毕业论文《视频信号放大器设计》

本科毕业论文（设计） 题 目 : 视频信号放大器的设计 院 系 ： 电子与通信工程学院 专 业 ： 电子信息科学与技术 姓 名： 学 号： 指导教师： 教师职称： 讲师 填写日期： 2013 年 4 月 27 日 贵阳学院本科毕业论文（设计） 1 摘要 视频信号指电视信号、静止图象信号和可视电视图象信号。视频信号可支持三种制式：大视频信号是为了增强视频的亮度、色度、同步信号。将视频信号预处理电路输出的信号继续放大，以推动显像管阴极，并实现亮度控制，行、场消隐。视频 信号 放大器是放大视频信号， 是 用以增强视频的亮度、色度、同步信号。当视频传输距离比较远时，最好采用线径较粗的视频线，同时可以在线路内增加视频放大器增强信号强度达到远距离传输目的。视频放大器可以增强视频的亮度、色度和同步信号 。 视 频信号放大 电路采用 5 个 三极管 ，是一个 5 宽的宽带放大器。信号施加 输入端和通过 取的第一阶段，这是一个前置放大器和围绕第一 级 构成 。在 第一级 的输出直流耦合，第二 级 它放大信号 加 更，因为它们是直流耦合的前置放大器有几乎没有失真和放大是很高 。最后，从第三 级 输出的信号是 输出 三极管 。这两个 三极管 是相辅相成的，从他们的共同发射器的信号是 从那里发送到驱动电路的各种设备的信号分配 电路需要一个直 流的 12 关键词 ： 视频 信号 放大器 ； 增强视频 ； 直流耦合 ； 失真 ； 电源 贵阳学院本科毕业论文（设计） 2 is a in to to of to RT to is to is of to to of be is a 5 is to by 1, is a in it is no is is to 4 5. is to a of C a 12V DC dc 阳学院本科毕业论文（设计） 3 目 录 前言 . 1 第一章 视频信号放大器的元器件方案设计 . 2 第一节 三极管的选择 . 2 一、 . 4 二、 . 4 三、 . 5 四、 . 5 第二节 电容的选择 . 6 第三节 电阻的选择 . 7 第二章 视频信号放大器设计 . 9 第一节 视频信号放大性能参数 . 9 一、放大电路的主要频响参数 . 9 二、放大电路在不同频段内的等效电路 . 9 三、频率响应的分析方法 . 10 四、 多级放大器的频率响应 . 11 五、级放大器的瞬态响应 . 12 第二节 视频信号放大电路的设计 . 14 第三章 调试过程 . 15 第一节 仿真 . 15 第二节 制作实物 . 20 第三节 实物调试 . 21 总结 . 23 致谢 . 24 参考文献 . 25 贵阳学院本科毕业论文（设计） 1 前言 社会的发展，科技的进步，需要有高素质的各类人才协同努力。当前，社会上所需的专门人才中具有实际技能者是最受欢迎的。在于电子技术相关行业和领域，如自动化、机电一体化、 电子技术实用技能，能自主研究、开发、生产的人才需求很大。 视频领域存在许多趋势，其中比较重要的一个趋势是分辨率越来越高。随着便携产品的视频分辨率由 算放大器的速度也将随之提高，运算放大器也要改善其带宽和失真性能，以满足高分辨率视频的要求。市场的总体需求趋势 基本 相同：比如便携式产品对更低电压的要求意味 着视频放大器的电压 很低 ，同时需要更多的轨到轨放大器；采用 很小 的封装，同时集成更多的片上功能， 比 如增益电阻，在更高的带宽上采用片上反馈路径改善信号完整性和降低串扰低功耗；更快的速度以满足高屏幕分辨率，如 式等；最后是更低的功耗， 比 如凌特的 电流反馈放大器的特点是一个电阻，它允许系统设计人员调整带宽，实际上是速度 和 功率旋钮。这意味着系统设计人员可以设定放大器，使之在给定的信号带宽上永远不会 有 耗用过多的功率。 在设计任何应用的视频系统时，视频放大器的性能都 很 关键。其中一种应用是宽带视频路由器 和交换机，带宽为 100500了支持高带宽，终端产品需要带宽极高的内部运算放大器，甚至 10倍于所需要的带宽。 