带推挽射极跟随器的放大电路的设计说明

..目录摘要才IAbstractII1绪论12电路工作原理22.1原理框图设计22.2各部分结构功能23单元电路设计33.1输入级电路设计33.2中间级电路设计43.3输出级电路设计43.4电流反馈回路设计54电路仿真64.1总电路图构成64.2放大电路仿真65电路PCB版设计96实物电路焊接及其调试117小结12参考文献13附录I原理图14附录II元件清单15..摘要晶体管〔transistor是一种固体半导体器件,可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。晶体管在当今社会的重要性主要是因为晶体管可以使用高度自动化的过程进行大规模生产的能力,因而可以不可思议地达到极低的单位成本。本次课设的内容是设计一个电流反馈型放大器,主要利用其放大功能。该放大器主要分为4个部分：输入级、中间级、输出级以及反馈回路。其主要核心思想是利用电流反馈减小增益改变对电路频率特性的影响,同时获得较好的放大效果。输出级采用2级直接耦合推挽射极跟随器使得电路的稳定性有较大的提高。课设中设计了放大电路并用Multisim进行了功能仿真,并用Protel设计了电路的PCB板。关键词：晶体管；放大器；电流反馈；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.PCBboard..1绪论晶体管〔transistor泛指一切以半导体材料为基础的单一元件,包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、可控硅等。晶体管是一种固体半导体器件,可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。晶体管作为一种可变开关,基于输入的电压,控制流出的电流,因此晶体管可做为电流的开关。本次课设的主要器件是晶体三极管。晶体三极管按材料分有两种：锗管和硅管。而每一种又有NPN和PNP两种结构形式,但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管,〔其中,N表示在高纯度硅中加入磷,是指取代一些硅原子,在电压刺激下产生自由电子导电,而p是加入硼取代硅,产生大量空穴利于导电。两者除了电源极性不同外,其工作原理都是相同的。三极管工作状态有三种,放大、饱和、截止,其中又以放大状态最为复杂,主要用于小信号的放大领域,常用的三极管放大电路形式有：共发射极放大电路,共集电极放大电路,共基极放大电路三种,其中共集电路用于电流放大〔功率放大,共基电路用于高频放大,共射电路用于低频放大。本文主要分为以下几个部分:通过要求从前级电路往后级电路依次设计,包括元件参数,器件选择,电路仿真,PCB印刷版的制作以及最终的实物制作和调试。电路的主要思想是采用电流负反馈达到信号放大的目的。以电流反馈型放大器替代以往的电压反馈型放大器后,增益倍数将不影响电路的频率特性。相比于电压反馈放大器有较好的效果。2电路工作原理2.1原理框图设计电流反馈回路输入级输出级中间级带推挽射极跟随器的电流反馈放大电路主要分为输入级、中间级、输出级三个部分。其中输入级采用2级直接耦合推挽设计跟随器电路；中间级是起电流检出和电流到电压转换作用的跨阻抗放大器；输出级采用的是设计跟随器,能狗减小输出电阻。实际原理框图如图2.1所示：电流反馈回路输入级输出级中间级图2.1电路原理框图2.2各部分结构功能1．输入级：输入级采用的是2级直接耦合的推挽射极跟随器电路。采用该电路的反转输入端输入阻抗非常低,因而能够在接近理想的状态下进行电流反馈。2中间级：中间级的功能是电流检出和将该电流变换为电压。主要构成元件是2发射极接地电路,它们能放大由集电极上电阻产生的压降。3.输出级：采用设计跟随器作为输出级,可以提高中间级的输入阻抗,降低输出级输出电阻,而且能够取得大的输出电流。