单管放大器的课程设计

1、集成电路课程设计报告单管放大器的设计与仿真院 系： 材料与光电物理学院专 业： 微电子学一班 学 号： 2008700301 姓 名： 夏青青 指导教师： 唐明华 教授 报告提交日期： 2011 年 9 月目 录摘要 ································

2、;··················································

3、;·································1关键词 ················

4、··················································

5、··················································

6、····11 引言 ·············································

7、··················································

8、·························2 1.1 选题的目的与意义······················

9、3;·················································

10、3;··················2 1.2 近几年来国内外研究现状·····························

11、;·················································22 关于

12、模拟电路的计算机分析与设计················································

13、;············4 2.1电路设计与电路CAD工具4 2.2 OrCAD和Pspice软件简介·······························&#

14、183;···································4 2.3PSPICE仿真软件的优越性···········&

15、#183;················································4 2.4利用

16、Pspice程序进行电路设计的具体设计过程······································53 单管放大器简介·······

17、;··················································

18、;··········································5 3.1单管放大器的功能概述·····&#

19、183;·················································&#

20、183;·························5 3.2单管放大电路的三种基本结构·····················&#

21、183;············································64 单管放大器的模拟分析···&

22、#183;·················································&

23、#183;·················7 4.1 共射级放大器······························&

24、#183;···························7 4.2 共基极放大器····················&

25、#183;·················································&

26、#183;18 4.3 共集电极放大器···············································

27、;·····································195 结论 ···········

28、3;·················································

29、3;····································196 体会与心得 ············

30、··················································

31、·························20参考文献 ························

32、;··················································

33、;····················21致谢 ·····························

34、··················································

35、······················22附录···························&#

36、183;·················································&#

37、183;························23本的单管放大器的组成个及其分类，并对它们的基本原理电路结构作简要分析.接着在这些工作原理和电路结构的基础上，应用Pspice软件绘制出电路图、设置参数并对仿真结果进行输出和分析。其中对电路进行了直流分析、交流分析、参数分析和瞬态分析。最后总结出单管放大器的设计与仿真的规律，得出完整的电路图。1 引言

38、 1.1选题的目的与意义 放大器能把输入讯号的电压或功率放大的装置，由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成。用在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。放大器是增加信号幅度或功率的装置，它是自动化技术工具中处理信号的重要元件。放大器的放大作用是用输入信号控制能源来实现的，放大所需功耗由能源提供。放大器按所处理信号物理量分为机械放大器、机电放大器、电子放大器、液动放大器和气动放大器等，其中用得最广泛的是电子放大器。电子放大器又按所用有源器件分为真空管放大器、晶体管放大器、固体放大器和磁放大器，其中又以晶体管放大器应用最广。在自动化仪表中晶体管放大器常用于信号的电压放大和电流放大。

39、图1 放大器放大是模拟电路最重要的一种功能，放大电路是模拟电路的一种基本形式，其作用是将微弱电信号增强（放大）到所需要的数值。工程上常用的放大电路大多是由若干基本放大电路级联构成的。基本放大电路又几乎是所有模拟集成电路与系统的基本单元。单管放大电路有共发射极、共基极和共集电极三种接法。他们的输入和输出变量不同，因而电路性能也不一样。1本课题的研究意在通过使用PSPICE软件实现的单管放大器的设计与仿真，从而进一步巩固模拟电子技术基础，学习Pspice电路设计与应用、模拟电路的计算机分析与设计Pspice程序等的相关专业知识。本文先对Pspice设计和仿真电路的方法进行简单介绍，然后画出单管放大

