單管放大器的設(shè)計(jì)與仿真及誤差分析

1、瞪南砰露學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：?jiǎn)喂芊糯笃鞯脑O(shè)計(jì)與仿真學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號(hào)：系另1(:專業(yè)：電子信息工程屆別：指導(dǎo)教師：電氣信息工程學(xué)院制2013年3月目錄引言1任務(wù)與要求2系統(tǒng)方案制定3系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4系統(tǒng)仿真和調(diào)試5數(shù)據(jù)分析6總結(jié)7參考文獻(xiàn)8附錄單管放大器的設(shè)計(jì)與仿真學(xué)生：指導(dǎo)教師：電氣信息工程學(xué)院電子信息工程專業(yè)引言：放大現(xiàn)象存在于各種場(chǎng)合中，例如，利用放大鏡放大微小的物體，這是光學(xué)中的放大；利用杠桿原理用小力移動(dòng)重物，這是力學(xué)中的放大；利用變壓器將低電壓變換為高電壓，這是電學(xué)中的放大。而作為電子電路中的放大晶體管放大器是放大電路的基礎(chǔ)I”，也是模擬電子技術(shù)、電工電子技術(shù)等課程的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)

2、項(xiàng)目，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容涉及方面廣泛。本文已常見的作為集成運(yùn)放電路的中間級(jí)的共射放大電路為討論對(duì)象，一方面，對(duì)具體包括模擬電路的一般設(shè)計(jì)步驟、單管共射放大電路設(shè)計(jì)方案的擬定、靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置與電路元件參數(shù)的選取、放大電路性能指標(biāo)的測(cè)量、穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的措施等做闡述。本文采用的是分壓式電流負(fù)反饋偏置電路設(shè)計(jì)成的共發(fā)射極放大器，對(duì)分壓式電流負(fù)反饋偏置電路能穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的原理作了說明，并將對(duì)晶體管放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置與調(diào)整方法、放大電路的性能指標(biāo)與測(cè)試方法、放大器的調(diào)試技術(shù)做闡述。介紹模擬電子電路的一般設(shè)計(jì)方法和思路，以及Multsim和Matlab軟件的一些基本操作和仿真功能。1任務(wù)與要求1.1 設(shè)計(jì)的

3、任務(wù)：本文采用的是分壓式電流負(fù)反饋偏置電路設(shè)計(jì)成的共發(fā)射極放大器，對(duì)分壓式電流負(fù)反饋偏置電路能穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)的原理作了說明，并將對(duì)晶體管放大器靜態(tài)工作點(diǎn)的設(shè)置與調(diào)整方法、放大電路的性能指標(biāo)與測(cè)試方法、放大器的調(diào)試技術(shù)做闡述。1.2 單管放大器設(shè)計(jì)的要求：(1) Vcc12V,Rl3k,Vi10mA,Rs600(2) AV40,R1kQ,Ro3k,fL100Hz,fH100kHz(3)溫度特性好；bjt的參數(shù)對(duì)放大器性能影響??；具有最大不失真動(dòng)態(tài)范圍。1.3單管放大器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)：1)選定電路形式選定為共射放大電路圖1.12）選用三極管因設(shè)計(jì)要求fH100kHz,儲(chǔ)的指標(biāo)要求較高。一般來說，B

4、JT的l愈大，Cb，e、Cbc愈小，fH愈高。故選定BJT為2N222,其Icm600mA,V（br）ceo20V,Pcm625mW.300MHz,Iceo0.01mA,Mfe（）為60-300。對(duì)于小信號(hào)電壓放大電路，工程上通常要求的數(shù)值大于Av的數(shù)值，故取二60。26mAICQ(mA)3）設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)并計(jì)算元件參數(shù)由設(shè)計(jì)要求Ri（RiG）1k，取版,=200有&附&r附ICQ(mA)2.0mA冷也601.95mA,取IcqRirbb1000200取vbq3.7V,Vbeq0.7V有ReVbqVbeqCQ3.70.72.01.5kQ,取E24系列(5%)標(biāo)稱值，Re1.0kQ由圖3.1有V