4.电流反馈回路：从输出级接至输入级的电流反馈回路能狗减小增益系数改变对电路频率特性的影响。并且实际电路的闭环增益由反馈电路的电阻值决定。3单元电路设计3.1输入级电路设计输入级的实际电路是由2级直接耦合推挽射极跟随器组成的。电路如图3.1所示。图3.12级直接耦合推挽射极跟随器在输出电路中,流过和的发射极电流仅由发射极电阻〔图3.1中的7.5决定。和的基极偏置电压都为零,因而发射极上的电压为：15V-=14.4V该电压除以发射极电流即可求得发射极阻值。可设置发射极电流为2mA,则发射极电阻为：R=14.4V/2mA=7.2取标称阻值7.5即可。同时在输出级结构电路中,和,和分别采用互补对,且因为与的发射极相互连接,使得和以及和的发射级电流相同,都是2mA。保证了电路2级直接耦合的特性。在输入端与和的基极间串联100的电阻可以防止输入端的设计跟随器产生振荡。3.2中间级电路设计中间级的实际电路是2个发射极接地构成的放大电路,其电路图如图3.2所示。图3.2中间级电路中间级电路的作用是检出经输入级的电流并将该电流转换为电压,实际上是跨阻抗放大器。电流经过设计跟随器的集电极电阻R5与R8,此时产生的电压降*R8将会被的发射极接地电路放大。该电路中的和与前级的R5和R8一起共同构成了跨阻抗放大器。3.3输出级电路设计输出级电路实际电路是由两个设计跟随器构成。其电路图如图3.3所示。图3.3输出级电路输出级电路存在的意义在于增大输出电流,减小输出电阻。如果直接将跨阻抗电路作为总电路的输出,就会导致集电极电阻=负载,使得输出电流减小。因而要提高次级电路的输入阻抗,降低输出电路的阻抗,需要在跨阻抗电路后接上射极跟随器。3.4电流反馈回路设计电流反馈回路是由输出级反馈至输入级的电路。电路图如图3.4所示。图3.4电流反馈回路反馈型的OP放大器主要包括电压反馈放大器和电流反馈型放大器。电压反馈型的缺点是频率特性随着设定的增益而变化。在一般的电压反馈OP放大电路中,若增益增加20dB,那么频率特性就会下降20dB即减小到1/10。本次课设电路中采用的是电流反馈型,在电路中使用了一个设定增益的电阻R12,是反馈电流和来自输入级的输出电流流向地。因为R12和R9的关系,与电流反馈量对应的输入级输出电流流入中间级即跨阻抗放大器。跨阻抗放大器会将电流转变为电压〔IV,将该输出电流转变为输出电压。反馈回路中的R2值如果太小,会加重输出级射极跟随器的负担。如果太大,将会减小电流。又由于是跨阻抗放大器的输入电流,会导致无法提高跨阻抗放大器的放大倍数。R1的合适取值可以从1到10,这里取值为1。电流反馈回路的主要作用在用决定电路的闭环增益倍数,可以通过下式求得：其中R2关系到电路的频率特性,所以要将它的值固定。可以通过改变R1的值来改变电路的增益。4电路仿真4.1总电路图构成由上部分的但愿电路设计可以构成带推挽射极跟随器的放大电路的总电路图,用Mutisim绘制的总电路图如图4.1所示。图4.1放大电路总电路图电路共由4部分构成：输入级、中间级、输出级以及电流反馈回路。总电路图中加入了4个电容分别加在正负电源上,作用是滤除电源中可能带有的噪音信号。电路中R11的左端点是信号输入端,图中的9号线可作为信号输出端。有电路图不难得出总电路的闭环增益为=2倍。4.2放大电路仿真本次用来仿真的软件为Muitisim仿真软件,Multisim软件有几款其它任何仿真软件所没有的虚拟仪器,如"4踪示波器"、"实时测量探极"可以在线动态测量电路各节点的电压、世界顶尖跨国公司安捷伦公司测量仪器："安捷伦函数信号发生器"、"安捷伦6位半数字万用表"、"安捷伦示波器",这三台仪器的面板、旋钮操作和实际安捷伦仪器完全一样。将虚拟信号发生器和虚拟示波器接到总电路上,如图4.2所示。图4.2仿真电路连接图如上图所示,信号源输出端分别连接在R11左端和接地。示波器A通道接电路输出信号,B通道接信号源输出信号以便进行比对。连接好电路图后点击即可进行仿真。