课程设计（论文）-单管放大器的设计与仿真.docx

单管放大器的设计与仿真单管放大器的设计与仿真学院：材料与光电物理专业： 微电子学号： 姓名： 指导老师：2010年9月14号目录摘要：1关键词：1abstract:1keywords:11 引言12 单管放大电路的设计12.1 提出设计指标12.2 拟定电路方案12.3 设置静态工作点计算元件参数12.4 电路调试12.5 结果 测量13 单管放大电路的仿真13.1 multisim11 简介13.2 运用multisim11进行电路仿真13.2.1 直流分析13.2.2 交流分析13.3.3 噪声分析13.3.4 灵敏度分析13.3.5 温度扫描分析14 结论15 心得与体会16.致谢1参考文献1附录1单管放大器的设计与仿真单管放大器的设计与仿真摘要：本文采用的是分压式电流负反馈偏置电路设计成的共发射极放大器，对分压式电流负反馈偏置电路能稳定静态工作点的原理作了说明，并将对晶体管放大器静态工作点的设置与调整方法、放大电路的性能指标与测试方法、放大器的调试技术做阐述。介绍模拟电子电路的一般设计方法和思路，以及eda软件的一些基本操作和仿真功能。关键词：共射放大器, 阻容耦合，直流负反馈，静态工作点，multisim11the design and simulation of single-tube amplifierabstract: this paper designs a rc coupled common emitter amplifier according to current negative feedback bias circuit with voltage divider. also, the principle of why current negative feedback bias circuit with voltage divider can keep quiescent operating point stable is also explained. whats more, the method of setting and adjusting quiescent operating point of transistor amplifier, the way of testing amplifiers performance index and the method of debugging amplifier are mentioned in this paper. otherwise, this paper contains some general design method and idea of analog electronic circuits, and some basic operations and simulation capabilities of eda.keywords: common-emitter amplifier, resistive and capacitive coupling, direct current negative feedback, static operating point, multisim111 引言放大现象存在于各种场合中，例如，利用放大镜放大微小的物体，这是光学中的放大；利用杠杆原理用小力移动重物，这是力学中的放大；利用变压器将低电压变换为高电压，这是电学中的放大。而作为电子电路中的放大 晶体管放大器是放大电路的基础【1】，也是模拟电子技术、电工电子技术等课程的经典实验项目，实验内容涉及方面广泛。本文已常见的作为集成运放电路的中间级的共射放大电路为讨论对象，一方面，对具体包括模拟电路的一般设计步骤、单管共射放大电路设计方案的拟定、静态工作点的设置与电路元件参数的选取、放大电路性能指标的测量、稳定静态工作点的措施等做阐述。对我们在校大学生来说除了要对所学的知识进行回顾外还要单独完成实验项目无疑具有挑战性，另一方面，multisim11作为著名的电路设计与仿真软件，不需要真实电路环境介入，具有仿真速度快，精确度高，准确，形象等优点【2】。本文利用multisim11软件进行实验仿真，具体对共射放大电路进行了静态工作点仿真分析、动态分析、瞬态特性分析、灵敏度分析、参数扫面分析，可以动态直观地观察不同参数对放大电路性能指标的影响，对理解实验原理，熟悉实验过程具有很大的帮助，了解了multisim11仿真软件的一些基本仿真功能和应用，提高了运用multisim11实际动手进行电路仿真操作的能力。一般的共射放大电路采用偏置电路稳定, 为直流负反馈电阻，采用阻容耦合的电路原理图如图一。图 采用分压式带直流负反馈的阻容耦合放大电路此放大电路的电压放大倍数：(1)(2)由于半导体材料的热敏性，晶体管的参数几乎都与温度有关。对放大电路，温度对晶体管交流电流放大系数的影响将直接改变电路的放大能力，导致电路的输出不稳定【3】。本文将对上述电路进行改进如图二。由此原理图：（3）图 改进后放大电路若，则 ()（4）可见，虽然使减少了，但由于仅取决于电阻取值，不受环境温度的影响，所以温度稳定性好【4】。一般的模拟电路的设计步骤如图三【5】图 电路设计的一般步骤下文将参照图二的电路原理图，提出指标，设定元件的具体值，再用multisim11对电路进行仿真分析。2 单管放大电路的设计2.1 提出设计指标用bjt设计一个rc阻容耦合的单管共射放大电器【6】1) 给定条件：, 3kw , 600 kw ，10 mv 2) 性能指标： kw, kw ，20，100hz ， 103) 其他要求：温度特性好；bjt的参数对放大器性能影响小；具有最大不失真动态范围。2.2 拟定电路方案图二 电路原理图采用的是分压式直流负反馈偏置电路。放大电路的电路静态工作点主要由、及电源电压所决定。该电路利用电阻、的分压固定基极电压vbq。