帶推挽射極跟隨器的放大電路的設(shè)計

第頁目錄摘要 才IAbstract II1緒論 12電路工作原理 22.1原理框圖設(shè)計 22.2各部分結(jié)構(gòu)功能 23單元電路設(shè)計 33.1輸入級電路設(shè)計 33.2中間級電路設(shè)計 43.3輸出級電路設(shè)計 43.4電流反饋回路設(shè)計 54電路仿真 64.1總電路圖構(gòu)成 64.2放大電路仿真 65電路PCB版設(shè)計 96實物電路焊接及其調(diào)試 117小結(jié) 12參考文獻 13附錄I原理圖 14附錄II元件清單 15摘要晶體管（transistor）是一種固體半導(dǎo)體器件，可以用于檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(diào)制和許多其它功能。晶體管在當(dāng)今社會的重要性主要是因為晶體管可以使用高度自動化的過程進行大規(guī)模生產(chǎn)的能力，因而可以不可思議地達到極低的單位成本。本次課設(shè)的內(nèi)容是設(shè)計一個電流反饋型放大器，主要利用其放大功能。該放大器主要分為4個部分：輸入級、中間級、輸出級以及反饋回路。其主要核心思想是利用電流反饋減小增益改變對電路頻率特性的影響，同時獲得較好的放大效果。輸出級采用2級直接耦合推挽射極跟隨器使得電路的穩(wěn)定性有較大的提高。課設(shè)中設(shè)計了放大電路并用Multisim進行了功能仿真，并用Protel設(shè)計了電路的PCB板。關(guān)鍵詞：晶體管；放大器；電流反饋；PCB板AbstractTransistorisasolidsemiconductordevice,andcanbeusedinthedetection,rectifier,amplification,switch,voltage,signalmodulationandmanyotherfunctions.Intoday'ssociety，Theimportanceofthetransistoristhatitcanuseahighlyautomatedprocessofmassproductioncapability,andthereforeitcanbeincrediblyreachedalowunitcosts.Thislecturecontentissettodesignacurrentfeedbackamplifier.Thelecturemainlyusesitstypeamplifierfunctions.Theamplifiersaredividedintofourparts:inputlevel,theintermediategrade,outputlevelandthefeedbackloop.Themaincorethoughtisusingthefeedbackgainchangetoreducetheinfluenceoffrequencycharacteristicsofthecircuit,andachievegoodamplificationeffect.Theoutputleveladopts2leveldirectlycoupledwiththeemphasisontheshoottheextremelysothatthecircuitstabilitycanbeimproved.ThelecturedesignsamplifiercircuitandtakesthefunctionofsimulationofMultisimanddesignsPCBboardofcircuitbyProtel.Keywords:transistor;Amplifier;Currentfeedback.PCBboard1緒論晶體管（transistor）泛指一切以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的單一元件，包括各種半導(dǎo)體材料制成的二極管、三極管、場效應(yīng)管、可控硅等。晶體管是一種固體半導(dǎo)體器件，可以用于檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(diào)制和許多其它功能。