负反馈放大电路的设计与制作

信息工程系课程设计报告

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目录

一、摘要

(4)

二、设计任务及要求

(4)

三、负反馈放大电路设计的一般原则

（1）反馈方式的选择 (4)

（2）放大管得选择 (5)

（3）级数的选择 (6)

（4）电路的确定 (6)

四、设计过程

(1)确定方案 (7)

(2)电路参数的计算 (9)

(3)计算技术指标 (13)

五、调试要点

(15)

负反馈放大电路的设计与制作

摘要

本文是负反馈放大电路的设计，而设计需要根据技术指标及

要求来确定放大电路的结构、级数和电路元件参数及型号等，此

次要求电路的输入电阻高输出电阻小，稳定性要好，频带宽度适

中，尽量小的失真等等...。因而我们会根据这些要求，一一计

算出技术指标和元件的参数，确定反馈类型，选取三种预选方案，

通过比较选择符合要求，我们最终选择了方案一，经过布线、焊

接、调试等工作后负反馈放大电路设计制作成功。

关键词：负反馈放大电路 电路设计 电路制作

一、设计任务及要求

用分离元器件设计一个交流放大电路，用于指示仪表放大弱信

号，具体指标如下：

（1） 工作频率：kHz Hz f 30~30=。

（2） 信号源：mV U i 10=(有效值)，内阻Ω=50s R 。

（3） 输出要求：V U 10≥（有效值），输出电阻小于Ω10，输出电

流mA I o 1≤(有效值)。

（4） 输入要求：输入电阻大于ΩK 20。

（5） 工作稳定性：当电路元器件改变时，若%10=?m m A A ，则%1

（6） 频带宽度：kHz B W 600~30=。

二、设计原理框图及基本公式

图中X 表示电压或电流信号；箭头表示信号传输的方向；符号¤

表示输入求和，+、–表示输入信号

与反馈信号是相减关系（负反

馈），即放大电路的净输入信号为

（1）

基本放大电路的增益（开环增益）为

（2）

反馈系数为

（3）

负反馈放大电路的增益（闭环增益）为

（4）

三、负反馈放大电路设计的一般原则

1、反馈方式的选择

采用什么反馈方式，主要根据负载的要求及信号源内阻的情况来

考虑。在负载变化的情况下，要求放大电路定压输出时，就需要采用

电压负反馈;在负载变化情况下，要求放大电路衡量输出时，就要采

用电流负反馈。至于输入端采用串联还是并联方式，主要根据对放大

电路输入电阻的要求而定。当要求放大电路具有高的输入电阻时，宜

采用串联反馈;当要求放大电路具有低输入电阻时，宜采用并联反馈。

如仅仅为了提高输入电阻，降低输出电阻（即阻抗变换）时，宜采用

射极输出器。

反馈深度主要根据放大电路的用途及指标要求而定。

对音频放大电路，主要是用负反馈减小非线性失真，设计时一般

取101=+AF 左右。

对测量仪表中使用的放大电路，要求放大倍数要有较高的稳定

度，而采用负反馈的目的主要是提高放大倍数的稳定度，因此根据不

同的要求可取AF +1为几十几百。

对高放大倍数宽频带放大电路，采用负反馈的目的主要是展宽频

带，这时采用多级放大加深容易产生自激，且在幅频特性的高、底频

段易产生凸起的现象。因此首先要保证每一级有足够宽的频带，入在

两级之间采用低输入电阻的接法（例如共射—共基的形式）去解决

2、放大管得选择

如果放大电路的级数多，而输入信号很弱时（微伏级），必须考

虑输入级放大管得噪声所产生的影响，为此前置放大级因选用低噪声的管子。当要求放大电路的频带很宽时，应选用截止频率T f较高的管

p小子。从集电极损耗的角度出发，由前级放大的输出变小，可选用CM

的管子，其静态工作点也要选得低一些（E I小），这样可以减小噪声；

p大但对输出级而言，因其输出电压和输出电流都较大，故需选用CM

得管子。

3、级数的选择

放大电路级数可根据无反馈时的放大倍数而定，而此放大倍数又

