多级交流放大器的设计经典电路

实验七多级交流放大器的设计

一．实验目的

1．学习多级交流放大器的设计方法。

2．掌握多级交流放大器的安装、调试与测量方法

二．预习要求

1．根据教材中介绍的方法，设计一个满足指标要求的多级交流放大器，计算出多级交流放大器中各元件的参数，画出标有元件值的电路图。

2．预习多级交流放大器的调试与测量方法，制定出实验方案，选择实验用的仪器设备。

三．实验原理

当需要放大低频范围内的交流信号时，可用集成运算放大器组成具有深度负反馈的交流放大器。由于交流放大器的级与级之间可以采用电容耦合方式，所以不用考虑运算放大器的失调参数和漂移的影响。因此，用运算放大器设计的交流放大器具有组装简单、调试方便、工作稳定等优点。

如果需要组成具有较宽频带的交流放大器，应选择宽带集成放大器，并使其处于深度负反馈。若要得到较高增益的宽带交流放大器，可用两个或两个以上的单级交流放大器级联组成。

在设计小信号多级宽带交流放大器时，输入到前级运算放大器的信号幅值较小，为了减小动态误差，应选择宽带运算放大器，并使它处于深度负反馈。由于运放的增益带宽积是一个常数，因此，加大负反馈深度，可以降低电压放大倍数，从而达到扩展频带宽度的目的。由于输入到后级运放的信号幅度较大，因此，后级运放在大信号的条件下工作，这时，影响误差的主要因素是运放的转换速率，运放的转换速率越大，误差越小。

四．设计方法与设计举例

169

170

1．设计方法与步骤：

（1） 确定放大器的级数n

根据多级放大器的电压放大倍数A u Σ和所选用的每级放大器的放大倍数A ui ，确定多级

放大器的级数n 。 （2） 选择电路形式 （3） 选择集成运算放大器

先初步选择一种类型的运放，然后根据所选运放的单位增益带宽BW ，计算出每级放大

器的带宽。 ui

Hi A BW

f =

（1） 并按（2）式算出。 121'-=n

Hi Hi

f f （2）

多级放大器的总带宽H f 必须满足： '

Hi H f f ≤ （3） 若'Hi H f f >，就不能满足技术指标提出的带宽要求，此时可再选择增益带宽

积更高的

运放。一直到多级放大器的总带宽H f 满足（3）式为止。

当所选择的运放满足带宽要求后，对末级放大器所选用的运放，其转换速率

R

S 必须满足： om R U f S ?≥max 2π （4）

否则会使输出波形严重失真。 （4） 选择供电方式

在交流放大器中的运放可以采用单电源供电或正负双电源供电方式。单电源供电与正

负双电源供电的区别是：单电源供电的电位参考点为负电源端（此时负电源端接地）。而正负双电源供电的参考电位是总电源的中间值（当正负电源的电压值相等时，参考电位为零）。 （5）计算各电阻值

根据交流放大器的输入电阻和对第一级电压放大倍数的要求，先确定出第一级的输入

电阻和负反馈支路的电阻，然后再根据第二级电压放大倍数的要求，确定出第二

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级的输入电阻和负反馈支路的电阻。按此顺序，逐渐地把每级的电阻值确定下来。 （6）计算耦合电容

当信号源的内阻和运放的输出电阻被忽略时，信号源与输入级之间、级与级之间的耦

合电容可按下式计算。 i

L R f C π2)

10~1(=

（5）

上式中，i R 是耦合电容C 所在级的输入电阻。类似地输出电容可按下式计算。

L

L R f C π2)

10~1(= （6）

2． 设计举例

要求设计一个交流放大器，性能指标为： 中频电压放大倍数：1000=u A 输入电阻： Ω=k R i 20

通频带：L H f f f -=?，其中 Hz f L 20≤，kHz f H 10≥ 最大不失真输出电压：V U om 5= 已知负载电阻：Ω=k R L 2 设计步骤：

（1） 确定放大器的级数n

由于所要求的电压放大倍数A u =1000，同相放大器的电压放大倍数在1~100之间，反相

放大器的电压放大倍数在0.1~100之间，因此采用两级就可以满足设计要求。在本例中放大器的级数选用两级。 （2） 选择电路形式

由于同相放大器的输入电阻比较高，在不接同相端平衡电阻R P 时，同相放大器的输入

电阻在10M Ω~100M Ω之间，接了同相端平衡电阻R P 后，输入电阻主要由R P 的值决定。反相放大器的输入电阻R i =R 1，R 1的取值一般在1k Ω~1M Ω之间，对于所设计的交流放大器，要求输入电阻R i =20k Ω，因此输入级无论采用同相放大器还是反相放大器都能满足要求。