厂商 告中所说的带宽数字 也 是 会 造假的，要关注的重要带宽数字是大信号带宽 (格，通常被认为是 1 至更高。许多制造商广告中所说的是小信号带宽 (但，总体来说视频信号使用 的是大信号(2客户可能 会 被小信号规格所诱惑，但 值较高的产品 很 有价值。 意识到了 自由 市场对 家半导体推出了一种三宽带、 750 运算放大器 750 可编程增益缓冲器 (有 3993310 V/换速率和 190 益 平度 ，在驱动高分辨率 频信 号方面的性能优于同类产品。视频放大器的一个 非常 重要特点是 益平度。通常 是 增益平度越高，支持的视频分辨率 就 越高。如， 050 一方面，当面对高分辨率视频信号时，需要的增益平度接近 100190 同时在使用视频 信号 放大器进行设计时需要注意一些问题， 比 如信号的失真等等。为使视频 信号 放大器带给视频信号的失真降至最小，这点 很 重要。 贵阳学院本科毕业论文（设计） 2 第一章 视频信号放大器的元器件方案设计 由于视频信号放大器设计采用晶体管，电阻，电容组成，首先要对这些元器件有详细的认识，要知道它们的参数和物理特性等。电子电路设计是实现特定功能电路的基础工作。包括正确选择元器件，按照规范画出原理图和电路板施工图。这其必然要沿着合理的设计路径和方法设计，才能达到实现所需的功能电路图的设计。在电子电路设计中，由于电路的功能不同，所需元器件种类也很多，必须对所需元器件的性能、种类及型号命名等有一定的了解，才能选用。视频信号放大器设计是根据对电路的功能要求，通过电子电路的电路的机 构形式、参数计算、选择电路用元器件并进行组装、调试过程。对放大器的主要参数进行计算，工作频率进行测量。 预期 输出： 1 调 6 响： 1063 理论最大增益 ： 020频： 2080功 耗： 1W。 第一节 三极管的选择 半导体 三极管又 叫 “ 晶体三极管 ” 或 “ 晶体管 ” 。在半导体锗或硅的单晶上制备两个 会相互 影响的 成一个 间的 区叫 基区 ，两边的区域叫发射区和集电区，这三部分各 自 有一条 电极 引线，分别叫 做 基极 B、 发射极 电极 C，是能 够起放大、振荡或开关等作用的半导体电子 元 器件。 晶体三极管按材料分有两种： 硅 管和 锗 管。 而且 每一种又有 种结构形式，但 是 使用最多的是硅 锗 种三极管，两者除了电源极 性 有所不同 外， 但 其工作原理都是相同的，对 ，它是由 2 块 N 型半导体 和 中间夹着一块 P 型半导体所组成，发射区 和 基区 之间形成的 称为发射结， 而且 集电区与基区形成的 称为集电结，三条引线分别称为发射极 e、基极 b、 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 生产 三极管时， 会 有意识地使发射区的多数 载流子 浓度大于 基区 的，同时 基区 做得 非常 薄，而要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子及基区的多数载流子很容易地越过发射结互相向对方扩散，但 是 因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的 电流 基本 贵阳学院本科毕业论文（设计） 3 上是电子流，这股电子流称为发射极 电流 。 但 基区 很薄，加上集电结的反偏，注入基区的电 子大部分 会 越过集电结进入集电区而形成集电极 电流 下很少（ 1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 新补给，而形成了基极电流 b+在基极补充一个很小的 以在集电极上得到一个较大的 就是电流放大作用， ： 1=b 式中： 1 流放大倍数，集电极电流的变化量 基极电流的变化量 比为： = 中 流放大倍数 ，由于低频时 1 和 的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分， 值约为几十至一百多。