晶體管作為一種可變開關(guān)，基于輸入的電壓，控制流出的電流，因此晶體管可做為電流的開關(guān)。本次課設(shè)的主要器件是晶體三極管。晶體三極管按材料分有兩種：鍺管和硅管。而每一種又有NPN和PNP兩種結(jié)構(gòu)形式，但使用最多的是硅NPN和鍺PNP兩種三極管，（其中，N表示在高純度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在電壓刺激下產(chǎn)生自由電子導(dǎo)電，而p是加入硼取代硅，產(chǎn)生大量空穴利于導(dǎo)電）。兩者除了電源極性不同外，其工作原理都是相同的。三極管工作狀態(tài)有三種，放大、飽和、截止，其中又以放大狀態(tài)最為復(fù)雜，主要用于小信號的放大領(lǐng)域，常用的三極管放大電路形式有：共發(fā)射極放大電路，共集電極放大電路，共基極放大電路三種，其中共集電路用于電流放大（功率放大），共基電路用于高頻放大，共射電路用于低頻放大。本文主要分為以下幾個部分:通過要求從前級電路往后級電路依次設(shè)計，包括元件參數(shù)，器件選擇，電路仿真，PCB印刷版的制作以及最終的實物制作和調(diào)試。電路的主要思想是采用電流負(fù)反饋達到信號放大的目的。以電流反饋型放大器替代以往的電壓反饋型放大器后，增益倍數(shù)將不影響電路的頻率特性。相比于電壓反饋放大器有較好的效果。2電路工作原理2.1原理框圖設(shè)計電流反饋回路輸入級輸出級中間級帶推挽射極跟隨器的電流反饋放大電路主要分為輸入級、中間級、輸出級三個部分。其中輸入級采用2級直接耦合推挽設(shè)計跟隨器電路；中間級是起電流檢出和電流到電壓轉(zhuǎn)換作用的跨阻抗放大器；輸出級采用的是設(shè)計跟隨器，能狗減小輸出電阻。實際原理框圖如圖2.1所示：電流反饋回路輸入級輸出級中間級圖2.1電路原理框圖2.2各部分結(jié)構(gòu)功能1．輸入級：輸入級采用的是2級直接耦合的推挽射極跟隨器電路。采用該電路的反轉(zhuǎn)輸入端輸入阻抗非常低，因而能夠在接近理想的狀態(tài)下進行電流反饋。2中間級：中間級的功能是電流檢出和將該電流變換為電壓。主要構(gòu)成元件是2發(fā)射極接地電路，它們能放大由集電極上電阻產(chǎn)生的壓降。3.輸出級：采用設(shè)計跟隨器作為輸出級，可以提高中間級的輸入阻抗，降低輸出級輸出電阻，而且能夠取得大的輸出電流。4.電流反饋回路：從輸出級接至輸入級的電流反饋回路能狗減小增益系數(shù)改變對電路頻率特性的影響。并且實際電路的閉環(huán)增益由反饋電路的電阻值決定。3單元電路設(shè)計3.1輸入級電路設(shè)計輸入級的實際電路是由2級直接耦合推挽射極跟隨器組成的。電路如圖3.1所示。圖3.12級直接耦合推挽射極跟隨器在輸出電路中，流過和的發(fā)射極電流僅由發(fā)射極電阻（圖3.1中的7.5）決定。和的基極偏置電壓都為零，因而發(fā)射極上的電壓為：15V-=14.4V該電壓除以發(fā)射極電流即可求得發(fā)射極阻值?？稍O(shè)置發(fā)射極電流為2mA，則發(fā)射極電阻為：R=14.4V/2mA=7.2取標(biāo)稱阻值7.5即可。同時在輸出級結(jié)構(gòu)電路中，和，和分別采用互補對，且因為及的發(fā)射極相互連接，使得和以及和的發(fā)射級電流相同，都是2mA。保證了電路2級直接耦合的特性。在輸入端及和的基極間串聯(lián)100的電阻可以防止輸入端的設(shè)計跟隨器產(chǎn)生振蕩。3.2中間級電路設(shè)計中間級的實際電路是2個發(fā)射極接地構(gòu)成的放大電路，其電路圖如圖3.2所示。圖3.2中間級電路中間級電路的作用是檢出經(jīng)輸入級的電流并將該電流轉(zhuǎn)換為電壓，實際上是跨阻抗放大器。電流經(jīng)過設(shè)計跟隨器的集電極電阻R5及R8，此時產(chǎn)生的電壓降*R8將會被的發(fā)射極接地電路放大。該電路中的和及前級的R5和R8一起共同構(gòu)成了跨阻抗放大器。3.3輸出級電路設(shè)計輸出級電路實際電路是由兩個設(shè)計跟隨器構(gòu)成。其電路圖如圖3.3所示。圖3.3輸出級電路輸出級電路存在的意義在于增大輸出電流，減小輸出電阻。如果直接將跨阻抗電路作為總電路的輸出，就會導(dǎo)致集電極電阻=負(fù)載，使得輸出電流減小。