由于交流放大器所要求的最大不失真输出电压U om =5V ，因此最大不失真输出电流：

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mA A R U I L om om 5.2105.210

25

33=?=?==

- 对于普通运放，其输出电流一般都在几毫安与十几毫安之间，因此无须采用扩流方式。

根据以上分析，采用图1

示两极交流放大电路。在图1 C 3 A 2

u o

相放大器，选择C 1

R L

A u1=10，以降低放大电路的信噪比。 R P1 R P2 第二级采用反相放大器，选择其

电压放大倍数A u2=100。此时，第 图1 两级交流放大电路 一级运放工作在小信号情况下，第二级运放工作在大信号的情况下。 （3）选择集成运算放大器

第一级交流放大器中，101=u A ，若该级运放选择741A μ，由于其单位增益带宽MHz BW 1=，因此第一级交流放大器的带宽1H f 为：

kHz A BW f u H 1001010

105611

==== Hz f f

n

H H 32

13

11'1104.64121010012?=-??=-=

因此H H f f >'

1kHz 10≥，故第一级交流放大器采用741A μ型运放，可满足设计

要求。

第二级交流放大器中，1002=u A ，若该级运放也选择741A μ，则该级放大器的带宽为：

kHz A BW f u H 1010100

104622

==== Hz f f

n

H H 32

13

12'21044.612101012?=-??=-=

因此H H f f <'

2（其中kHz f H 10≥），若第二级交流放大器采用741A μ，就不

能满足设计要求。

若选用LF347（或774A μ），由于LF347的单位增益带宽为4MHz ，转换速率

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us

V

S R 13=。因此第二级的带宽为：

kHz A BW f u H 40104100

1044622

=?=?== Hz f f

H H 32

13

2

12'2

107.2512104012?=-??=-=

因此H H f f >'

2，能满足设计的指标要求。

由于第二级运算放大器工作在大信号情况下，因此选择运放时，除了要考虑集成运放的增益带宽积外，还要考虑运放的转换速率R S ，要求所选运放的转换速率R S 满足：

om R U f S ?≥max 2π

将V U om 5=，kHz f 10max =代入上式，可求得s V S R μ314.0≥，对于LF347集成运放，其转换速率us

V

us V S R 314.013>=，因此满足设计要求。

（4）选择供电方式

在本设计课题中采用正负双电源供电方式。 （5） 计算电阻值

根据性能指标要求，输入电阻Ω=k R i 20，第一级放大器的输入电阻1p R 既是平衡电

阻，也是整个放大器的输入电阻，因此取Ω==k R R i p 201，由 111//R R R f p = 和

101111=+=R R A f u ，可得：Ω=k R 221,Ω=k R f 2001.

对于第二级放大器，1002

22-=-

=R R A f u ，取Ω=k R 102，则Ω=M R f 12，

Ω==k R R R f p 10//222，Ω==k R R i 1022。 （6） 计算耦合电容

对于交流同相放大器，耦合电容：

F R f C i L 6

3

110)98.3~398.0(10

20202)10~1(2)10~1(-?=???==

ππ

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取标称值，得：C 1=1μF

第一级放大器与第二级放大器之间的耦合电容：

F R f C i L 6

3

2210)96.7~796.0(1010202)10~1(2)10~1(-?=???==

ππ

其中，R i2=R 2=10k Ω，电容取标称值，得：C 2=1μF 第二级放大器输出端的的耦合电容：

F R f C L L 6

3

310)8.39~98.3(10

2202)10~1(2)10~1(-?=???==

ππ 取标称值，得：C 3=4.7μF

四.调试方法

1． 按图2

其中，R 2是第一级交流放大器的负载，也是 2 第二级交流放大器的输入电阻R i2，C 2是 A 1

u o

一级交流放大器与第二级交流放大 u i C 1

R 2

耦合电容。 R P1 2．从放大器的输入端输入频率为1kHz ，

幅度U im =5mV 的交流信号，用示波器在放大器 图2 第一级交流放大器 的输出端测出输出电压的幅值U o1m ，根据U im 图中：R P1=20k Ω，R 1=22k Ω，R f1=200k

