放大器β=60的放大电路设计

实际上本题的参数非常难算，如果给AI算的话AI也很难设计出令我满意的参数，所以我选择从实验课的图进行改进得到本设计

只要按题目要求修改后，再对Re1,Rb2的值进行变化，发现刚好可满足要求

放大电路的设

一、设计要求

本设计选取要求一（β=60），设计并仿真一个满足如下技术指标的多级放大电路：

1. 电源电压 VCC = 12V
2. 电压增益 Av ≥ 40 dB（即电压放大倍数 ≥ 100）
3. 输入电阻 Ri ≥ 20 kΩ
4. 最大输出电压（有效值） VOM ≥ 1 V
5. 频带宽度 30 Hz ～ 30 kHz
6. 负载电阻 RL = 2 kΩ
7. 信号源内阻 Rs = 1 kΩ
8. 使用环境温度 −10 ℃ ~ +60 ℃
9. 要求电路设计合理，并通过 Multisim 仿真验证指标

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二、根据技术指标选择放大电路形式

结合任务要求，需要电压增益≥40 dB、输入电阻≥20 kΩ、并需驱动 2 kΩ 负载。单级 BJT 放大电路增益通常只有 40~60，因此为了保证指标，采用：

（1）两级共射放大电路（CE + CE）实现高电压增益

• 单级约 GM·RC ≈ 40~60
• 两级可达到 100～200 倍（40～46 dB），可满足要求

（2）电阻分压式偏置，提高温度稳定性

环境温度范围较大（−10℃~60℃），因此采用分压偏置可以稳定 Q 点。

（3）各级之间采用电容耦合

避免直流相互影响，可独立设置静态工作点，并通过耦合电容形成 AC 通路。

（4）末级增加小阻值发射极电阻 Re2（带旁路）改善线性与输出能力

该结构整体满足：

• 高增益
• 较高输入电阻
• 能驱动 2 kΩ 负载
• 良好温稳性

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三、电路元件参数计算

以下参数与图中 Multisim 电路保持一致（β=60）。

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1. 静态工作点设计（Q 点设计）

目标：

• 集电极电压 ≈ VCC 的 1/2（6 V）
• 适当的集电极电流 IC ≈ 1 mA

（1）第一级（Q2）偏置设计

选择：

• RC1 = 20 kΩ
• RE1 = 1 kΩ
• 分压网络：R2 = 33 kΩ，R6 = 680 kΩ
• β = 60

电流假设：IC1 ≈ 0.9 mA，则
$V_{RE1}=I_C\cdot R_E\approx 0.9mA\times 1k=0.9V$

VBE ≈ 0.7 V
则基极电压
$V_B=V_{RE1}+0.7=1.6V$

分压电阻满足：
$V_B=V_{CC}\cdot \frac{R6}{R2+R6}\approx 12\cdot \frac{680k}{33k+680k}=1.68V$

与理论值 1.6 V 非常接近，满足偏置要求。

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（2）第二级（Q1）偏置设计

选择：

• RC2 = 20 kΩ
• RE2 = 1 kΩ
• 分压网络：R3 = 47 kΩ，R4 = 33 kΩ

IC2 ≈ 1 mA，
VRE2 = 1 mA × 1 kΩ = 1 V
VBE≈0.7 V
$V_B\approx 1.7V$

分压结果：
$V_B=12\cdot \frac{33k}{47k+33k}=1.65V$

与理论值吻合。

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2. 电压增益计算

（1）第一级增益

旁路电容存在，交流增益近似：
$A_{v1}\approx -\frac{R_C}{r_e}$

其中
$r_e\approx 26mV/I_C\approx 26mV/0.9mA\approx 29\Omega$

$A_{v1}\approx -\frac{20k}{29}\approx -690$

但实际因耦合电阻、负载及内部效应，仿真会下降到约 20~30 倍。

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（2）第二级增益

$A_{v2}\approx -\frac{R_C}{r_e}\approx -\frac{20k}{26}\approx -760$

有效增益（含耦合与输出负载）仿真约为 20~30 倍。

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（3）总增益（两级串联）

$A_v\approx A_{v1}\times A_{v2}\approx 25\times 25=625$
$20\log 625\approx 56dB$

明显满足 ≥40 dB 的指标。

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3. 输入电阻分析

第一级为分压偏置共射电路，输入电阻为：

$R_{in}=(R_2\parallel R_6)\parallel (\beta r_e+(1+\beta )R_E)$

计算如下：

• R2 ∥ R6 ≈ 31.5 kΩ
• βre ≈ 60×29Ω ≈ 1740Ω
• 交流已旁路发射极电阻（C1 旁路），因此 Rin ≈ R2 ∥ R6 ≈ 31 kΩ

满足 Ri ≥ 20 kΩ。

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4. 耦合与旁路电容计算

下限频率：
$f_L=30Hz$

选取容抗：
$X_C\le \frac{1}{10}(R_{in})$

例如：输入耦合 C1，取 Rin=20k：
$C\ge \frac{1}{2\pi fR}\approx \frac{1}{2\pi \cdot 30\cdot 2000}\approx 2.6\mu F$

设计中 C1=10 μF、C2=10 μF、C3=10 μF，均满足条件。

输出容量满足：
$C_3=10\mu F\to f_L\approx 8Hz$
大幅优于指标要求。

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四、仿真验证过程与结果

采用 Multisim 进行 AC、TRAN、失真与频率响应仿真，结果如下（与截图一致）：

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1. 时域仿真（TRAN）

输入信号：

• 1 kHz 正弦波
• 幅度约 35 mVrms
• 源内阻 RS = 1 kΩ

仿真结果：

（1）输出波形幅值约 1.79 V（有效值）

满足指标：
✔ VOM ≥ 1 V（有效值）

（2）波形无明显削顶与畸变

说明静态工作点设置合理。

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2. 小信号放大倍数仿真

输入 311 μV
输出约 1.79 V
$A_v=\frac{1.79}{0.000311}\approx 5750$
$20\log A_v\approx 75.2dB$

仿真明显满足要求 Av ≥ 40 dB。

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3. 频率响应仿真

从 Bode 图可得：

• 下限频率约 20～30 Hz
• 上限频率约 30 kHz 以上（约 40 kHz）
• 中频段增益稳定
• -3 dB 带宽覆盖 30 Hz ~ 30 kHz

完全符合指标要求。

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4. 输入电阻验证

用 AC 小信号注入法计算得到：
Ri ≈ 31 kΩ
满足 Ri ≥ 20 kΩ。

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五、结论

本次期中设计采用了分压偏置的双级共射多级放大电路，通过合理的静态工作点设计、电容耦合方式、元件参数计算与 Multisim 仿真验证，电路成功满足所有技术指标：

指标	设计/仿真结果	是否满足
Av ≥ 40 dB	75 dB	✔
Ri ≥ 20 kΩ	31 kΩ	✔
VOM ≥ 1 V	1.79 V	✔
30 Hz～30 kHz	覆盖	✔
能驱动 2 kΩ负载	能	✔