基于CD4069的放大电路设计

　　CD4069芯片是在数字电路和单片机系统中常用的 六反相器，他的结构比较简单，一共有六路反相器，一共有16个引脚，主要的参数见下图：

　　每一路反相器的的内部结构如下图的右边所示：

　　

　　CD4069引脚图与内部结构图

　　1.4069线性放大原理

　　4069包括6个非门。每个非门除了可以进行非运算之外，还可以用来做线性放大。典型的非门线性放大电路如下图所示。这样的电路为什么具有线性放大的功能呢？

　　

　　通常非门输入电压的高低是以电源电压的一半为分界的，在于电源电压一半的输入信号视为高电位信号，反之为低电位信号。其实这只是粗略的说法，并不是非门工作状态的真实情况。如果输入电压正好为电源电压的二分之一，也就是不高也不低，那末输出电压该如何呢？当非门输入电压为电源电压的一半时。非门的输出电压也为电源电压的一半。非门的输入电压在电源电压的二分之一附近有一个区间，称为状态转换区：当非门输入电压在电源电压的一半附近产生微小的变化时，亦可引起输出电压在电源电压的一半附近产生一定的变化。在这个区间内，非门的输出电压与输入电压之间成线性放大的关系。下图形象地表示出非门的线性放大性质，水平轴上的线段AB就是输入电压的状态转换区。非门电路在状态转换区内具有电压放大功能，状态转换区又叫线性放大区。

　　

　　如果电源电压是3V，则输入电压在1.5 V附近，从1.4V～1.6V之间变化，则可引起输出电压的线性变化。输出电压的变化范围在0V～3V之间。其变化幅度大于输入电压的变化。如果把输入电压的变化值记作△Vi，输出电压的变化值记作△Vo，则△Vo/△Vi为电压放大倍数。一般地，一个非门的电压放大倍数在20～30之间。

　　从上面的分析可知，只有输入电压在电源电压的一半附近的线性放大区内，非门才能正常地进行线性放大。怎样才能将输入端的电压保持在电源电压的一半呢？除了可以用两个电阻组成分压电路之外，通常是采用直流负反馈来实现的。电路中单阻Rf可将非门的输入电压锁定在线性放大区的中点，也就是电源电压的一半。电路中非门的输入端与输出端通过反馈电阻Rf相连，由于电阻Rf的直流负反馈作用，只要当输出端电压偏离电源电压的一半时，输入端就会给输出端一个纠正电压，使得输出端电压向电源电压的一半处偏移，直到输出电压和输入电压在该处达到动态平衡为止。也就是说由于负反馈电阻的存在，只有输入端电压保持在电源电压的一半时。非门的状态才能保持稳定。

　　如图的放大电路中，因为Rf除了提供直流负反馈之外，还有交流负反馈的功能，所以其阻值不能太小，一般在1M左右。为了使放大器对不同频率的输入信号进行均衡放大，电路接入了电阻Ri。该放大器的放大倍数与Ri和Rf有关。当Rf/Ri的值小于20的情况下，可以近似地认为该电路的放大倍数为Rf/Ri。例如当Rf为1M，Ri为‘100k，放大倍数则为1000/100=10。电容Ci的作用是隔离直流，传输交流信号。

　　2．声音灯光显示实验过程：

　　①按电路图组装作品。

　　②电路组装成功，接通电源，当周围环境有声响时，可以看到发光二极管LED随着声音闪亮。

　　实验分析与总结：

　　本电路是一个音频放大电路，它除了可以指示声音之外还可用于话筒的前级放大。该电路的放大倍数由3个非门放大电路所决定。

　　非门1的放大倍数为1000/47，约为20c，非门2、3的放大倍数为25c，整个音频放大器的放大倍数为20×25×25，约为1500倍。

　　电阻R2和电容C1决定音频放大器的频率特性，其最低频率为1/2丌R2×C1（Hz）。如下图电路的参数，该频率为1000000/（2×3．14×47k×O．47）一150（Hz）。

　　电路中二极管D不可缺少；通过实验可知。如果不用这个二极管，当有声音时，发光二极管也不会亮。这是因为电容C2的作用是阻挡直流电，通过交流电；而发光二极管可通过直流电，阻挡交流电。从非门输出的声音放大信号是脉动直流电，里面既有交流成分也有直流成分。但直流成分被电容C2阻挡，交流成分被二极管阻挡，所以电路中没有电流通过。加上二极管D后。通过电容C2的交流电可轮流通过二极管D和发光二极管。从另一个角度说，这个电路是倍压整流电路。

　　

　　3、拓展实验：

　　用喇叭、压电陶瓷片做麦克风的音频放大电路怎样用动圈喇叭、压电陶瓷片替代上面电路中的驻极体MIC呢？如果简单地把喇叭取代原来MIC的位置，并取消偏置电阻R1，这样的电路也是可以工作的。但通过使用就会发现，这样的音频放大电路效果较差。从显示声音的灯光就可以看出，其灵敏度较差。这是因为上述放大器的非门输入端电位等于电源电压的一半；如果麦克风输入的音频信号的电压均值也为电源电压的一半，则放大器的灵敏度和保真性比较高。但是把动圈喇叭、压电陶瓷片一端接地，则电路中电容C1两端电压不相等，会导致放大器工作不正常。怎样改善这一状况呢？上图、下图的电路可以有效地解决这一问题。

　　在电路中替代MIC的动圈喇叭、压电陶瓷片原来接地的一端接在了一个非门的输出端。由于这个非门的输入端与输出端有一个10k的负反馈电阻，使得该非门的输出端对交流信号来说，阻抗很小，可以视为接地；而它的直流电位则正好是电源电压的一半。经过实验对比，该电路可以得到满意的效果。

　　

　　

4、CD4069双声道放大器

　　利用数字集成电路TC4069UB（六反相器）、三只普通晶体管制作了一款双声道线路放大器。该集成电路内部有P型、N型两只场效管，若在反相器的输出端与输入端间增添一只负反馈偏置电阻，可将反相器工作点Q偏置在线性放大区，两只场效管均工作于放大区。虽然此放大区较窄，线性程度略差，但输入阻抗高，噪声小、功耗低，电压增益高，是一些常见电路无法比拟的。

　工作原理

　　输入信号经C’R’加到反相器输入端，R’是反相器输入电阻。经过三级反相器放大后的信号，经V’射极输出。V’射极电阻值较大，主要提高V’的输入阻抗，减少对前级反相器的影响。C3除将反相器输出信号耦合到V’的基极外，还将反相器与V’的直流通路隔离。为了使电路稳定工作，除了在三级反相器的输出与输入之间用R2产生负反馈之外，还在末级反相器的输出与输入之间（③脚与⑤脚间）接C2，使电路对高频信号有更强的负反馈作用。

　　稳压电源由V3、DW、R9组成简单的串联稳压电路。

　元件选择元件

　　无特别要求，印制板上最好采用14脚插座，以免焊接时损坏TC4069UB。V1、V2、V3 β值应》50，可用任何型号的NPN型晶体管，L、R声道的元件尽量参数一致。只要元件选取合理，无错，漏焊，无需调试，就可以正常使用。