入輸出級，但其放大能力較弱，若兩級共集電極

6、放大電路，放大倍數(shù)不符合要求。所以設(shè)計下面2個方案。</p><p>　　本課程設(shè)計有兩個方案：</p><p>　　（1）第一級用共射極放大電路，第二級用共集電極放大電路。</p><p>　?。?）兩級都使用共集電極放大電路。</p><p>　　由兩種電路的特性可知共集電極放大電路輸入電阻大，輸出電阻小是理想的輸入輸出級，但其放大能力較

7、弱，若兩級共集電極放大電路，放大倍數(shù)不符合要求。</p><p>　　而共射極放大電路對輸入信號的放大能力較強，當(dāng)選取共射極放大電路為第一級，共集電極放大電路為第二級。對于電路整體來說，電路的輸入電阻：</p><p>　　....................①</p><p>　　可知共發(fā)射極放大電路的輸入電阻主要受影響。當(dāng)輸入電阻數(shù)量級為時，滿足課題要求。&

8、lt;/p><p><b>　　第二級為共射極時：</b></p><p>　　............................②</p><p>　　輸出電阻較大，因此不符合課程要求。</p><p>　　放大電路的輸出電阻：</p><p>　　···

9、3;·························②</p><p>　　輸出電阻也足夠小,符合課程要求。</p><p>　　放大倍數(shù)亦

10、符合要求,當(dāng)選取方案(1)第一級用共射極放大電路，第二級用共集電極放大電路,較為合理</p><p>　　二階低通濾波器指低頻信號能順利通過而高頻信號不能通過的濾波器。最簡單的低通濾波器是由RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的無源低通濾波器。只要將低通網(wǎng)絡(luò)后接集成運放，就可構(gòu)成有源低通濾波器。濾波器分為無源濾波器與有源濾波器兩種：無源濾波器:由電感L、電容C及電阻R等無源元件組成；有源濾波器:一般由集成運放與RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，它具有體積小

11、、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，同時，由于集成運放的增益和輸入阻抗都很高，輸出阻抗很低，故有源濾波器還兼有放大與緩沖作用。利用有源濾波器可以突出有用頻率的信號，衰減無用頻率的信號，抑制干擾和噪聲，以達到提高信噪比或選頻的目的，因而有源濾波器被廣泛應(yīng)用于通信、測量及控制技術(shù)中的小信號處理。</p><p><b>　　方案：</b></p><p>　?、牛河肔M324構(gòu)成二階壓控電

12、壓源低通濾波器。</p><p>　?、疲河肦C網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成無源低通濾波器。</p><p><b>　　方案論證：</b></p><p>　　圖一中，由RC元件與運算放大器組成的濾波器稱為RC有源濾波器，其功能是讓一定頻率范圍內(nèi)的信號通過，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號?？捎迷谛畔⑻幚怼?shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等方面，但因受運算放大器頻帶限制，這

13、類濾波器主要用于低頻范圍。由于它由兩級RC濾波環(huán)節(jié)與同相比例運算電路組成，其中第一級電容C接至輸出端，引入適量的正反饋，可以改善幅頻特性。 </p><p>　　明顯的，對于二階低通濾波器選用方案一：用LM324構(gòu)成二階壓控電壓源低通濾波器能更加快的把高頻段的信號衰減掉。二階有源濾波器是一種信號檢測及傳遞系統(tǒng)中常用的基本電路, 也是高階慮波器的基本組成單元。常用二階有源低通濾波器的電路型式有壓控電壓源型、無限增

14、益多路反饋型和雙二次型。我選用的方案是用LM324運算放大器構(gòu)成二階壓控電壓源低通濾波器。下圖是二階有源低通濾波基礎(chǔ)電路。</p><p>　　圖1.1：二階有源低通濾波基礎(chǔ)電路</p><p>　　本設(shè)計主要用的新片是LM324N，如下是詳細介紹:</p><p><b>　　芯片介紹：</b></p><p>　　產(chǎn)

15、品型號：LM324N1.概述與特點</p><p>　　LM324是由四個獨立的運算放大器組成的電路。它設(shè)計在較寬的電壓范圍內(nèi)單電源工作，但亦可在雙電源條件下工作。本電路在家用電器上和工業(yè)自動化及光、機、電一體化領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。其特點如下：</p><p>　　●具有寬的單電源或雙電源工作電壓范圍；單電源3V~30V，雙電源±1.5V~±15V </p>