40、器的电路图并分析仿真，然后得出结论。1汪建民.PSpice电路设计与应用M.国防工业出版社.20073 王辅春. OrCAD/PSpiceA/D9.21简明教程M.机械工业出版社.20022 崔玉芹. 电子线路计算机辅助设计M. 北京大学出版社.20081.2国内外研究的现状20世纪初，真空三极管的发明和电信号放大的实现，标志着电子学发展到一个新的阶段。20世纪40年代末晶体管的问世，特别是60年代集成电路的问世，加速了电子放大器以至电子系统小型化和微型化的进程。放大电路的基本形式有3种：共发射极放大电路，共基极放大电路和共集电极放大电路。在构成多级放大器时，这几种电路常常需要相互组合使用。&

41、#160; 2 关于模拟电路的计算机分析与设计2.1电子电路 CAD技术的发展概况 3电子电路 CAD技术是电子信息技术发展的杰出成果,它的发展与应用引发了一场工业设计和制造领域的革命，给企业带来了巨大经济效益。当今, 电路 CAD技术及其应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。 电子电路CAD 技术是指以计算机硬件和系统软件为基本工作平台, 继承和借鉴前人在电路和系统、图论、拓扑逻辑优化和人工智能理论等多学科的最新科技的成果而研制成的电子电路 CAD通用支撑软件和应用软件包。其目的在于帮助电子设计工程师开发新的电子系统与电路、IC、PCB（印刷电路板）、FPGA（

42、现场可编程门阵列）、CPLD（复杂可编程逻辑器件）等产品。实现在计算机上调用元器件库、连线画图、编制激励信号文件、确定跟踪点、调用参数库以及模拟程序等手段去设计电路。 如把电子设计自动化（EDA）技术，看作电子电路CAD 技术的高级阶段.那么，电路 CAD可看作 EDA的初期和基础。于是，EDA的发展大致可分为以下几个阶段 :第一阶段-70年代到 80年代初期：电子电路 CAD理论研究发展迅速，成为电子电路领域的新兴学科。此时电子电路 CAD技术还没有形成系统,仅是一些孤立的软件程序。但是它们已取代了靠手工进行的繁琐计算、绘图和检验的方式，显示出其强大的活力。 第二阶段-80年代后期：随着计算

43、机与集成电路高速发展,是电子电路CAD 技术真正的实现了自动化的时期。出现了EDA(Electronic Design Automation电子设计自动化)产业。这一阶段能够实现电路仿真、布局布线、IC参数提取与检验等,并集成为一个有机的 EDA系统，其设计规模已达 10万门电路以上。在这里说明一下，通常不把 EDA和电子 CAD作严格区分，本书也沿用这种说法。 第三阶段-90年代以后：微电子技术飞速发展,一个芯片可以集成百万甚至千万个晶体管,工作速度可达到几个GB/s。此时电子系统的特点是：电路的高度复杂化、微型化、保密化；设计周期性短和成本低；设计要综合应用最新成果具有先进性、竞争性和较长

44、的生命周期；设计要独立于工艺等。这种需求促使电子系统朝着多功能、高速度、智能化的趋势发展。所以有人说，EDA是 90年代电子电路设计的革命。2.2OrCAD和Pspice软件简介2 OrCAD 软件系统包括四大部分 : OrCAD/capture, OrCAD/PSpice , OrCAD/Layout和 OrCAD/Express。各部分软件的主要功能如下： (1) OrCAD/Capture：这是一个电路原理图设计软件，它可生成各类模拟电路、数字电路和数/模混合电路。 (2) OrCAD/Pspice：这是一个电路仿真软件，它可对由 Capture 生成的电路原理图中的模拟电路、数字电路、

45、以及数 /模混合电路进行仿真，针对不同输入信号条件下电路系统的时间响应、瞬态响应、频率响应、灵敏度、噪声等有关参量进行分析，并对其进行优化。 (3) OrCAD/Layout：这是一个印刷电路版图设计软件，它可以将 Capture生成的电路原理图，通过自动布线或手动布线的方式，转为可用于制版的印刷电路版图（ PCB， Printed Circuit Board）。在 PCB设计中，可以进行多层布线（最多达 30层），布线分辨率可达 1微米。 (4) OrCAD/Express：这是一个逻辑仿真软件，它可对由 Capture生成的数字电路进行从门级模拟，一直到 VHDL综合和仿真。用它可进行 1