5、bqRb211Vbq(510)1CQ603.7(510)2(1224)kQ取E34系列標(biāo)稱值，Rb230KVBQVCC-Rb1Rb2Rb2VccVbqRb1Rb2Vbq30(123.7取E24系列標(biāo)稱值，Rb157Kberbb26mV20060Icq(mA)269802RcRlRlRlRl取E24系列標(biāo)稱值,Rc2KQcA400.980.65KQ6030.651.14KQ30.65放大電路的通頻帶主要受電路中存在的各種電容的影響，fH主要受BJT結(jié)電容及電路中分布電容的限制；fL主要受耦合電容Cb1、Cb2及旁路電容Ce的影響。要嚴(yán)格計(jì)算Cb1、Cb2及Ce同時(shí)作用對(duì)fL的影響，計(jì)算較為復(fù)雜。

6、通過分析可知,Cb1、Cb2、Ce愈大，fL愈低，因此，在工程設(shè)計(jì)中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常采用以Cb1或Cb2或Ce單獨(dú)作用時(shí)的轉(zhuǎn)折頻率作為基本頻率，再降低若干倍作為下限頻率的方法，電咨Cb1、Cb2、Ce單獨(dú)作用時(shí)對(duì)應(yīng)的等效回路分別如圖4.3（a）、（b）、（c）所示。如果設(shè)計(jì)要求中,fL為已知量，則可按下列表達(dá)式估算:bl(310)2fL(Rsbe)b2(310)(b)(113)Rr2fl(Re一sb)1般常取Cb1Cb2,可在式中選用回路電阻較小的一式計(jì)算由于（Rs(RcRL),故取CbiCbiCb2(310)12(Rsbe)(310)12100(6001240)(2.68.6)F取Cb1

7、Cb210F/25V,有Ce(1-3)12fL(ReRsrbe)1(1-3)1-7Z60012402100(1600/)160(53159)F取Ce100F/25V2系統(tǒng)方案制定3單管放大器的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì):3.1 Multsim軟件介紹NIMultisim10軟件是一個(gè)專門用于電子電路仿真與設(shè)計(jì)的EDA工具軟件。作為Windows下運(yùn)行的個(gè)人桌面電子設(shè)計(jì)工具，NIMultisim10是一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境。multisim10作為著名的電路設(shè)計(jì)與仿真軟件，不需要真實(shí)電路環(huán)境介入，具有仿真速度快，精確度高，準(zhǔn)確，形象等優(yōu)點(diǎn)。本文利用multisim10軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，具體對(duì)共射放大電路進(jìn)行

8、了靜態(tài)工作點(diǎn)仿真分析、動(dòng)態(tài)分析、瞬態(tài)特性分析、靈敏度分析、參數(shù)掃面分析，可以動(dòng)態(tài)直觀地觀察不同參數(shù)對(duì)放大電路性能指標(biāo)的影響，對(duì)理解實(shí)驗(yàn)原理，熟悉實(shí)驗(yàn)過程具有很大的幫助，了解了multisim10仿真軟件的一些基本仿真功能和應(yīng)用，提高了運(yùn)用multisim10實(shí)際動(dòng)手進(jìn)行電路仿真操作的能力。NIMultisim10計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實(shí)際動(dòng)手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的這一問題?？梢院芊奖愕匕褎倓倢W(xué)到的理論知識(shí)用計(jì)算機(jī)仿真真實(shí)的再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。NIMultisim10軟件絕對(duì)是電子學(xué)教學(xué)的首選軟件工具3.2 用Multsim軟件畫電路圖的步驟

9、1.打開Multsim10運(yùn)用程序。2 .點(diǎn)擊File下的New選擇SchematicCapture新建一個(gè)界面。3 .在新建界面的右方選擇Oscilloscope,用鼠標(biāo)左鍵單擊，將其移至繪制電路圖區(qū)合適的位置，再次單擊鼠標(biāo)左鍵確定。4 .將鼠標(biāo)指針移至晶體管器件庫圖標(biāo)上，該圖標(biāo)就會(huì)變成上凸，并在圖標(biāo)右下方出現(xiàn)該圖標(biāo)的英文名稱。在Component區(qū)，借助右側(cè)的滑標(biāo)，找到2N222并單擊將其選中。放置繪圖區(qū)的合適位置。5 .在關(guān)閉晶體管器件庫之后，按照類似的方法，從基本器件庫選取所有需要的電阻類元件及電容類元件等等其他所需元件，放置繪圖區(qū)的合適位置并按照設(shè)計(jì)理論設(shè)置相關(guān)參數(shù)，再將其基本器件庫