16、;<p>　　●內(nèi)含相位校正回路, 外圍元件少</p><p>　　●消耗電流小:Icc=0.6mA (典型值, RL=∞)</p><p>　　●輸入失調(diào)電壓低:±2mV (典型值)  </p><p>　　●電壓輸出范圍寬：0V ~ Vcc—1.5V  </p><p>　　●共模輸入電壓范圍寬

17、：0V ~ Vcc—1.5V </p><p>　　●封裝形式：DIP14 </p><p>　　圖3LM324N實物圖 </p><p>　　圖2.1 LM324N管腳圖</p><p>　　具體電路的設(shè)計和參數(shù)的計算

18、</p><p>　　我設(shè)計的兩級晶體管放大電路的具體電路如圖1.2：、</p><p><b>　　圖1.2</b></p><p>　　第一級為分壓偏置式共發(fā)射極放大電路，由公式：</p><p>　　·········

19、3;····················④</p><p>　　············&#

20、183;················⑤</p><p><b>　　由④、⑤可得</b></p><p>　　········

21、·····················⑥</p><p>　　由微變等效電路圖可得：</p><p>　　······

22、······················⑦</p><p>　　而第二級為共集電極放大電路也稱電壓跟隨器，其電壓放大倍數(shù)約等于1，所以總的放大倍數(shù)為</p><p>　

23、　······························⑧</p><p>　　兩級晶體管放大電路中，其輸出電

24、阻是指第二級的輸出電阻，即共集電極的輸出電阻，即</p><p>　　·····························

25、;⑨</p><p>　　根據(jù)上面給出的公式，嚴格按照需要設(shè)計電路的參數(shù)如下：</p><p>　　，，, , , , , ,</p><p>　　然后根據(jù)設(shè)計的數(shù)據(jù)，由公式⑦、⑧可計算出電壓放大倍數(shù)</p><p><b>　　由②可得輸入電阻</b></p><p><b>　　由

26、⑨可得輸出電阻</b></p><p><b>　　而要求是：</b></p><p>　　電壓增益Au ≥50 </p><p>　　b. 輸入電阻Ri ≥2KΩ </p><p>　　c. 輸出電阻Ro ≤50Ω</p><p>　　四、電路性能測試與結(jié)果分析<

27、/p><p><b>　　圖1.3</b></p><p>　　如圖1.3，為電路仿真得出輸出波形，取某一時間段內(nèi)輸入輸出波形峰峰值，相除得出放大倍數(shù)為53.46</p><p>　　如表1.1，為實驗室記錄數(shù)據(jù)。由表可知根據(jù)表格發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入頻率在100Hz到100KHz，其輸出的峰峰值大概不變。根據(jù)可計算出Au=64.3，符合設(shè)計要求。而頻率小于

28、10Hz和頻率大于1MHz的輸入信號，其輸出電壓的峰峰值小于很小，這因為頻帶受限制了。最后根據(jù)題目的要求</p><p>　　a. 電壓增益Au ≥50b. 輸入電阻Ri ≥2KΩ</p><p>　　c. 輸出電阻Ro ≤50Ω</p><p>　　都符合設(shè)計出來的參數(shù)設(shè)置。當(dāng)改變輸入信號的頻率（10KHz和100Hz），電壓增益基本沒有變化。</p&

29、gt;<p>　　對于二階有源低通濾波器。要求截止頻率；通帶電壓放大倍數(shù)，品質(zhì)因數(shù)Q=0.707。由 0.707可以求得，所以低通濾波器的通帶電壓增 =1.586選擇C=4.7uF,選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻R=1KΩ，=12KΩ，</p><p>　　由此，我設(shè)計的兩級晶體管放大電路的具體電路如圖2.2。</p><p><b>　　圖2.2</b></p&g

30、t;<p>　　然后在電腦上仿真，我運用的仿真軟件是Multisim 進行仿真，先是輸入信號為頻率在200Hz時的正弦波信號。如圖2.3</p><p><b>　　數(shù)據(jù)記錄表如下：</b></p><p><b>　　表2.1</b></p><p>　　明顯的，輸出信號幅值明顯變小，而在輸入信號頻率在40