因而要提高次級電路的輸入阻抗，降低輸出電路的阻抗，需要在跨阻抗電路后接上射極跟隨器。3.4電流反饋回路設(shè)計電流反饋回路是由輸出級反饋至輸入級的電路。電路圖如圖3.4所示。圖3.4電流反饋回路反饋型的OP放大器主要包括電壓反饋放大器和電流反饋型放大器。電壓反饋型的缺點是頻率特性隨著設(shè)定的增益而變化。在一般的電壓反饋OP放大電路中，若增益增加20dB，那么頻率特性就會下降20dB即減小到1/10。本次課設(shè)電路中采用的是電流反饋型，在電路中使用了一個設(shè)定增益的電阻R12，是反饋電流和來自輸入級的輸出電流流向地。因為R12和R9的關(guān)系，及電流反饋量對應(yīng)的輸入級輸出電流流入中間級即跨阻抗放大器?？缱杩狗糯笃鲿㈦娏鬓D(zhuǎn)變?yōu)殡妷海↖V），將該輸出電流轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鲭妷骸７答伝芈分械腞2值如果太小，會加重輸出級射極跟隨器的負(fù)擔(dān)。如果太大，將會減小電流。又由于是跨阻抗放大器的輸入電流，會導(dǎo)致無法提高跨阻抗放大器的放大倍數(shù)。R1的合適取值可以從1到10，這里取值為1。電流反饋回路的主要作用在用決定電路的閉環(huán)增益倍數(shù)，可以通過下式求得：其中R2關(guān)系到電路的頻率特性，所以要將它的值固定。可以通過改變R1的值來改變電路的增益。4電路仿真4.1總電路圖構(gòu)成由上部分的但愿電路設(shè)計可以構(gòu)成帶推挽射極跟隨器的放大電路的總電路圖，用Mutisim繪制的總電路圖如圖4.1所示。圖4.1放大電路總電路圖電路共由4部分構(gòu)成：輸入級、中間級、輸出級以及電流反饋回路?？傠娐穲D中加入了4個電容分別加在正負(fù)電源上，作用是濾除電源中可能帶有的噪音信號。電路中R11的左端點是信號輸入端，圖中的9號線可作為信號輸出端。有電路圖不難得出總電路的閉環(huán)增益為=2倍。4.2放大電路仿真本次用來仿真的軟件為Muitisim仿真軟件，Multisim軟件有幾款其它任何仿真軟件所沒有的虛擬儀器，如“4蹤示波器”、“實時測量探極”可以在線動態(tài)測量電路各節(jié)點的電壓、世界頂尖跨國公司安捷倫公司測量儀器：“安捷倫函數(shù)信號發(fā)生器”、“安捷倫6位半數(shù)字萬用表”、“安捷倫示波器”，這三臺儀器的面板、旋鈕操作和實際安捷倫儀器完全一樣。將虛擬信號發(fā)生器和虛擬示波器接到總電路上，如圖4.2所示。圖4.2仿真電路連接圖如上圖所示，信號源輸出端分別連接在R11左端和接地。示波器A通道接電路輸出信號，B通道接信號源輸出信號以便進行比對。連接好電路圖后點擊即可進行仿真。仿真結(jié)果如圖4.3所示。圖4.3仿真波形結(jié)果由波形仿真結(jié)果圖可見，仿真波形基本一致。在數(shù)據(jù)欄中可以看到電路輸出信號A通道的波形幅值為2.007，輸入信號B通道的波形幅值為1.016，增益倍數(shù)近似為2倍，且頻率基本一致，達到了預(yù)期的結(jié)果。5電路PCB版設(shè)計在本次課設(shè)中，需要繪制設(shè)計電路的PCB板，需要的軟件是Protel。Protel是Protel公司在80年代末推出的EDA軟件，在電子行業(yè)的CAD軟件中，它當(dāng)之無愧地排在眾多EDA軟件的前面，是電子設(shè)計者的首選軟件，Protel99SE共分5個模塊，分別是原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計（包含信號完整分析）、自動布線器、原理圖混合信號仿真、PLD設(shè)計。本次課設(shè)中主要用到原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計和自動布線器等功能。第一步是在Protel中繪制所需的電路原理圖，繪制結(jié)果如圖5.1所示。圖5.1Protel中繪制的總電路圖其中需要注意的問題是元件的封裝，只有正確封裝元件才能得到正確的網(wǎng)絡(luò)表，關(guān)系到PCB板的生成。封裝方法是在元件屬性中Footprint一欄填上相關(guān)的參數(shù)。