三极管是一种 电流 放大器 件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。 (1)发射区向基区发射电子 发射结施加正向电压且掺杂浓度高，所以发射区多数自由电子越过发射结扩散到 基区 ，发射区的自由电子由直流电源补充，从而形成了发射极电流。 (2)自由电子在基区和空穴复合，形成基区电流，并继续向集电区扩散 自由电子进入基区 后，先在靠近发射结的附近密集，渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下，促使电子流在基区中向集电结扩散，被集电结电场拉入集电区形成集电极电流。也有很小一部分电子与基区的空穴 复合 ，扩散的电子流与复合电子流之比例决定了三极管的放大能力。 (3)集电区收集自由电子，形成集电极电流 由于集电结加反向电压且面积很大，这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向 基区 扩散，同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区从而形成集电极主电流 外集电区的少数 载流子 也会产生漂移运动，流向基区形成 反 向饱和电流 ，用 表示，其数值很小，但对温度却异常敏感。 (4)三极管工作状态 ,当 之间电压 如果三个管脚电压关系是 b会处於放大状态 ;如果是 c会处於饱和状态 (相当於开关 );如果此时 c 则仍会处於截止状态 . ,当 之间电压 如果三个管脚电压关系是 b会处於放 贵阳学院本科毕业论文（设计） 4 大状态 ;如果是 c会处於饱和状态 ;如果此时 一、 料 ：硅 集电极发射极击穿电压： 30V 耗散功率： 625电极最大电流： 100流电流放大系数 110特征频率 150装： 脚排列： C B E 电流 - 集电极 （最大）： 100压 - 集电极发射极击穿（最大）： 30V 件下的 和度（最大）： 600 5100某 的最小直流电流增益 ( 110 25V 功率 - 最大： 500率 - 转换： 300装类型：通孔 封装 /外壳： 准主体 二、 别：分离式半导体产品 家庭：晶体管 (- 单路 晶体管类型： 流 - 集电极 (最大）： 100压 - 集电极发射极击穿（最大）： 30V 贵阳学院本科毕业论文（设计） 5 件下的 和度（最大）： 6505100流 - 集电极截止（最大）： - 在某 的最小直流电流增益 ( 110 25V 功率 - 最大： 500率 - 转换： 150装 类型：通孔 封装 /外壳： 准主体 三、 别：分离式半导体产品 家庭：晶体管 (- 单路 晶体管类型： 流 - 集电极 (最大）： 800压 - 集电极发射极击穿（最大）： 25V 件下的 和度（最大）： 700 50500流 - 集电极截止（最大）： 100某 的最小直流电流增益 ( 100 1001V 功率 - 最大： 625率 - 转换： 100装类型：通孔 封装 /外壳： 准主体 四、 别：分离式半导体产品 家庭：晶体管 (- 单路 晶体管类型： 流 - 集电极 (最大）： 800压 - 集电极发射极击穿（最大）： 25V 贵阳学院本科毕业论文（设计） 6 件下的 和度（最大）： 700 50500流 - 集电极截止（最大）： 100某 的最小直流电流增益 ( 100 1001V 功率 - 最大： 625率 - 转换 ： 100装类型：通孔 封装 /外壳： 准主体 第二节 电容的选择 电解电容器 ，又称电容器隔膜纸，它在电解电容器的阳极和阴极铝箔之间起隔离、绝缘作用。电解电容器纸的质量越好，越能满足电容器耐压、低阻抗、损耗小的要求。电解 电容器 是指在铝、 钽 、 铌 、 钛 等金属的表面采用阳极氧化法生成一薄层氧化物作为 电介质 ，以电解质作为阴极而构成的电容器。 