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
1．设计方法与步骤：
169
170
（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
171
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： mA A R U I L
om om 5.210
5.210
253
3
=⨯=⨯=
=
-
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所
示两极交流放大电路。在图1的交流放大电路中，第一级采用同相放大器，选择其电压放大倍数A u1=10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：
172
kHz A BW f u H 10010
10
10
5
6
1
1===
=
Hz f f
n
H H 3
21
3
1
1'1
104.64121010012⨯=-⨯
⨯=-=
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 1010
100
10
4
6
2
2===
=
Hz f f n H H 3
21
3
1
2
'
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us
V S R 13=。
因此第二级的带宽为：
kHz A BW f u H 4010
4100
1044
6
2
2=⨯=⨯=
=
Hz f f H H 3
21
3
21
2
'
2107.2512104012⨯=-⨯⨯=-=
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.