如果满足流过的电流远大于ibq，当温度升高时，icq veq(vbq不变) vbe ibq icq,结果抑制icq了的变化，从而获得稳定的静态工作点。根据所提出的性能指标要求，用常见的2sc1815低频 小功率管。2.3 设置静态工作点计算元件参数工作点稳定的必要条件： ，一般取直流负反馈愈强，电路的稳定性愈好。所以要求 ，一般取（5）由性能指标要求有： ，所以有,取。若取,得,取标称值1.5kw因，得由（3）式，因为有20，又,综合考虑，取标称值。计算电容为：(6)大概取值10，通常取(7)估值取100。2.4 电路调试电路的调试过程中我们将换为的电位器，换为的电位器，如图四，图 调试电路将两个值在估算值附近微调，观察波形，选取最佳标称值=61.9w，=40w2.5 结果测量图 单管共射放大电路1）放大倍数 （8）由图五调用multisim11的虚拟仪器万用表通常可以测量电阻、电流、电压等参数，我们用万用表分别测量节点1的电压值如图六，测得节点7的电压值如图七25图 图 将两读数代入公式（8）可得出2)输入电阻的测量输入电阻的测量采用串联电阻法，即在信号与放大器之间串联一个已知的电阻r（一般选取接近的值为宜）如图八，在输出波形不失真的情况下，用虚拟万用表分别测量出与的值，则可求得(9)图 求输入电阻的电路原理图两万用表的读数如图九图 求输入电阻万用表的读数将两表读数代入公式（9）可得3）输出电阻的测量由图八的电路原理图，在输出波形不失真的情况下进行测量。为放大器负载开路时的输出电压值，为接入负载后放大器的电压值，则(10)测量的电压值如图十，测量电压值如图十一。图 图 将两读数代入公式（10），可得3 单管放大电路的仿真3.1 multisim11 简介ni multisim11软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的eda工具软件。作为 windows 下运行的个人桌面电子设计工具，ni multisim11 是一个完整的集成化设计环境。它具有以下几个特点【7】1) 直观的图形界面 ：整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的。2) 丰富的元器件 ：提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件。3) 强大的仿真能力 ：以spice3f5和xspice的内核作为仿真的引擎，通过electronic workbench 带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。包括spice仿真、rf仿真、mcu仿真、vhdl仿真、电路向导等功能。4) 丰富的测试仪器 ：提供了22种虚拟仪器进行电路动作的测量multimeter（万用表)function generatoer(函数信号发生器)wattmeter（瓦特表）oscilloscope（示波器)bode plotter（波特仪)word generator（字符发生器 )logic analyzer（逻辑分析仪)logic converter(逻辑转换仪)distortion analyer(失真度仪) spectrum analyzer(频谱仪) network analyzer(网络分析仪) measurement pribe(测量探针) four channel oscilloscope(四踪示波器) frequency counter(频率计数器) iv analyzer（伏安特性分析仪）agilent simulated instruments（安捷伦仿真仪器) agilent oscilloscope（安捷伦示波器） tektronix simulated oscilloscope（泰克仿真示波器) voltmeter（伏特表）ammeter（安培表）current probe（电流探针） lab view instrument（lab view仪器） 这些仪器的设置和使用与真实的一样，动态互交显示。除了multisim11提供的默认的仪器外，还可以创建labview的自定义仪器，使得图形环境中可以灵活地可升级地测试、测量及控制应用程序的仪器。5) 完备的分析手段 ：multisimt11提供了许多分析功能dc operating point analysis（直流工作点分析 ）ac analysis（交流分析） transient analysis（瞬态分析） fourier analysis（傅里叶分析） noise analysis（噪声分析）distortion analysis（失真度分析） dc sweep analysis（直流扫描分析） dc and ac sensitvity analysis（直流和交流灵敏度分析） parameter sweep analysis（参数扫描分析） temperature sweep analysis（温度扫描分析） transfer function analysis（传输函数分析） worst case analysis（最差情况分析） pole zero analysis（零级分析） monte carlo analysis（蒙特卡罗分析） trace width analysis（线宽分析） nested sweep analysis（嵌套扫描分析） batched analysis（批处理分析） user defined analysis（用户自定义分析） 它们利用仿真产生的数据执行分析，分析范围很广，从基本的到极端的到不常见的都有，并可以将一个分析作为另一个分析的一部分的自动执行。集成labview和signalexpress快速进行原型开发和测试设计，具有符合行业标准的交互式测量和分析功能。6) 独特的射频(rf)模块：提供基本射频电路的设计、分析和仿真。