本次課設(shè)中用到的元件封裝形式主要有以下幾種：電阻：AXIAL0.3電容：RB.2/.4三極管：TO-92A二極管：DIODE0.4原理圖繪制完后的下一個步驟就是電氣規(guī)則檢查和生成網(wǎng)絡(luò)表。電氣規(guī)則檢查就是對元件的連接規(guī)則進行檢查，排除沒有連接，短路等情況。而網(wǎng)絡(luò)表是制作PCB板時，元件連線的依據(jù)。其中電器規(guī)則檢查如圖5.2所示，該提示表示電器規(guī)則檢查通過。圖5.2電路電氣規(guī)則檢查情況生成網(wǎng)絡(luò)表后的下一步就是制作PCB板，在制作版面上繪制出相應(yīng)的區(qū)域大小后選擇加載網(wǎng)絡(luò)表，軟件會對網(wǎng)絡(luò)表相關(guān)信息進行檢測。這一步中常見的問題是出現(xiàn)這種提示：Nodewasnotfound.該現(xiàn)象的主要原因是網(wǎng)絡(luò)表的自動生成的引腳號1和2無法被軟件識別。修改方法是將網(wǎng)絡(luò)表中引腳無法識別的元件引腳號“1”改成“A”，“2”改成“K”。修改后可成功通過網(wǎng)絡(luò)表檢查。下一步是在PCB板上布線，將各個元件移動到合適的位置，在菜單中選擇自動布線，軟件能夠自動生成布線方案。自動布線生成的PCB板如圖5.3所示。圖5.3PCB板圖6實物電路焊接及其調(diào)試通過仿真可以看出，電路在仿真條件下基本符合設(shè)計要求，這表明所設(shè)計的硬件電路和程序在理論上符合設(shè)計要求。因此可以進行實物搭建及調(diào)試，在實際電路中檢驗電路的工作狀態(tài)是否及設(shè)計要求相符。電子電路調(diào)試技術(shù)包括調(diào)整和測試兩個部分。調(diào)整主要是對電路參數(shù)的調(diào)整，如對電阻、電容和電感等。以及機械部分進行調(diào)整，使電路達到預(yù)定的功能和性能要求；測試主要是對電路的各項技術(shù)指標(biāo)和功能進行測量和實驗，并及設(shè)計的性能指標(biāo)進行比較，以確定電路是否合格。電路測試是電路調(diào)整的依據(jù)，又是檢驗結(jié)論的判斷依據(jù)。在購回所需元件及通用印制板后，我焊接出了自己的實物電路。在第一次去實驗室測試時，三極管Tr8發(fā)生了爆炸。經(jīng)過對電路的仔細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)焊接電路時有兩根跳線被遺忘了，因而導(dǎo)致了電路的損壞。在重新調(diào)整了電路以及完成焊接后，我第二次去實驗室測試，得到了比較滿意的結(jié)果。實際放大效果很理想，證實了設(shè)計理論的正確性。7小結(jié)對于晶體管構(gòu)成的放大器，在大二學(xué)模電時候我就有接觸晶體管放大電路，并且在接下來的課設(shè)中也對晶體管電路做了一定的深入。然而此次的晶體管課設(shè)卻對晶體管數(shù)目有要求，使得我們不得不去查找更多的資料來擴展自己的知識。同時多晶體管數(shù)目的要求也逼得我們不得不把多種電路聯(lián)合起來以求尋找突破口。同時在此次課設(shè)過程中，我再次復(fù)習(xí)了以往學(xué)過的Protel繪制PCB的過程。許多知識雖然當(dāng)時很明白，但過一段時間難免會望卻很多。這次課設(shè)無疑給了我們復(fù)習(xí)的機會，同時大三的我也了解到很多企業(yè)對我們這個專業(yè)對軟件的應(yīng)用能力有一定的要求。此次課設(shè)中我發(fā)現(xiàn)仿真軟件ORCD相對來說比較專業(yè)，折騰很久我還是不懂如何仿真。最后選擇了自己較為熟悉的Mutisim進行仿真。經(jīng)過這次課程設(shè)計，讓我對前面的路有了更多的信心。因為在這個過程中，我學(xué)到了不少實用的東西。對于晶體管構(gòu)成的相關(guān)電路我有了更深入的了解，并提高了獨立解決問題的能力。這次課設(shè)提醒我在學(xué)習(xí)理論知識的同時還要努力培養(yǎng)自己的動手操作能力。對于電子專業(yè)的我們更是如此，此次課設(shè)讓我看到了自己的差距，今后的學(xué)習(xí)中我會努力提高自己的動手能力，為將來的學(xué)習(xí)工作打好基礎(chǔ)。參考文獻[1]謝