Ω，

与U o1m 算出该级电压放大倍数A u1。然后将输 C 1=1μF ，C 2=1μF ，R 2=10k Ω

入信号的频率改为20Hz ，输入信号的幅度保持5mV 不变，测出对应的输出电压U

′o1m

，若U ′o1m =0.707 U o1m ， 说明已达到指标要求，若U ′o1m < 0.707 U o1m ，说明C 1、

C 2的值取得太小，此时应先加大C 1 的值，同时观察对应的输出电压U ′o1m ，然后再改变C 2 的值，一直调节到

U ′o1m =0.707 U o1m 为止；若U ′o1m >0.707 U o1m ，说明C 1、C 2的值取得太大，此时应先减小C 1的值，同时观察对应的输出电压U ′o1m ，然后再改变C 2的值，一直调节到U

′o1m

=0.707 U o1m 。此时第一级放大器就已经调试好了，接着就可以调试第二级放大

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器。

3． 按图3所示连接第二级放大器，在第二 R f2

级交流放大器的输入端输入频率为1kHz ，幅度

3 U im =50mV 的交流信号，用示波器在放大器的输出端测出输出电压的幅值U o2m ，根据U im 与U L 算出该级电压放大倍数A u2。然后将输入信号的频率改为20Hz ，输入信号的幅度保持不变，测出对应的输出电压U ′

o2m ，若U ′

o2m =0.707 U o2m ， 图3 第二级交流放大器

说明已达到指标要求，若U ′o2m < 0.707 U o2m ， 图中：C 2取第一级交流放大器调试后的值，

说明C 2、C 3的值取得太小，此时应先加大C 2 R P2=9.1k Ω,R f2=1M Ω，C 3=4.7μF,R L =2k Ω

的值，同时观察对应的输出电压U ′o2m ，然后再改变C 3的值，一直调节到U ′

o2m

=0.707U o2m 为止；若U ′

o2m >0.707U o2m ，说明C 2、C 3的值取得太大，此时应先减小C 2

的值，同时观察对应的输出电压U ′o2m ，然后再改变C 3的值，一直调节到U ′o2m =0.707 U o2m 。此时第二级放大器就已经调试好了。接着就可以将两级放大器连接起来调试。

4．按图1所示连接两级交流放大器（图中的元件值取：R P1=20k Ω，R 1=22k Ω，R f1=200k Ω，R 2=10k Ω，R P2=10k Ω，R f2=1M Ω，R L =2k Ω，C 1、C 2，C 3取前面调试后的值）

从放大器的输入端输入频率为1kHz ，幅度U im =5mV 的交流信号，用示波器在放大器的输出端测量输出电压的幅值U om ，根据U im 与U om 算出总的电压放大倍数A u

Σ

。然后将输入信号的频率改为20Hz ，保持输入信号的幅度不变，测出对应的输

出电压U ′om ，若U ′om =0.707 U om ，说明已达到指标要求，若U ′om < 0.707 U om ，可适当加大C 1的值，同时观察对应的输出电压U ′om ，然后再改变C 2与C 3的值，一直调节到U ′om =0.707 U om 时为止；若U ′om >0.707 U om ，可适当减小C 1的值，同时观察对应的输出电压U ′om ，然后再改变C 2与C 3的值，一直调节到U ′om =0.707 U om 。此时两级放大器就已经调试好了。接着可以进行其它性能的测试。

五．实验内容

1．设计一个交流放大器，性能指标为：

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中频电压放大倍数：1000=u A 输入电阻： Ω=k R i 20

通频带： L H f f f -=?，其中Hz f L 20≤，kHz f H 20≥ 最大不失真输出电压：V U om 5= 已知负载电阻：Ω=k R L 3

2．按照教材中所介绍的方法，设计出满足以上性能指标的交流放大器，计算出交流放大器中各元件的参数，安装和调试电路。

3．电路正常工作后，测出交流放大器的性能参数：中频电压放大倍数A u 、输入

电阻R i 、输出电阻R o 、交流放大器的下限频率f L 和上限频率f H 。

六．实验报告要求

1． 列出设计题目和技术指标要求。

2． 列出设计步骤和电路中各参数的计算结果。 3． 画出标有元件值的电路图。 4． 列出性能指标的测试过程

5． 整理实验数据，并与理论值进行比较。