基本放大器设计.doc

科信学院CDIO项目设计说明书（2010 /2011学年第一学期）CDIO项目名称 ：电子应用系统项目 专业班级 ： 电子信息工程（1）班 学生姓名 ： 陈剑飞 学 号 ： 090072132 指导教师 ：贾少锐 李晓东 马永强 李丽宏设计成绩 ： 2010年12月25日1、 CDIO设计目的:通过CDIO项目设计,，了解几种基本器件原理及使用方法，如二极管、三极管、电容、电阻，学习并掌握常用电子仪器的使用方法，使更好的理解和掌握三极管放大器的工作原理、设计原理以及设计方法和步骤，锻炼学生的实际操作能力，培养学生的团队合作能力。2、CDIO设计正文2.1、几种基本器件的认识2.1.1、二极管概念二极管又称晶体二极管，它是一种由PN结构成的只往一个方向传送电流的电子器件，其广泛用于各种电子设备中。二极管类型二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管、隔离二极管、肖特基二极管、发光二极管、硅功率开关二极管、旋转二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。二极管的工作原理晶体二极管为一个由P型半导体和N型半导体形成的PN结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于PN 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流。当外加的反向电压高到一定程度时，P-N结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。P-N结的反向击穿有齐纳击穿和雪崩击穿之分。二极管的特性二极管最重要的特性就是单方向导电性。在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。2.1.2、三极管概念导体三极管又称“晶体三极管”或“晶体管”。具有三个电极，能起放大、振荡或开关等作用的半导体电子器件。在半导体锗或硅的单晶上制备两个能相互影响的PN结，组成一个PNP(或NPN)结构。中间的N区(或P区)叫基区，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各有一条电极引线，分别叫基极B、发射极E和集电极C。三极管类型按材质分：硅管、锗管按结构分：NPN、PNP。按功能分：开关管、功率管、光敏管等。按功率分：小功率管、中功率管、大功率管。按按功率频率分：低频管、高频管、超频管。按结构工艺分：合金管、平面管。按安装方式分：插件三极管、贴片三极管。图1三极管三极管工作原理对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而c点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源要高于基极电源。由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）及基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子，由于基区很薄,加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic，只剩下很少（的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给，从而形成了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得：Ie=Ib+Ic这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，同理也可求出电压等放大倍数。2.1.3电阻概念物质对电流的阻碍作用就叫该物质的电阻。电阻类型按制造材料分类：碳膜电阻、金属膜电阻、线绕电阻、无感电阻、薄膜电阻等.按安装方式分类：插件电阻、贴片电阻.按功能分分类：负载电阻、采样电阻、分流电阻、保护电阻等。电阻标识四色环用四条有颜色环代表阻值大小。