protel课程设计-共射极三级晶体管放大器设计

1 学 号： 课 程 设 计 题 目 Protel 课程设计 共射极三级晶体管放大器设计 学 院 信息工程学院 专 业 电子信息工程 班 级 姓 名 指导教师 年 月 日 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 2 课程设计任务书 学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 题 目: 共射极三级晶体管放大器设计 初始条件： Protel DXP 2004,PC 机 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及技术要求，以及说明书撰写 等具体要求） 1、课程设计工作量：1 周内完成共射极三级晶体管放大器的设计、仿真和 PCB 的设计。 2、技术要求： （1）熟悉 PROTELDXP2004 软件及其应用环境，在电脑上安装该软件； （2）完成电路图设计； （3）完成电路的仿真； （4）完成网表的打印； （5）完成自动布线印制版图； （6）对自动布线的结果进行手动布线； （7）打印元器件清单； （8）撰写课程设计说明书。 3、查阅至少 5 篇参考文献。按武汉理工大学课程设计工作规范要求撰 写设计报告书。全文用 A4 纸打印，图纸应符合绘图规范。 时间安排： 1）第 1-2 天，熟悉 protel 软件环境及操作流程。 2）第 3-4 天，方案选择和电路设计仿真。 3）第 4-5 天，查阅资料确定设计方案，并完成电路原理图的设计。 4）第 6-7 天，完善 protel 应用实践内容并根据实验要求撰写实验报告。 指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 3 目录 摘要 1 ABSTRACT .2 1. Protel 简介 .3 1.1 Protel 发展回顾 .3 1.2 Protel 2004 主要功能 3 2. 设计基本原理 .5 2.1 三极管放大电路 .5 2.2 基本单管共射放大电路 .5 2.2.1 基本单管共射放大电路的缺陷 .7 2.2.2 基本单管共射放大电路的改进 7 3. 电路设计 .9 3.1 电路图 .9 3.2 原理图 .9 3.3 参数的确定 .10 3.4 静态工作点 .11 4. 电路仿真及分析 .12 4.1 电路 protel 仿真 .12 4.2 电路 Multisim 仿真 .14 4.3 仿真结果分析 14 5. 网表 .16 6. 完成 PCB 板制作 .22 6.1 自动布线 .22 6.2 手动布线 .22 7.打印元器件清单 .24 8.心得体会 .25 参考文献 26 本科生课程设计成绩评定表 27 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 1 摘要 本次课程设计旨在利用 protel 软件完成共射极三级晶体管放大器的设计， 即利用单个三极管进行共射极放大电路的设计。在本次设计中，没有使用基本 单管共射放大电路，而是使用了电阻分压式工作点稳定共射放大电路，即射极 偏置放大电路。因为基本共射放大电路难以避免工作点不稳定的问题，因此采 用能够保证工作点稳定的电路。 在本次课程设计，不仅讨论了基本共射放大电路的工作点不稳定的原因以 及设计偏置放大电路又是如何解决这个问题的，而且用 protel 软件进行了最终 电路的设计，仿真，PCB 板的制作，网表的生成，元件清单的生成。即在把握 原理的基础上进行了实践设计。最终可从仿真结果中看到，完成了电路线性放 大的功能，且熟悉了 protel 的功能和使用方法。 关键词：三极管 共射极 放大电路 protel 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 2 ABSTRACT This course is designed to use protel software to complete the design of the common emitter triple transistor amplifier, namely the use of a single transistor for common emitter amplifier circuit design. In this design, there is no use basic single pipe shot amplifying circuit, but use, is the resistance points pressure stabilization of total shot amplifying circuit, namely the emitter partial placed big circuit. Because the basic common shot amplifying circuit is difficult to avoid the problem of the working point, so used to ensure the stabilization of circuit. In the curriculum design, not only discussed the