46、0万门以上的 CPLD、FPGA、ASIC设计，软件中提供了 Xilinx、Altera、Lattice、Lucent、Actel、Philips、Vantis等公司的器件库。Microsim公司的 PSpice (Personal Computer SPICE)是 SPICE家族中比较出色的一员，它在保持原有功能的基础上，在输入输出图形处理、模拟功能扩展、元器件模型参数库的功能数量上都进行了扩充。PSpice5.0以上版本可在 Windows环境下运行，并且具有模 /数混合设计的功能。另外在输入方式上也从原来单一的网表文件形式变成了电路原理图输入和 VHDL输入二种方式。这使输入更加直观、准

47、确，倍受工程技术人员的欢迎。1998年初 MicroSim公司与 OrCAD公司强强联合以后，两家公司原有的 EDA软件也有机地组合在一起，所推出的 OrCAD Pspice软件成为目前市场上比较成熟的模拟电路计算机辅助设计软件。（2）2.3PSPICE仿真软件的优越性PSPICE软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成图表，模拟和计算电路。它的用途非常广泛，不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化。被公认是通用电路

48、模拟程序中最优秀的软件，具有广阔的应用前景。这些特点使得PSPICE受到广大电子设计工作者、科研人员和高校师生的热烈欢迎，国内许多高校已将其列入电子类本科生和硕士生的辅修课程。 电路设计软件有很多，它们各有特色。如Protel和Tango，它对单层/双层电路板的原理图及PCB图的开发设计很适合，而对于布线复杂，元件较多的四层及六层板来说ORCAD更有优势。但在电路系统仿真方面，PSPICE可以说独具特色，是其他软件无法比拟的，它是一个多功能的电路模拟试验平台，PSPICE软件由于收敛性好，适于做系统及电路级仿真，具有快速、准确的仿真能力。 (1)图形界面友好，易学易用，操作简单由Dos版本的P

49、SPICE到Windows版本的PSPICE，使得该软件由原来单一的文本输入方式而更新升级为输入原理图方式，使电路设计更加直观形象。PSPICE 60以上版本全部采用菜单式结构，只要熟悉Windows操作系统就很容易学，利用鼠标和热键一起操作，既提高了工作效率，又缩短了设计周期。即使没有参考书，用户只要具备一定的英语基础就可以通过实际操作很快掌握该软件。 (2)实用性强，仿真效果好在PSPICE中，对元件参数的修改很容易，它只需存一次盘、创建一次连接表，就可以实现一个复杂电路的仿真。如果用Protel等软件进行参数修改仿真，则过程十分繁琐。在改变一个参数时，哪怕是一个电阻阻值的大小都需要重新建

50、立网络表的连接，设置其他参数更为复杂。 (3)功能强大，集成度高在PSPICE内集成了许多仿真功能，如：直流分析、交流分析、噪声分析、温度分析等 ，用户只需在所要观察的节点放置电压（电流）探针，就可以在仿真结果图中观察到其“电压（或电流）-时间图”。而且该软件还集成了诸多数学运算，不仅为用户提供了加、减、乘、除等基本的数学运算，还提供了正弦、余弦、绝对值、对数、指数等基本的函数运算，这些都是其他软件所无法比拟的。 另外，用户还可以对仿真结果窗口进行编辑，如添加窗口、修改坐标、叠加图形等 ，还具有保存和打印图形的功能，这些功能都给用户提供了制作所需图形的一种快捷、简便的方法。因此，Windows