10、關(guān)閉。6 .用連線正確的將所有器件連接起來，連接中注意節(jié)點(diǎn)的位置。7 .鏈接好之后，對(duì)其進(jìn)行仿真，進(jìn)一步驗(yàn)證電路圖繪制的正確性。8 .后面的電路圖畫法將依據(jù)以上畫法進(jìn)行。9 .3由以上步驟畫出如下設(shè)計(jì)要求的電路圖圖3.3.1實(shí)驗(yàn)電路3.5按照3.2的要求依次在Multsim的平臺(tái)上畫出圖5.3.2,圖5.3.4由圖5.3.2所示測(cè)量電路測(cè)得彳S號(hào)源的峰值為14.107mM實(shí)驗(yàn)放大電路的輸入端信號(hào)峰值為8.367mV,如圖所示，則實(shí)驗(yàn)電路的輸入電阻為:VipVspVi-Rsip_L3.3.2（測(cè)量輸入電阻電路及測(cè)量參數(shù)）由圖5.3.4所示，斷開負(fù)載電阻冗后，測(cè)得輸出電壓峰值Volp,則實(shí)驗(yàn)電路的

11、輸出電阻為：Ro（V0以1）Rl（46511）312.4k,略大于設(shè)Vop906.562計(jì)指標(biāo)。vcc3.3.4（測(cè)量斷開負(fù)載電阻RL電路及測(cè)量參數(shù)）3.4電路工作原理3.1電路工作原理4單管放大器的系統(tǒng)仿真和調(diào)試4.1 用Multsim實(shí)現(xiàn)仿真和調(diào)試的步驟(1)在3.2中已經(jīng)完成的3.3.1電路圖的界面單擊左上角的開關(guān)按鈕，打開開關(guān)，點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵雙擊電路圖中的示波器，在彈出的圖5.4OscilloscopeXSC1的圖形界面上，分別調(diào)節(jié)Scale至500us/Div,10mV/Div,500mV/Div。這樣就會(huì)出現(xiàn)如圖5.4所示的仿真圖。(2)按照相同的方法在已完成的圖3.3.2和圖3.3

12、.3的界面上依次仿真出圖5.5和圖5.6。并依次調(diào)節(jié)Scale至500us/Div,20mV/Div,5mV/Div和500us/Div,2mV/Div,2V/Div。4.2 仿真圖如下所示圖5.4（測(cè)量VOLP）5.55.6（測(cè)量輸出電阻電路及測(cè)量參數(shù)）測(cè)量（VOP4.3 系統(tǒng)測(cè)試與調(diào)試（1）靜態(tài)工作點(diǎn)的測(cè)試與調(diào)整根據(jù)設(shè)計(jì)，組裝后的放大電路，通電前應(yīng)先用萬用表的“”擋檢測(cè)電源間有無短路現(xiàn)象、電路連接是否正確，然后才可接通電源，檢測(cè)靜態(tài)工作點(diǎn)。為調(diào)試方便，%可先用5.1k固定電阻與由1100k電位器構(gòu)成的可變電阻串聯(lián)后替代，待調(diào)試完成后，根據(jù)實(shí)測(cè)阻值，再用相應(yīng)的固定電阻取代。測(cè)量靜態(tài)工作點(diǎn)，應(yīng)

13、使vs0,即將放大電路的交流輸入端（耦合電容Cg的左端）對(duì)地短路，然后用萬用的直表流電壓擋分別測(cè)量BJT的RE、C極對(duì)地電壓Vbq、Veq、VcQ0測(cè)量的目的，一是查看靜態(tài)工作點(diǎn)是否合適，是否能保證在Mpp范圍內(nèi)，BJT都工作在放大狀態(tài)；二是通過檢測(cè)，確認(rèn)電路設(shè)計(jì)、安裝、元器件質(zhì)量好壞等情況。如果出現(xiàn)VcqVcc,說明BJT工作在截止?fàn)顟B(tài)；如果出現(xiàn)Vceq0.5V,說明BJT已經(jīng)飽和。這時(shí)，應(yīng)調(diào)整Rg的大小，即調(diào)整可變電阻（電位器）阻值的大小，同時(shí)用萬用表監(jiān)測(cè)Vbq、Veq、Vcq的變化。當(dāng)工作點(diǎn)偏高（靠近飽和區(qū)）時(shí)，應(yīng)增加Rm的阻值，以減小Ibq；當(dāng)工作點(diǎn)偏低（靠近截止區(qū)）時(shí)，應(yīng)減小Rb1的