basic common shoot the working point of amplifier circuit, and design the reasons for the unsteady partial implantation of circuit and how to solve this problem, and has carried on the final design of the circuit with protel software, the simulation, the production of PCB, netlist generation, components generated listing. In grasping the principle on the basis of the practical design. Finally can be seen from the simulation results, to complete the function of linear amplification circuit, and familiar with the function and use method of protel. Keywords: triode protel common emitter amplifier circuit 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 3 1.Protel 简介 1.1 Protel 发展回顾 1988 年，美国 ACCEL Technologies 公司推出 TANGO 软件包，是 Protel 的前身。随着个人计算机发展，Protel Technology 公司陆续推出了 Protel for windows 版和 Protel DXP 2004 年 2 月 Altium 公司推出了 Protel 2004。Protel 2004 的功能在 Protel DXP 版本的基础上得到进一步增强，以支持 FPGA 及其他可编程器件设计及 其在 PCB 集成。具有改进的稳定性、增强的图形功能和超强的用户界面等特 点。 1.2 Protel 2004 主要功能 Protel 是业界第一款也是唯一一种完整的板级设计解决方案。Protel2004 拓宽 了板级设计的传统界限，集成了 FPGA 设计功能，从而允许工程师能将系统设计 中的 FPGA 与 PCB 设计集成在一起。Protel2004 以强大的设计输入功能为特点， 在 FPGA 和板级设计中，同时支持原理图输入和 HDL 硬件描述输入模式；同时支 持基于 VHDL 的设计仿真，混合信号电路仿真、布局前/后信号完整性分析。 Protel2004 的布局布线采用完全规则驱动模式，并且在 PCB 布线中采用了无网 格的 SitusTM 拓扑逻辑自动布线功能；同时，将完整的 CAM 输出功能的编辑结 合在一起。 基于 Altium 新推出的支持 Livedesign 的 DXP 平台，Protel2004 在你的整个系 统设计流程中充分发挥其卓越的性能。 Protel 2004 包括： 多层次、多通道原理图设计输入 支持 Spice 3f5/XSpice 混合电路仿真 提供独立于 FPGA 原厂商的设计，支持原理图及硬件描述语言（HDL）设计输 入 设计前和设计后的信号完整性分析(SI) 规则驱动的板卡设计和编辑 ，全面的设计错误检测 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 4 自动布线（Autorouting） 自动 FPGA 引脚优化 PCB 项目与 FPGA 项目双向同步，PCB 与原理图的双向同步 完整 CAM 输出能力 超过 80，000 个元件的综合库，包括 20，000 个仿真模型及丰富的基于 FPGA 的器件 完整的 PCB 与 FPGA 协同设计功能 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 5 2.设计基本原理 2.1 三极管放大电路 放大电路利用三极管输入电流控制输出电流的特性，实现信号的放大。 其放大作用主要体现在： （1） 三极管放大电路主要利用三极管的控制作用进行微弱信号的放大。 输出信号较输入信号在电压或电流的幅度上进行了放大。输出信号 较输入信号的能量增大。输出信号的能量实际上是由直流电源提供 的，只是经过三极管的控制，使之转化为输出信号能量，提供给负 载，所以三极管实际上是实现了能量控制和转换。 （2） 输出信号与输入信号始终保持线性关系。要求信号的放大不能失真， 即线性放大，放大电路中的三极管工作在线性放大区。 三极管放大电路有三种组态，分别为：共发射极，共基极，共集电极电路。 其中所“共”的极，就是输入和输出的公共端。在此，我们只讨论共射极情况。 2.2 基本单管共射放大电路 图 2.1 基本单管共射放大电路 如上图所示，基本共射放大电路的组成有放大器件三极管，直流电源，电流 转化电压电路，两个电解电容组成。基极是输入端，集电极是输出端，发射级 是输入输出的公共电极，所以，该电路是共射级电路。 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 6 该放大电路有两种工作状态：“静态”和“动态” 。