每种颜色代表不同的数字：阻值：黑-0，棕-1，红-2，橙-3，黄-4，绿-5，蓝-6，紫-7，灰-8，白-9误差：金-0.1、银-0.01各色环表示意义如下：第一条色环：阻值的第一位数字；第二条色环：阻值的第二位数字；第三条色环：10的幂数；第四条色环：误差表示。五色环用五条色环表示电阻的阻值大小，具体如下：第一条色环：阻值的第一位数字；第二条色环：阻值的第二位数字；第三条色环：阻值的第三未数字；第四条色环：阻值乘数的10的幂数；第五条色环：误差（常见是棕色，误差为1%）2.1.4电容器概念电容器通常简称为电容，用字母C表示，是一种容纳电荷的器件。电容器类型按结构分：固定电容器、可变电容器、微调电容器。按电解质分：有机介质电容器、无机介质电容器、电解电容器、空气介质电容器。按用途分:高频旁路、低频旁路、滤波，调谐、高频耦合、低频耦合、小型电容器。按材料分：瓷介电容、涤纶电容、电解电容等。电容器容量标识直标法：用数字和单位符号直接标出。如1uF表示1微法，有些电容用“R”表示小数点，如R56表示0.56微法。文字符号法：用数字和文字符号有规律的组合来表示容量。如p10表示0.1pF,1p0表示1pF,6P8表示6.8pF, 2u2表示2.2uF。色标法：用色环或色点表示电容器的主要参数。电容器的色标法与电阻相同。2.2常用仪表认识及使用方法2.2.1万用表结构万用表由表头、测量电路及转换开关等三个主要部分组成。使用方法熟悉表盘上各符号的意义及各个旋钮和选择开关的主要作用。进行机械调零。根据被测量的种类及大小，选择转换开关的挡位及量程，找出对应的刻度线。选择表笔插孔的位置。测量电压：测量电压（或电流）时要选择好量程，如果用小量程去测量大电压，则会有烧表的危险，如果用大量程去测量小电压，那么指针偏转太小，无法读数。量程的选择应尽量使指针偏转到满刻度的2/3左右。如果事先不清楚被测电压的大小时，应先选择最高量程挡，然后逐渐减小到合适的量程。交流电压的测量：将万用表的一个转换开关置于交、直流电压挡，另一个转换开关置于交流电压的合适量程上，万用表两表笔和被测电路或负载并联即可。直流电压的测量：将万用表的一个转换开关置于交、直流电压挡，另一个转换开关置于直流电压的合适量程上，且“+”表笔（红表笔）接到高电位处，“-”表笔（黑表笔）接到低电位处，即让电流从“+”表笔流入，从“-”表笔流出。若表笔接反，表头指针会反方向偏转，容易撞弯指针。测电流：测量直流电流时，将万用表的一个转换开关置于直流电流挡，另一个转换开关置于50uA到500mA的合适量程上，电流的量程选择和读数方法与电压一样。测量时必须先断开电路，然后按照电流从“+”到“-”的方向，将万用表串联到被测电路中，即电流从红表笔流入，从黑表笔流出。如果误将万用表与负载并联，则因表头的内阻很小，会造成短路烧毁仪表。其读数方法：实际值指示值量程/满偏。测电阻：用万用表测量电阻时，应按下列方法：机械调零。在使用之前，应该先调节指针定位螺丝使电流示数为零，避免不必要的误差。选择合适的倍率挡。万用表欧姆挡的刻度线是不均匀的，所以倍率挡的选择应使指针停留在刻度线较稀的部分为宜，且指针越接近刻度尺的中间，读数越准确。一般情况下，应使指针指在刻度尺的1/32/3间。欧姆调零。测量电阻之前，应将2个表笔短接，同时调节“欧姆（电气）调零旋钮”，使指针刚好指在欧姆刻度线右边的零位。如果指针不能调到零位，说明电池电压不足或仪表内部有问题。并且每换一次倍率挡，都要再次进行欧姆调零，以保证测量准确。读数：表头的读数乘以倍率，就是所测电阻的电阻值。2.2.2毫伏表工作原理晶体管毫伏表由输入保护电路、前置放大器、衰减放大器、放大器、表头指示放大电路、整流器、监视输出及电源组成。输入保护电路用来保护该电路的场效应管。衰减控制器用来控制各档衰减的接通，使仪器在整个量程均能高精度地工作。整流器是将放大了的交流信号进行整流，整流后的直流电流再送到表头。监视输出功能主要是来检测仪器本身的技术指标是否符合出厂时的要求，同时也可作放大器使用。使用方法开机前的准备工作：将通道输入端测试探头上的红、黑色鳄鱼夹短接；将量程开关选最高量程（300V）。操作步骤：接通220V电源，按下电源开关，电源指示灯亮，仪器立刻工作。