要根据所要求的闭环放大倍数和反馈深度而定，因此设计时首先根据技术指标确定出它的闭环放大倍数f A及反馈深度AF

1，然而确定所

需的f A，

确定了A的数值，放大电路级数大致可以用下列原则来确定：几

十至百倍左右采用一级或两级，几百至几千倍左右采用两级或三级，

几千倍以上采用级或四级（射级输出器不计，因其A约为1）。一般

情况下很少采用四级以上，应为这将给施加反馈后的补偿工作带来很

大的困难，但如反馈只加在每两级之间也是可以的。

4、电路的确定

根据不同要求，放大电路中各级所选用的电路也是吧不同的。

（1）输入级。输入级采用什么电路主要决定于信号源的特点。如

果信号源不允许取较大的电流，则输入级应具有高的输入电阻，那么

以采用射级输出器为宜，如要求有较高的输入电阻（Ω>M r i 1），可采

用场效应管，并采用自举电路或多级串联负反馈放大电路。如信号源

要求放大电路具有低的输入电阻，则可用电压并联反馈放大电路。如

果无特殊要求，可选用一般的共射放大电路。

输入级放大管的静态工资点一般取V U A I CE E )2~1(m 1=≤，。

（2）中间级。中间级只要是积累电压及电流放大倍数，多采用共

射反大电路，而且选用β大的管子。其静态工作点一般为

V U mA I CE )5~2(,)3~1(==。

（3）输出级。输出级采用什么电路主要决定于负载要求。如负载

电阻较大（几千欧左右），而且主要是输出电压，则可用共射放大电

路；反之，如负载为低阻，且在较大范围内变化时，则射级输出器。

如果负载需要阻抗匹配，可用变压器输出。

因输出级的电压和输出电流都较大，其静态工作点的选择要比较

中间级为高，具体数值要视输出电压和输出电流的大小而定。

四、设计方案及选定

方案一

采用三个NPN 型三级管放大

(1)该设计采用电压串联负反馈

(2)第一级采用局部电流负反馈，所需反馈深度为：1+AF=

i if r r ,从放大性能稳定度确定反馈深度，uf uf uo uo A A A A AF //1??=

+,估算A 值根据指标的要求，计算电路闭环放大倍数：i

o F U U A ≥

（3）在R

1f 和R

2

f

不加旁路电容以便引入局部负反馈以稳定每

一级的放大倍数

（4）放大管的选择：因设计中前两级放大对管子无特别要求，统一采用了3DG100如图：

原理图

根据以上分析确定电路图

（5）输出到输入级的反馈是从的射级反馈到的射级组成电压串联负反馈的形式

方案二

该设计采用集成运算放大器

（1） 本方案采用差分放大电路原理与集成运算放大

结合在一起形成电压串联负反馈放大电路

（2） 反馈元件F R ，起到反馈作用，将集成运算放大

器的输出电压反馈到2T

的基级。

（3） 估算A 值根据指标的要求，计算电路闭环放大倍数：

i

o F v v A （4） 根据设计要求确定电路电路元件的各种参数

方案三

方案三为一三级负反馈放大电路，信号从输入级经电容耦合后由

第一个共发射极的三极管放大，并从集电极输出，经电容耦合后作为

下一级的输入信号。第二级放大电路同样也是从集电极输出信号，同

时形成电流并联负反馈作用与第一级放大电路的输入端。从第二级放

大电路输出的信号经电容耦合后输入第三级共集电极的放大电路，放

大后从发射极经电容耦合后输出。同时形成电流串联负反馈。因为基

极与集电极，基极与发射间有电阻所以该电路的优点是各级放大电路

的静态工作点相互独立，能很好的稳定电路且输入电阻大，放大倍数

高。缺点是不能放大变化缓慢的信号，输出电阻很可能达不到要求。

方案比较

在以上三个方案中比较选择一个最终确定方案

方案二与方案一比较:方案二采用了集成运算放大器,与差分放

大电路,经过数据分析达到指标要求,但与方案一相比,方案一在实验

室更易实现(集成运算放大器不仅价格贵,在实验中易损坏)，而方案

二缺点是各静态工作点不能相互独立，不能保证输出稳定。方案三放

大变化缓慢的信号。通过以上比较最终确定采用方案一。