当放大电路中没有输入 信号时，处于静态。三极管各极的直流电压和直流电流值将在管子的特性曲线 上确定一点，即“静态工作点” 。当放大电路加入输入信号时，为交流工作状态， 简称“动态” 。 从中可以看出放大电路是交直流共存的。直流偏置是使放大电路有合适的工 作状态，是保证其不失真的前提条件。交流量则是放大的对象和结果。 因此静态工作点的选择是十分重要，这是放大电路是否能够实现不失真放 大的前提。静态工作点的计算方法如下： 、 静态工作点同样可以用图解法确定，直流负载线与三极管输出特性曲线的 交点就是静态工作点。 图 2.2 静态工作点变化的示意图 由上图可知，Q 点选择不恰当会造成饱和失真和截止失真。 Q 点如果太靠上，处于饱和区，则会发生饱和失真，如果太靠下，处于截 止区，则会发生截止失真。 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 7 2.2.1 基本单管共射放大电路的缺陷 由之前的分析可知，静态工作点决定了电路是否能够进行不失真的放大。 实际上，它不仅关系到是否失真，而且对放大倍数也有重大影响，所以在设计 或调试放大电路时，为获得较好的性能，必须选择适当的电路参数来设置一个 合适的静态工作点 Q。 基本单管共射放大电路的静态工作点 Q 就是依据这一原则来设置的。当基 本单管共射放大电路的电源电压 EC 和集电极电阻 Rc 确定后，其静态工作点 Q 就由其基极电流 IBQ 来决定，称此基极电流 IBQ 为偏流， 因此静态CBb VIR 工作点往往是通过调节电阻 Rb 来实现的。若基极偏置电阻是确定的，则 Ib 固 定。当更换管子或者环境温度变化时，将引起管子参数 变化，Q 点将移动。 若 Q 点不在放大区，则放大电路将功能失常。 因此静态工作点不稳定是基本单管共射放大电路的最大缺陷。必须对电路 加以改进，使之能够自动调整，以保证静态工作点稳定在合适的位置而不会发 生移动。 2.2.2 基本单管共射放大电路的改进 温度升高使三极管的特性参数 、 、 对静态工作点的影响，都集CBOIEU 中表现在静态工作点电流 IC 的增大上。对于基本单管共射放大电路的改进就 可以从这一基本事实出发，在温度变化时，如果能设法使 IC 近似维持恒定， 就解决了基本单管共射放大电路静态工作点不稳的问题。因此我们采用分压式 射极偏置放大电路。其电路基本如下图。 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 8 图 2.3 分压式射极偏置放大电路 从上图中我们可以看出，用利用 RB1、RB2 取代基本单管共射放大电路中的 基极电阻 RB,由 RB1、RB2 组成的分压器以固定基极电位 VB。稳定 Q 点的物 理过程是：如果温度 T 上升，IC 和 IE 也随之增加，那么射极电位为 VE=IERE 也必然增加，由于固定了基极电位 VB，而且 UBE=VB- VE,这将导致三极管的 UBE 减小，从而使 IB 自动减小,那么 IC 和 IE 也会随之减小，最后牵制了 IC 和 IE 的增加，使他们基本上不随温度改变，维持恒定。最终达到了使单管共射 放大电路的静态工作点 Q 稳定的目的。 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 9 3.电路设计 3.1 电路图 图 3.1 共射工作点稳定单管放大电路 如上图电路图，为了得到工作点稳定的共射单管放大电路，我们不采用基 本单管共射放大电路，而是用采用了电阻分压的射极偏置放大电路。仍然是共 射极单管放大电路，但与基本单管放大电路不同，射极偏置放大电路，具有稳 定的工作点。可以保障电路稳定工作完成线性放大。 3.2 原理图 在 protel 画出原理图如下。 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 10 图 3.2 protel 中电路原理图 3.3 参数的确定 在将基本单管共射放大电路进行改进之后，得到电阻分压式共射单管放 大电路，它已经实现了工作点稳定。在本次的电路设计中，不仅实现工作点 的稳定，而且选择了不易失真的 Q 点。 我们知道选择 =0.5*12V 这样的 Q 点是不易失真的。12CEQV 即 =6V。在 Multisim 中我们使输入信号为 0，如下图所示，调节滑动变阻CEQV 器和电容使得 满足条件。此时滑动变阻器调节到 90%， 为 83K 欧姆。CEQ 1BR R2 为 20K 欧。C1=10 F。 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 11 图 3.3 Multisim 中调节电路参数 3.4 静态工作点 图 3.3 静态工作点 在输入为 0 时测静态工作点。可得 =6.01V， 10A， =1.42A。CEVBICI 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 12 4.电路仿真及分析 4.1 电路 protel 仿真 首先在要检测波形处添加网络标号。并且选择输入输出电压，如下图。 图 4.1 仿真过程图 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 13 图 4.2 仿真电路图 得到仿真结果波形如下，从中可以看出，输入电压的最大值约为 1V，输出 电压的最大幅值大于 5V。