射频模块由rf-specific（射频特殊元件，包括自定义的rf spice模型）、用于创建用户自定义的rf模型的模型生成器、两个rf-specific仪器（spectrum analyzer频谱分析仪和network analyzer网络分析仪）、一些rf-specific分析（电路特性、匹配网络单元、噪声系数）等组成。7) 强大的mcu模块 ：支持4种类型的单片机芯片,支持对外部ram、外部rom、键盘和lcd等外围设备的仿真，分别对4 种类型芯片提供汇编和编译支持；所建项目支持c代码、汇编代码以及16进制代码,并兼容第三方工具源代码； 包含设置断点、单步运行、查看和编辑内部ram、特殊功能寄存器等高级调试功能。8) 完善的后处理 ：对分析结果进行的数学运算操作类型包括算术运算、三角运算、指数运行、对数运算、复合运算、向量运算和逻辑运算等。9) 详细的报告 ：能够呈现材料清单、元件详细报告、网络报表、原理图统计报告、多余门电路报告、模型数据报告、交叉报表7种报告。10) 兼容性好的信息转换：提供了转换原理图和仿真数据到其他程序的方法，可以输出原理图到pcb布线（如ultiboard、orcad、pads layout2005、p-cad和protel）；输出仿真结果到mathcad、excel或labview；输出网络表文件；向前和返回注；提供internet design sharing（互联网共享文件）ni multisim11计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。ni multisim11软件绝对是电子学教学的首选软件工具。3.2 运用multisim11进行电路仿真3.2.1 直流分析直流工作点分析(dc operating point analysis):也称静态工作点分析，电路的直流分析是在电路中电容开路、电感短路时，计算电路的直流工作点，即在恒定激励条件下求电路的稳态值。在电路工作时，无论是大信号还是小信号，都必须给半导体器件以正确的偏置，以便使其工作在所需的区域，这就是直流分析要解决的问题。了解电路的直流工作点，才能进一步分析电路在交流信号作用下电路能否正常工作。求解电路的直流工作点在电路分析过程中是至关重要的。运行multisim11，打开图五电路原理图，单击仿真分析直流工作点分析，再单击对话框中的输出项，选择电路变量中的项添加到分析所选变量选项中，单击仿真，得到如图十二图 直流工作点分析结果3.2.2 交流分析交流分析(ac analysis)：交流分析是在正弦小信号工作条件下的一种频域分析。它计算电路的幅频特性和相频特性，是一种线性分析方法。 multisim11在进行交流频率分析时，首先分析电路的直流工作点，并在直流工作点处对各个非线性元件做线性化处理，得到线性化的交流小信号等效电路，并用交流小信号等效电路计算电路输出交流信号的变化。在进行交流分析时，电路工作区中自行设置的输入信号将被忽略。也就是说，无论给电路的信号源,设置的是三角波还是矩形波，进行交流分析时，都将自动设置为正弦波信号，分析电路随正弦信号频率变化的频率响应曲线。单击仿真分析交流分析，在对话框中点击输出选项，添加为分析所选变量，单击仿真得到交流分析的结果，如图十三图 交流仿真结果如果用波特图仪器连接至电路的输入端和输出端，同样也可以得到幅频特性如图十四，相频特性如图十五图 图 3.3.3 噪声分析噪声分析(noise analysis)：用于分析噪声对电路性能的影响，包括检测电子线路输出信号的噪声功率幅度，计算、分析电阻或晶体管的噪声对电路的影响。单击仿真分析噪声分析，弹出的对话框中选择输入噪声参考源为,输出节点选,参考节点选。再点击输出项选择inoise-spectrum, onoise-spectrum分析所选变量，单击仿真得到结果如图十六图 噪声分析结果3.3.4 灵敏度分析灵敏度分析(sensitivity analysis):分析的是电路特性对电路中元器件参数的敏感程度。灵敏度分析包括直流灵敏度分析和交流灵敏度分析功能。直流灵敏度分析的结果以数值的形式显示，交流灵敏度分析仿真的结果以曲线的形式显示。单击仿真分析灵敏度分析，添加选择分析所选变量。仿真结果如图十七，图十八。图 直流灵敏度分析结果图 交流灵敏度分析3.3.5 温度扫描分析温度扫描分析(temperature sweep analysis)用于研究温度变化对电路性能的影响，相当于在不同的温度下分别对元件进行电路仿真。本文所讨论的重点就是对一般共射放大电路进行改进后，放大电路的性能基本不受温度的影响。单击仿真分析温度分析，对晶体管进行0-160温度扫描，输出结果如图十九图 晶体管温度扫描结果在对图五的原理图去掉后，按照前面的步骤再次仿真得到图二十图 一般共射放大电路晶体管温度扫描由图十九与图二十对比可得到改进后电路性能受晶体管温度影响明显比一般共射放大电路受温度影响要小很多。即改进电路后bjt的性能受温度影响很小在此得到论证。4 结论此次课程设计是单管放大器设计与仿真，通过对一般共射放大电路的改进，再用multisim11软件仿真测试 改进后的电路，其基本能满足所要求的设计设计指标、bjt的参数基本不受温度影响。单管放大电路的设计思路适用于一般的模拟电路设计，虽然，本课题设计较简单，但一些元件的选择是在理解电路原理，掌握了一般的步骤之后，根据实际的情况所选取的。multisim11仿真工具的应用也远不止本文所提及的，还可以仿真发射极电阻对放大倍数的影响，扫描各个元件对输出性能的影响等。其丰富的仿真功能还有待各位去深究。5 心得与体会从课程设计本身来说，它是培养学生综合运用所学知识、发现、提出、分析和解决实际问题、实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。模拟电路的设计确实需要一定的积累经验，一些参数取值是通过先设定的经验值，然后再估算其他参数值，再使用仿真软件对电路仿测试其参数值是否合适，若有偏差还得进行修正，以满足电路的需要，而且有些参数值是可以有一定的浮动，各个参数值之间又相互影响电路的性能，对本设计中调整的阻值，可以提高放大倍数但同时b