31、Hz時的正弦信號時，輸出信號的幅值明顯的變大。</p><p>　　根據(jù)表格發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入頻率小于30Hz，其輸出的峰峰值大概不變即是輸出Vp-p的最大值。</p><p>　　··················

32、···········⑩</p><p>　　當(dāng)?shù)扔诠舰鈺r，此時的輸入頻率就是其截止頻率。</p><p>　　根據(jù)上面的演算測得截止頻率符合題目要求的截止頻率，而根據(jù)有，在誤差范圍內(nèi)基本符合要求。</p><p>　　對于單電源依然按照頻率從小到大進行調(diào)

33、整頻率，然后測量其輸出電壓峰峰值，最后測量出來的截止頻率，于雙電源時的截止頻率相差不多。</p><p>　　五、調(diào)試過程遇到的問題與解決的方法</p><p><b>　?。?）輸出失真</b></p><p>　　輸出失真與靜態(tài)工作點有關(guān)，經(jīng)研究表明：在分壓式偏置放大電路中，靜態(tài)工作點與Rb1與Rb2的比值有關(guān)，適當(dāng)調(diào)整可改善電路。<

34、/p><p><b>　　(2)放大倍數(shù)不足</b></p><p>　　放大倍數(shù)不足是很常見的情況，共集電極電路放大倍數(shù)≤1，不做調(diào)整，共發(fā)射極電路作為主要調(diào)整對象。經(jīng)研究表明：放大倍數(shù)與Rc，Re1有關(guān)，適當(dāng)上調(diào)Rc，減少Re1會增加放大倍數(shù)。</p><p><b>　　課程設(shè)計體會</b></p><

35、;p>　　課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。</p><p>　　在課程設(shè)計過程中，我們不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。最終的檢測調(diào)試環(huán)節(jié)，本身就是在踐行“過而能改，善莫大焉”的知行觀。這次課程設(shè)計終于順利完成了，在設(shè)計中遇到了很多問題，最后在老師的指導(dǎo)下，終于游逆而解。</p>&

36、lt;p>　　通過此次課程設(shè)計，使我更加扎實的掌握了有關(guān)模擬電子技術(shù)方面的知識，在設(shè)計過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足。實踐出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。最后感謝xx老師辛勤指導(dǎo)，才能把實驗順利完成。</p><p>　　參考文獻（四號宋字，粗體）</p><p&

37、gt;　　【1】 李瀚蓀.簡明電路分析基礎(chǔ).2009,2</p><p>　　【3】 廖惜春.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).2008,1：35~86；168~169</p><p><b>　　說 明</b></p><p>　　一、報告應(yīng)包括下列主要內(nèi)容：</p><p>　　概述所作題目的要求和意義、本人所做的工作及系

38、統(tǒng)的主要功能；</p><p>　　方案的論證和設(shè)計（有兩個以上的方案進行分析比較）(重點內(nèi)容)</p><p>　　具體電路的設(shè)計和參數(shù)的計算；(重點內(nèi)容)</p><p>　　電路性能測試與結(jié)果分析(重點內(nèi)容)</p><p>　　調(diào)試過程遇到的問題與解決的方法。</p><p><b>　　課程設(shè)計體會

39、</b></p><p><b>　　主要參考文獻</b></p><p><b>　　二、對報告的要求：</b></p><p>　　報告的字數(shù)應(yīng)在3000字左右；</p><p>　　頁面設(shè)置：上下左右頁邊距分別為2.5cm、2.0cm、2.5cm、2.0cm</p>

40、<p>　　正文字體：宋體，小四號字，行間距18磅</p><p><b>　　參考文獻要求如下：</b></p><p>　　論文參考文獻類型標(biāo)識：M-專著（書）； C-論文集； J-期刊文章； D-學(xué)位論文； R-報告； S-標(biāo)準(zhǔn)； P-專利； 并放在“論文標(biāo)題”與“刊名（書名）”之間。文獻的標(biāo)題，作者（僅需給出3位），年、卷、期、起始頁碼

41、均需給全。參考文獻不少于3篇，并在文中備注清楚．</p><p><b>　　例如：</b></p><p>　　[1] 蔡菲娜,劉勤賢,朱根興等. 數(shù)據(jù)融合方法在單傳感器系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].數(shù)據(jù)采集與處理.2005，3(1)：88~90 </p><p>　　[2] 鄭少仁，王海濤，趙志峰等. Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京:人民郵電出版