五、方案一设计过程

1、确实方案参数

（1）确实反馈深度。从所给的指标来看，设计中需要解决的主要

是输出电阻、输入电阻及对放大性能稳定的要求等三个问题。由于要

求输出电阻较低，故输出级采用射级输出器，但它的输出的电阻大致

欧。为几十欧，应此需要引入一定程度的电压负反馈才能达到指标要

求。设射级输出器的输出电阻为Ω100，则所需反馈深度为

1010100r 100===+f r AF

另外，还要考虑输入电阻和放大性能的稳定性对反馈深度的要

求，才能最后确定反馈深度的大小。

由于放大电路的输入电阻指标为Ωk 20，此数值不是很高，故可

以采用电压串联负反馈的方式来实现。假定无反馈时，基本放大电路

的输入电阻为Ω=k r i 5.2（第一级可采用局部电流负反馈），则所需的

反馈深度为

85.2201===+i if

r r AF

最后从放大性能稳定度也可以确定出所需反馈深度为

10110//1==??=+uf uf uo uo A A A A AF

综上所述，在设计放大电路时所需反馈深度为10，故取1+AF=10.

（2）估算A 值。根据指标要求，放大电路的闭环放大倍数应为

10010010==≥mV V U U A i f

由此可以求出

100010010)1(=?=+≥f A AF A

因输出级才用了射级输入器，其电压放大倍数接近1，故所需用

两级共射放大才能达到1000倍。考虑到仪表对放大电路稳定性能要

求较高，故采用典型的两级直接耦合双管放大单元，如图6.43所示。

其中1F R 和2F R 不加旁路电容式为了引入局部负反馈以稳定每一级的

放大倍数。1R 和4C 是去耦电路，用以消弱由于电源存在内阻而在3CC V 出

现的电压波动，使它尽可能少传到1CC V 。

（3）放大管得的选择。由于3VT 需要输出电流的最大值

mA I I L LM 4.12==,为了保证不失真，要求LM E I I 23≥,因此它的射级电流

mA I E 3mA 4.123≈?≥，故选用小功率管3DG100即可，其参数如下：

mW

P V U mA I CM CEO BR CM 100,45,20)(===。 因前两级放大对管子无特殊要求，为了统一起见，均采用1003DG 。 根据以上考虑，初步电路如原理图所示。输出级到输入级的负反馈是

从3VT 的射级反馈到1VT 的射级，组成电压串联负反馈的形式。

2.电路参数的计算

首先要初步确定出给级的电压放大倍数，然后才能根据它们来计

算出各级的电路参数。前面已经指出双管放大单元的电压放大倍数应满足100021≥u u A A ，那么，如何分配1u A 及2u A 呢？邮电路结构可知，为了使放大电路的输入阻抗高，工作性能稳定，在第1级和第2级中都串入了1F R 和2F R 以便实现局部负反馈作用，因此它们的电压放大倍数都不会很高。各级的电压放大倍数可初步分配为1,40,30321≈≈≈u u u A A A ，这样总的电压放大倍数120014030=??≈u A ，略大于1000（多出的数值是为了留一定的余量）。

(1)输出级的计算。由于输出电压V U 10=（有效值），输出电流A I m 10=（有效值），故负载电阻

Ω==K I U R O O L 1 ①确定CC V 和3E R 。在射级输出器中，一般根据L E R R )2~1(=来选择E R ，取系数为2，则

Ω==Ω==667//,2233L E L L E R R R k R R

在图6.44中，取V U mA I C C 1,1min min ==,可以求出

mA R U I I L LR C E 12.3667.0121min 3=?+=+=

V R I U U V E E LP C CC 64.8212.34.1133min min =?++=?++=式中，LP U 是输出负载电压峰值。为了留有余量取mA I E 5.33=,V V CC 12=;由此可以求出V R I U E E E 725.3333=?==。