14、阻值，以增大Ibq。如果測(cè)得Vceq為正幾伏，說明BJT已工作在放大狀態(tài)。此時(shí)可依據(jù)Vbq、Veq、Vcq的數(shù)值換算出Icq,也可通過測(cè)量已知電阻Rc和Re兩端的電壓降，換算出對(duì)應(yīng)的Icq或IeQ0一般在檢測(cè)電路的在線電流時(shí)，多用此法，而不采用斷開電路串口電流表的測(cè)量方法。雖然測(cè)得Vceq為正幾伏的電壓，但并不能說明放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)已設(shè)置在合適的位置，還要進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，以保證在輸入信號(hào)y（或Vs）的全周期內(nèi)，BJT都工作在放大狀態(tài)。按設(shè)計(jì)要求，在放大電路的輸入端接入v10mV,fi1kHz的正弦波信號(hào)，并用雙蹤示波器分別監(jiān)測(cè)放大電路輸入電壓v的波形和輸出端（負(fù)載電阻Rl兩端）的輸出電壓V。

15、波形，觀測(cè)V。正弦波波形是否產(chǎn)生了失真。如果Vo的波形頂部產(chǎn)生了削波，說明放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)偏低，電路產(chǎn)生了截止失真，應(yīng)調(diào)大基本偏流Ibq；如果Vo的波形底部被削波，說明放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)偏高，電路產(chǎn)生了飽和失真，應(yīng)調(diào)小基極偏流Ibq。如果逐漸增大輸入信號(hào)Vi的幅值，輸出波形的頂部和底部差不多同時(shí)開始產(chǎn)生削波，則說明靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置得比較合適，這當(dāng)然是忽略了放大電路靜態(tài)功耗指標(biāo)的要求。此時(shí)，移去信號(hào)源，直接調(diào)試，即在忽略BJT飽和壓降Vces的情況下，使Vceq1/2Vcc。重新使Vi0的情況下，測(cè)量Vbq=3.6V、Veq=2.8V、Vcq=10.2V、則可知Vceq=7.3V和ICQ=1

16、.8mA并移去Vcc斷開連線，測(cè)量并記錄Ri=60KQ,即為所求。（2）放大電路動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的檢測(cè)A.電壓放大倍數(shù)的測(cè)量測(cè)量電壓放大倍數(shù)，實(shí)際上是測(cè)量放大電路的輸入電壓與輸出電壓的值。在輸入信號(hào)的中頻段，輸出波形不失真情況下，測(cè)得Vi（有效值）或Vip（峰值）或Vipp=18.8mV（峰峰值）與Vo（有效值）或Vop（峰值或Vopp=-895.4mV（峰峰值），則Aj%VpVopp=|895.4|=47.6VVipVipp18.8如果是大致估算，用示波器即可完成測(cè)量；如果是精確測(cè)量，則使用電子交流毫伏表，示波器只是用來監(jiān)測(cè)輸出波形的失真情況，如果輸出波形產(chǎn)生了失真，Av的檢測(cè)是沒有意義的。B.

17、輸入電阻的測(cè)量工程上常采用如圖（B）所示的用接電阻法來測(cè)量放大電路的輸入電阻。在信號(hào)頻率的中頻段，給定一正弦波信號(hào)，在輸出波形不失真的條件下，用電子交流毫伏表或示波器，分別測(cè)得Vs與Vi的數(shù)值，則_V_9.1RiiR=1kQ=1.82kQVsVi14.19.1為減小測(cè)量誤差，一般采取用接的輔助測(cè)量電阻R為與R相近似的阻值，取圖(B)如圖(C)所示，在輸出波形不失真的情況下，測(cè)得斷開Rl時(shí)輸出電壓Vol的值和接入Rl后輸出電壓Vo的值，則V1.2_Ro(-1)Rl=(1)3KQ=956。Vo0.91為減小測(cè)量誤差，一般取Rl為與Ro相近的阻值，輸入信號(hào)為一穩(wěn)定的中頻信號(hào)。圖(C)C.頻率特性的測(cè)