输出电压相较输入电压放大了 5 倍多。在正常的放大 倍数之内。并且输出信号和输入信号一样都是正弦波形，没有失真，是线性放 大。因此该电路此刻正确地实现了线性放大。 图 4.3 仿真波形图 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 14 4.2 电路 Multisim 仿真 在 Multisim 中仿真，采用不同的电路参数，可以得到放大倍数不同，同样 线性放大的结果。由下图可知，输入和输出都是正弦波，没有失真，即线性放 大，且放大倍数大约为 1558=19 倍。这个放大倍数同样在正常的放大倍数之 内。 图 4.3 仿真波形图 4.3 仿真结果分析 对设计的分压式射极偏置放大电路进行仿真，可以看到不管是在 protel 还是 Multisim 中都可以成功进行仿真。观察输出波形和输入波形，输入波形都是正 弦波，得到的输出波形也是正弦波，并且观察二者的幅值，可以看到，输出电 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 15 压都相比于输入电压得到了放大。不同参数设置使得放大倍数不同，但仿真结 果体现出的放大倍数都是在正常的放大倍数以内。并且都是线性放大，没有任 何失真。从中我们可以看出这次设计能成功的实现对信号的线性放大。实际上 这种放大不仅仅是电压放大，电路也获得了放大，即总体而言，是信号的能量 或者说功率得到放大。 这种线性无失真放大的实现是与静态工作点的选择息息相关的，换言之，合 适的静态工作点的选择，是实现该类电路能够线性无失真放大的前提条件。 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 16 5.网表 在 protel 中画出原理图之后，Design Netlist For Project Protel，生成网表 PCB_Project1.NET： C1 RB7.6-15 Cap Pol1 C2 RB7.6-15 Cap Pol1 C3 RB7.6-15 Cap Pol1 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 17 input HDR1X2 header 2 output HDR1X2 header 2 P0 HDR1X2 header 2 Q1 BCY-W3/E4 2N3904 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 18 R1 AXIAL-0.4 Res2 R2 AXIAL-0.4 Res2 R3 AXIAL-0.4 Res2 R4 AXIAL-0.4 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 19 Res2 R5 AXIAL-0.4 Res2 R6 AXIAL-0.4 Res2 ( VCC P0-2 R2-2 R4-2 ) ( NetC1_1 C1-1 Q1-2 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 20 ) ( NetC1_2 C1-2 R1-2 ) ( NetC2_1 C2-1 Q1-3 R4-1 ) ( NetC2_2 C2-2 output-1 R6-2 ) ( NetC3_1 C3-1 Q1-1 R5-2 ) ( NetC3_2 C3-2 input-1 output-2 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 21 R5-1 R6-1 ) ( Netinput_2 input-2 R1-1 ) ( NetR2_1 R2-1 R3-2 ) ( GND P0-1 R3-1 ) 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 22 6.完成 PCB 板制作 6.1 自动布线 在 protel 中完成原理图之后，就可以 design update PCB document。 在调整元器件的位置之后，可以选择自动布线 auto route all。自动布线的 效果如下图。 图 6.1 自动布线结果 从自动布线的结果中我可以看出，自动布线的连线既有 bottom layer 的线， 也有 top overlay 的线。而实际上连线之间并没有交叉，因此全部都在一层即 可，因此我们再对自动布线的结果进行手动布线调整。 6.2 手动布线 我们在自动布线的基础上，对元件的位置再做适当的调整，并且删去红色 的 top overlay 的线，手动连上蓝色的 bottom layer 的线。手动布线的效 果如下图。 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 23 图 6.2 手动布线结果 在手动布线之后，选定板子的大小，并且加上过孔用于加铜柱用来固定。 效果如下图。 图 6.3 最终效果 武汉理工大学PROTEL课程设计说明书 24 7.打印元器件清单 在 protel 中 reports simple BOM，可以得到元件清单如下图。 图 7.1 元件清单图 武汉理工大学PROTE