②确定31B R 及32B R 。为了计算31B R 及32B R ，首先要求出3B U 及3B I ，由图6.44可知，V U U U BE E B 7.77.07333=+=+= 。选用503=β的管子，则

uA mA I I C B 7007.0505.3333====β

选用mA I I B RB 7.0~35.0)10~5(3≈=,为了提高本级输入电阻，取0.35mA ，则得

Ω===K I U R RB B B 235.0/7.7/33

Ω=-=-=K I U V R RB B CC B 3.1235.0/)7.712(/)(332

取Ω=K R B 1332,由此可以求出输出级对第2级的等效负载电阻约为

Ω≈?=+==K R R R r R L B B i L 6.6)67.051//(22//13)1//(//3313232β

式中忽略了3be r 的影响。

③确定3C 及2C 。由于有三级电容耦合，根据多级放大器下限截止频率的计算公式

2322211.1L L L L f f f f ++=

假设没级下限频率相同，则各级的下限频率为

Hz f f L L 1531.1≈=

为了留有余地，忽略第2级输出电阻（因尚未标出），则

uF F R f C L L )1.16~82.4(16)1.16~82.4(21)10~3(622=?=??=-π

因此，可选用uF 10点解电容器。

同理，忽略射级输出器的输出电阻，则

uF F R f C L L )2.106~8.31(16)2.106~8.31(21)10~3(63=?=??=-π

因此，可选用uF 100电解电容。

（放大单元电路图）

放大倍数为： ?????? ???+?≈?????? ???++?=++?=

2222222222222222

2211111)1(F be C be F be C be F be C u R r R r R r R r R r R A ββββββ 选A I E m 12=，且502=β，则

Ω≈++=++=K I I U r r E E T bb be 63.126)150(300)1(22222β

又由于预先规定了Ω==51,4022F u R A ，代入2u A 的公式则得

051.06.3016.30402

?+=C R

由此可以解得Ω=k R C 35.32。再利用222//L C C R R R =代入Ω=k R L 6.62，则

22

6.66.635.3C C R R +?=

由此可以求出Ω=k R C 8.62。

选mA I V U C CE 1,322==,则由2222)(CE E F C C CC U R R R I V +++=可得

3051.08.61122+++?=）（E R

由此可以求出Ω=k 15.22E R ，取Ω=k 2.22E R 。

第2级的输入电阻可以计算如下

(2)双管放大单元电路的计算；

①确定第2级的电路参数。为了稳定放

大倍数，在电路中引入2F R ，如图6.45

所示，一般取几欧至几百欧。由于希望

这一级的电压放大倍数大些，故取较小 的Ω=512F R ，由此可以求出这级的电压

Ω=?+=++=K R r r F be i 23.4051.05163.1)1(2222β

②确定第1级的电路参数。电路如图所示。

理由同样的原理可以求得

?????? ???+≈++?=

1111111111

11111F be C be F be C u R r R r R r A ））（βββββ 为了获得高输入电阻，而且希望1u A 也不要太小，并与第2级的阻值一致以减少元器件的种类，取Ω=511F R ,代入301=u A ，可得Ω=K R C 3.31,再利用211//i C C r R R =，求出Ω=k R C 151。

为了计算1E R ,选V U E 11=,则有

1)(111=+E F E R R I

得出

Ω=-=-=K R I R F E E 95.105.05.011111

选1E R 为Ωk 2。

为了求1B R ,可先求

uA I I C B 10505.011

1===β

由此可得

为了提高输入电阻而又不致使放大

倍数大抵，应取A I E m 5.01=，并选501=β，

则

Ω≈+=++=k I U r r E T bb be 95.25.02651300)1(111β

Ω=+-?=-=K I U U R B B E B 5101.0)7.01(12.21121

选ΩK 51。

为了确定去耦电阻1R ,需先求出

V U R I R U BE F E E C 95.222221=+?+=

再利用)(1111C C CC C R R I V U +-=,可求得Ω=k R 1.31，取1R 为Ωk 3.3。 为了减少元件种类，1C 选10uF,1E C 及2E C 选用100uF ，均为电解

电容。有下限频率L ω可以验证111//1

F B L R R βω<<,21221βωE be F L R r R ++<<.