51、版本的PSPICE更优于Dos版本的PSPICE，它不但可以输入原理图方式，而且也可以输入文本方式。无疑是广大电子电路设计师的好帮手。2.4利用Pspice程序进行电路设计的具体设计过程（1）输入电路结构。选择Draw|Get New Part或相应的图标，将元器件从库中调出放置在图形编辑页面上，再选择Draw|Wire或相应的图标画出电路连线。（2）编辑修改电路元器件标号和参数值。包括直流电源和信号源参数。主要通过选择Edit|Attributes或相应的图标来完成。有些参数要通过Edit|Model来修改。（3）分析功能设置。根据不同的分析要求，选择Analysis|Setup设置不同的分

52、析功能。（4）电路规则检查及生成电路网络表格。规则规定每个节点必须有一个到“地”的通路，每个元件至少有两个以上的连接点。该步在执行仿真时可自动完成。（5）执行仿真。选择Analysis|Simulate或相应的图标，PSPICE开始进行电路连接规则检查和建立网络表格文件，然后自动调用PSpice程序项进行仿真分析，分析过程能自动报错。分析结果存入文本文件*.out和波形数据文件*.dat中。如果有波形输出，就自动调用波形后处理程序Probe。（6）仿真结果分析及输出。从输出的文本文件*.out和波形数据文件*.dat（用Probe程序打开）中观察仿真结果，这些结果还可由打印机输出。 图2.工作

53、流程图3 单管放大器简介单管放大器即单级晶体管放大器、也称单级晶体管放大电路、简单晶体管放大电路等。其基本组成有：电源、晶体管、电阻和电容，其中晶体管是单管放大器的核心元件， 图3.晶体管3.1单管放大器的功能概述放大电路放大的本质是能量的控制和转换；是在输入信号作用下，通过放大电路将直流电源的能量转换成负载所获得的能量，使负载从电源获得的能量大于信号源所提供的能量。因此电子电路放大的基本特征是功率放大，即负载上总获得比输入信号大的多的电压或电流，有时兼而有之。放大的前提是不失真，即在不失真的情况下放大才有意义。 图4.放大电路示意图3.2单管放大电路的三种基本结构单管放大电路有共发射极、共基

54、极和共集电极三种解法（组态），他们的输入和输出变量不同，因而电路的性能也不太一样。 图5。共发射极单管放大电路图6.共集电极单管放大电路 图7.共基极单管放大电路4 单管放大器的模拟分析 下面分析三种组态基本放大电路，分析讨论静态工作点对动态范围的影响；放大电路主要性能指标的计算；高频响应和低频响应特性的分析等放大电路的基本性质。4.1 共射级放大器一、输入电路结构。 图8.共发射极放大电路二、设置参数把R2设为参数，引入PARAM元件，设置电路分析的参数，为实现对R2的调节，对共发射极放大电路进行直流扫描分析。三、仿真分析（一）直流工作点分析将电容开路，电感短路图9.直流工作点分析电路图网络

55、的输入网单文件如下：* INCLUDING SCHEMATIC * source TEST THREER_R4 0 6 1k C_C2 5 OUT 20u R_R5 0 OUT 4k Q_Q1 5 2 6 Q2N2222V_V4 7 0 DC 0Vdc AC 1Vac R_R1 7 1 1k V_V3 3 0 12vR_R2 2 3 R C_C1 1 2 20u R_R3 5 3 4k .PARAM R=1k* RESUMING bias.cir *.END用spice对该网络进行直流工作点分析结果如下：（1）电路静态工作点 * SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPE

56、RATURE = 27.000 DEG C NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE( 2) 7.1032 ( 3) 12.0000 ( 5) 6.3230 ( 6) 6.3160 （2）独立电压源电流和总功耗 VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT V_V3 -6.316E-03 TOTAL POWER DISSIPATION 7.58E-02 WATTS（3）晶体管Q2N2222的静态电流、电压和小信号模型参数： * OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG C* BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORSNAME Q_Q1 MODEL Q2N2222 IB 4.90E-03 IC 1.42E-03 VBE 7.87E-01 VBC 7.80E-01 VCE 6.98E-03