仿真结果如图4.3所示。图4.3仿真波形结果由波形仿真结果图可见,仿真波形基本一致。在数据栏中可以看到电路输出信号A通道的波形幅值为2.007,输入信号B通道的波形幅值为1.016,增益倍数近似为2倍,且频率基本一致,达到了预期的结果。5电路PCB版设计在本次课设中,需要绘制设计电路的PCB板,需要的软件是Protel。Protel是Protel公司在80年代末推出的EDA软件,在电子行业的CAD软件中,它当之无愧地排在众多EDA软件的前面,是电子设计者的首选软件,Protel99SE共分5个模块,分别是原理图设计、PCB设计〔包含信号完整分析、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD设计。本次课设中主要用到原理图设计、PCB设计和自动布线器等功能。第一步是在Protel中绘制所需的电路原理图,绘制结果如图5.1所示。图5.1Protel中绘制的总电路图其中需要注意的问题是元件的封装,只有正确封装元件才能得到正确的网络表,关系到PCB板的生成。封装方法是在元件属性中Footprint一栏填上相关的参数。本次课设中用到的元件封装形式主要有以下几种：电阻：AXIAL0.3电容：RB.2/.4三极管：TO-92A二极管：DIODE0.4原理图绘制完后的下一个步骤就是电气规则检查和生成网络表。电气规则检查就是对元件的连接规则进行检查,排除没有连接,短路等情况。而网络表是制作PCB板时,元件连线的依据。其中电器规则检查如图5.2所示,该提示表示电器规则检查通过。图5.2电路电气规则检查情况生成网络表后的下一步就是制作PCB板,在制作版面上绘制出相应的区域大小后选择加载网络表,软件会对网络表相关信息进行检测。这一步中常见的问题是出现这种提示：Nodewasnotfound.该现象的主要原因是网络表的自动生成的引脚号1和2无法被软件识别。修改方法是将网络表中引脚无法识别的元件引脚号"1"改成"A","2"改成"K"。修改后可成功通过网络表检查。下一步是在PCB板上布线,将各个元件移动到合适的位置,在菜单中选择自动布线,软件能够自动生成布线方案。自动布线生成的PCB板如图5.3所示。图5.3PCB板图6实物电路焊接及其调试通过仿真可以看出,电路在仿真条件下基本符合设计要求,这表明所设计的硬件电路和程序在理论上符合设计要求。因此可以进行实物搭建与调试,在实际电路中检验电路的工作状态是否与设计要求相符。电子电路调试技术包括调整和测试两个部分。调整主要是对电路参数的调整,如对电阻、电容和电感等。以及机械部分进行调整,使电路达到预定的功能和性能要求；测试主要是对电路的各项技术指标和功能进行测量和实验,并与设计的性能指标进行比较,以确定电路是否合格。电路测试是电路调整的依据,又是检验结论的判断依据。在购回所需元件与通用印制板后,我焊接出了自己的实物电路。在第一次去实验室测试时,三极管Tr8发生了爆炸。经过对电路的仔细检查,发现焊接电路时有两根跳线被遗忘了,因而导致了电路的损坏。在重新调整了电路以及完成焊接后,我第二次去实验室测试,得到了比较满意的结果。实际放大效果很理想,证实了设计理论的正确性。7小结对于晶体管构成的放大器,在大二学模电时候我就有接触晶体管放大电路,并且在接下来的课设中也对晶体管电路做了一定的深入。然而此次的晶体管课设却对晶体管数目有要求,使得我们不得不去查找更多的资料来扩展自己的知识。同时多晶体管数目的要求也逼得我们不得不把多种电路联合起来以求寻找突破口。同时在此次课设过程中,我再次复习了以往学过的Protel绘制PCB的过程。许多知识虽然当时很明白,但过一段时间难免会望却很多。这次课设无疑给了我们复习的机会,同时大三的我也了解到很多企业对我们这个专业对软件的应用能力有一定的要求。此次课设中我发现仿真软件ORCD相对来说比较专业,折腾很久我还是不懂如何仿真。最后选择了自己较为熟悉的Mutisim进行仿真。经过这次课程设