(3)反馈元器件3F R 及F C 的计算。由于101=+AF ，又已知1000=A 。则%9.0=F 。再利用

3F F F

R R R F +=

可求出Ω=k 5.53F R ，选Ωk 1.5。

4C 选用uF 10电容器，可以验证

141R C L <<ω

3、核算技术指标

确定放大管得静态工作点及电路元件后，放大电路的各项技术指标是否能满足要求，尚需进行最后的核算。

(1)核算u A ：

①核算射级输出器的电压放大倍数。射级输出器的电压放大倍数可用下式求得

'33'3311L be L u R r R A ）（）（ββ+++=

式中，

Ω≈=+≈K R R R R R R F F L E L L 59.01.5//1//2)//(//133'' Ω≈Ω=+=++=6806795.3265130026)1(300333E be I r β

因此得

978.0590)501(680590)501(3=?++?+≈u A

②核算第2级电压放大倍数

第2级电压放大倍数由用下式求得

222332312

2222'222)1(]//////[)1(F be i B B C F be C u R r r R R R R r R A ββββ++=++=

式中，Ω≈?++=++=k R r r L be i 7.3059.0)501(68.0)1(333β，Ω=k r be 63.12。因此可得

1.39051.0)501(63.1)7.30//22//13//7.6(502=?++?=u A

③核算第1级电压放大器放大倍数

第1级电压放大倍数用下式求得

'111211'111'111)//(1F be i C F be L u R r r R R r R A ）（）（ββββ++=++=

式中，Ω≈=51//31'1F F F R R R ,Ω=k r e 96.21，Ω=k r i 23.42，因此可得

7.29051.0)501(96.2)23.4//15(501=?++=u A

因此可求出10001136978.01.397.29321>=??==u u u u A A A A

这说明放大电路元器件的选择是合适的。

(2)核算输出电阻。放大电路开环时的输入电阻为

Ω=++=++=811.5//501)22//13//8.6(68.0//2//1)////(//333132233F B B C eb E o R R R R r R r β

故得

Ω==+=1.810811AF r r o of

因此可满足要求。

(3)核算输入电阻。放大电路开环时的输入电阻为

11//i B i r R r =

式中，Ω=?++=?++=k R R r r F F be i 56.5051.0)501(96.2)//()11(3111β，因此可求出闭环时的输入电阻为

Ω=?=+=k AF r r i f i 5.551055.5)1(11

因此，总输入电阻为Ω

>Ω===k k R r r B f i if 206.2651//5.55//11，可满足要求。 (4)核算放大电路是否稳定，可以判断本例电路不会产生震荡 以上电路是利用分离元件构成的负反馈放大电路，当上限截止频率不高时（一般几百千赫一下），也可以利用通用集成运算放大器实现（如图）。

六、实际制板操作

① 印制电路的设计与制作

② 按一比一的比例绘出电路图（宽80mm 、高70mm ）标出尺寸（见附录）

③ 单面敷铜板下料并打磨边框

④ 在敷铜面复制电路。

⑤ 用钢板尺和木工刀雕刻电路。

⑥ 在钻场上钻出?=0.8mm 的通孔。

⑦ 去氧化层涂助焊剂

⑧ 元器件的识别与参数的测量及引脚的成形。

⑨ 元件的装插（首环在左边）。

⑩ 焊接按五步法焊接

1、 烙铁头紧靠焊接头

2、 喂锡要饱和

3、 侵润一秒

4、 去烙铁，整理（3—5秒）。

5、 形成合金。

七、 电路的测量与组成：

静态调试与设置，通上12V 电压后分别测量Vcc 的电路，根据数据所示

(1)、C V 、C V 波形测量加入偏置电流，用测量i V ,o V 的波形，用毫伏表测量出i V ,o V 的大小，令mV V i 10= kHz f 1=。