为了保证仪器稳定性，需预热10秒钟后使用，开机后10秒钟内指针无规则摆动属正常；将输入测试探头上的红、黑鳄鱼夹断开后与被测电路并联（红鳄鱼夹接被测电路的正端，黑鳄鱼夹接地端），观察表头指针在刻度盘上所指的位置，若指针在起始点位置基本没动，说明被测电路中的电压甚小，且毫伏表量程选得过高，此时用递减法由高量程向低量程变换，直到表头指针指到满刻度的2/3左右即可；准确读数。表头刻度盘上共刻有四条刻度。第一条刻度和第二条刻度为测量交流电压有效值的专用刻度，第三条和第四条为测量分贝值的刻度。当量程开关分别选1mV、10mV、100mV、1V、10V、100V档时，就从第一条刻度读数；当量程开关分别选3mV、30mV、300mV、3V、30V、300V时，应从第二条刻度读数（逢1就从第一条刻度读数，逢3从第二刻度读数）。例如：将量程开关置“1V”档，就从第一条刻度读数。若指针指的数字是在第一条刻度的“0.7”处，其实际测量值为0.7V；若量程开关置“3V”档，就从第二条刻度读数。若指针指在第二条刻度的“2”处，其实际测量值为2V。以上举例说明，当量程开关选在哪个档位，比如，1V档位，此时毫伏表可以测量外电路中电压的范围是01V，满刻度的最大值也就是1V。当用该仪表去测量外电路中的电平值时，就从第三、四条刻度读数，读数方法是，量程数加上指针指示值，等于实际测量值。2.2.3示波器示波器的概念：示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。使用方法步骤选择Y轴耦合方式根据被测信号频率的高低，将Y轴输入耦合方式选择“AC-地-DC”开关置于AC或DC。选择Y轴灵敏度根据被测信号的大约峰-峰值（如果采用衰减探头，应除以衰减倍数；在耦合方式取DC档时，还要考虑叠加的直流电压值），将Y轴灵敏度选择V/div开关（或Y轴衰减开关）置于适当档级。实际使用中如不需读测电压值，则可适当调节Y轴灵敏度微调（或Y轴增益）旋钮，使屏幕上显现所需要高度的波形。选择触发（或同步）信号来源与极性通常将触发（或同步）信号极性开关置于“+”或“-”档。选择扫描速度根据被测信号周期（或频率）的大约值，将X轴扫描速度t/div（或扫描范围）开关置于适当档级。实际使用中如不需读测时间值，则可适当调节扫速t/div微调（或扫描微调）旋钮，使屏幕上显示测试所需周期数的波形。如果需要观察的是信号的边沿部分，则扫速t/div开关应置于最快扫速档。输入被测信号被测信号由探头衰减后（或由同轴电缆不衰减直接输入，但此时的输入阻抗降低、输入电容增大），通过Y轴输入端输入示波器。2.3基本放大器设计2.3.1设计步骤设计要求：VCC =5V，=2mA，=200，RL=5k，f=1000Hz， RS=1k，加负载至少放大20倍。设计步骤：取VE=0.2VCC=1V,RE= = =500,VC=0.5VCC=2.5V, RC=1k,VB= VBE（on）+VE=0.7+1=1.7V,I1=10IB=10=10=0.1 mA,RB1= =80k, RB2= =50k,取电容C1：电容C2：令电容C1=10uf, C2=30uf, 令Ce=20uf.加负载时电压放大倍数为Av=232mv/8mv=2920,符合要求。无负载时电压放大倍数为Av=333mv/8mv=4240,符合要求。2.3.2设计电路图图2电路原理图图3 protel原理图图4 PCB版图2.3.3、Multisim 仿真结果图5 multism仿真电路图根据下图波形知仿真结果不失真（注：红色曲线为输入波形，蓝色曲线为输出波形。）图6 示波器仿真波形图7 无载时输出端和输入端电压值（左图为输出端电压，右图为输入端电压）。图8 加负载时，输出端和输入端电压值（左图为输出端电压，右图为输入端电压）。3、设计总结或结论通过CDIO项目设计,，了解了几种基本器件原理及使用方法，学习并掌握了常用电子仪器的使用方法，更好的理解和掌握了三极管放大器的工作原理、设计方法和步骤。1 基本器件认识 了解了几种基本器件原理及使用方法，如二极管、三极管、电容、电阻，这些是组成放大器电路的基本原件，具有重要的作用和价值，搞清楚他们的种类、特点有利于更好的设计电路。2 常用仪表的使用方法通过学习掌握了常用电子仪器的使用方法，如万用表、毫伏