18、量放大電路的頻率特性可用波特圖示儀測(cè)得。放大電路的幅頻特性也可以通過測(cè)量不同頻率信號(hào)作用時(shí)的電壓放大倍數(shù)Av來獲得。工程上通常采用“逐點(diǎn)法”來測(cè)量放大電路的幅頻特性。在維持輸入信號(hào)幅值不變、輸出波形不失真的情況下，每改變一次輸入信號(hào)的頻率，即用電子毫伏表或示波器測(cè)得一個(gè)輸出電壓值，計(jì)算對(duì)應(yīng)的電壓放大倍數(shù)，然后將測(cè)量數(shù)據(jù)工、Av(dB)列表，整理并標(biāo)于坐標(biāo)紙上，將逐點(diǎn)測(cè)量的結(jié)果連接成線，即為所求的幅頻特性曲線。如果只需測(cè)量放大電路的同頻帶BW,則只需先測(cè)出放大電路中頻段(如fo=1kHz)的輸出電壓Vo,然后分別升高、降低輸入信號(hào)的頻率，直至輸出電壓降到0.707Vo為止(過程中，應(yīng)維持輸入信號(hào)

19、的幅值不變)，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)的頻率即為儲(chǔ)和fL,則BW=fH-fL實(shí)際測(cè)得Vo=730mV當(dāng)電壓降至0.707Vo=516mV時(shí)，測(cè)得fH=3.18MHz和fL=65Hzz則BW=fH-=3.18MHzC.動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)調(diào)整對(duì)于一個(gè)低頻放大電路，當(dāng)然希望電路的穩(wěn)定性要好，非線性失真要小，電壓放大倍數(shù)要大、輸入阻抗要大、輸出阻抗要低、fL要低、fH要高。但這些要求往往很難同時(shí)滿足。例如，對(duì)于圖1所示的小信號(hào)共射放大電路而言，要提高其電壓放大倍數(shù)依式，Av=Rc/RL,可知有三徑：rbeRl(RcRoHbe(Ri);(%e)。改變Rc及Icq會(huì)影響放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)計(jì)。這樣看來，只有提高B

20、JT的，才是提高電路電壓放大倍數(shù)的有效措施。5數(shù)據(jù)分析表V(CEQ)(理論值)7.226.385.454.012.44V(CEQ)(實(shí)測(cè)值)7.056.165.033.782.20相對(duì)誤差2.4%3.4%7.7%5.79.8%13叵）區(qū)XiewInsertLOols：11naowHelp昌Q蟲氫蟲要回回-一*一相對(duì)誤差345678V(CEQ)如理論結(jié)論：由以上分析可以看出，靜態(tài)工作點(diǎn)的的數(shù)據(jù)VCEQ的實(shí)驗(yàn)值與理論值的誤差比較小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為理想，說明理論計(jì)算所運(yùn)用的等效模型是正確的。6設(shè)計(jì)總結(jié)從課程設(shè)計(jì)本身來說，它是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)、發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問題、實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，

21、是對(duì)學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。模擬電路的設(shè)計(jì)確實(shí)需要一定的積累經(jīng)驗(yàn)，一些參數(shù)取值是通過先設(shè)定的經(jīng)驗(yàn)值，然后再估算其他參數(shù)值，再使用仿真軟件對(duì)電路仿測(cè)試其參數(shù)值是否合適，若有偏差還得進(jìn)行修正，以滿足電路的需要，而且有些參數(shù)值是可以有一定的浮動(dòng)，各個(gè)參數(shù)值之間又相互影響電路的性能，對(duì)本設(shè)計(jì)中調(diào)整Rei的阻值，可以提高放大倍數(shù)但同時(shí)bjt所受溫度影響也增加，適當(dāng)減少放大倍數(shù)卻可以減少bjt受溫度的影響，兩者之問的舍取根據(jù)實(shí)際情況而定?？傊ㄟ^本次課程設(shè)計(jì)，不但鞏固了以前所學(xué)過的模擬電子技術(shù)的知識(shí)，而且學(xué)到了很多在書本上所沒學(xué)到過的，學(xué)會(huì)了multisim10仿真軟件的基本操作，會(huì)用其設(shè)計(jì)一些簡(jiǎn)單的仿真