电解电容器的内部有储存电荷的电解质材料，分正、负极性，类似于电池，不可接反。正极为粘有氧化膜的金属基板，负极通过金属极板与电解质（固体和非固体）相连接。 无极性（双极性）电解电容器采用双氧化膜结构，类似于两只有极性电解电容器将两个负极相连接后构成，其两个电极分别为两个金属极板（均粘有氧化膜）相连，两组氧化膜中间为电解质。有极性电解电容器通常在电源电路或中频、 低频电路中起电源滤波，退耦、信号耦合及时间常数设定、隔直流等作用。无极性电解电容器通常用于音响分频器电路、电视机 动机的起动 电路。 电解电容器的工作电压为 4V、 10V、 16V、 25V、 35V、 50V、 63V、 80V、 100V、 160V、200V、 300V、 400V、 450V、 500V，工作温度为 +155 （ 4500V）、，特点是容量大、 体积大、有极性，一般用于直流电路中作滤波、整流。目前最常用的电解电容器有铝电解电容器和钽电解电容器。 在设计中选择了 5个极性电容 : 两个 1006V， 三个 470 6V； 选择了 6个无极性电容： 100 贵阳学院本科毕业论文（设计） 7 第三节 电阻的选择 电阻（ 常用 “R” 表示），在 物理学 中表示 导体 对 电流 阻碍作用的大小。导体的电阻越大，表示导体对电流的阻碍作用越大。不同的导体，电阻一般不同，电阻是导体本身的一种特性。电阻将会导致电子流通量的变化，电阻越小，电子流通量越大，反之亦然。 阻元件的电阻值大小一般与温度有关，还与导体长度、横截面积、材料有关。衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义 为温度每升高 1 时电阻值发生变化的百分数。多数（金属）的电阻随温度的升高而升高，一些半导体却相反。如：玻璃，碳在温度一定的情况下，有公式 R=l/s 其中的 就是 电阻率 ， l 为材料的长度，单位为 m， s 为面积，单位为平方米。可以看出，材料的电阻大小正比于材料的长度，而反比于其面积。 电阻物理量： 1 欧电压产生一鸥电流则为 1 鸥电阻。另外电阻的作用除了在电路中用来控制电流电压外还可以制成发 热元件等。 电阻的主要物理特征是变 电能 为 热能 ，也可说它是一个 耗能元件 ，电流经过它就产生 内能 。电阻在 电路 中通常起 分压 、 分流 的作用。对 信号 来说， 交流 与直流信号都可以通过电阻。 色环电阻的识别方法： 带有四个色环的其中第一、二环分别代表阻值的前两位数；第三环代表倍率；第四环代表误差。快速识别的关键在于根据第三环的颜色把阻值确定在某一数 量级范围内，例如是几点几 K、还是几十几 将前两环读出的数 ” 代 ” 进去，这样就可很快读出数来。 2 （ 1）熟记第一、二环每种颜色所代表的数。可这样记忆：棕 1，红 2，橙 3，黄 4，绿 5，蓝 6，紫 7，灰 8，白 9，黑 0。这样连起来读，多复诵几遍便可记住。 记准记牢第三环颜色所代表的 阻值范围，这一点是快识的关键。具体是： 金色：几点几 黑色：几十几 棕色：几百几十 红色：几点几 橙色：几十几 黄色：几百几十 绿色：几点几 贵阳学院本科毕业论文（设计） 8 蓝色：几十几 从数量级来看，整体上可把它们划分为三个大的等级，即：金、黑、棕色是欧姆级的；红橙、黄色是千欧级的；绿、蓝色则是兆欧级的。这样划分一下是为了便于记忆。 （ 3）当第二环是黑色时，第三环颜色所代表的则是整数，即几，几十，几百 ，这是读数时的特殊情况，要注意。例如第三环是红色，则其阻值即是整几 。 （ 4）记住第四环颜色所代表的误差，即：金色为 5%；银色为 10%；无色为 20%。 下面举例说明： 例 1 当四个色环依次是黄、橙、红、金色时，因第三环为红色、阻值范围是几点几 照黄、橙两 色分别代表的数 ”4 和 ”3 代入 ,，则其读数为 4.3 第环是金色表示误差为 5%。 例 2 当四个色环依次是棕、黑、橙、金色时，因第三环为橙色，第二环又是黑色，阻值应是整几十 ，按棕色代表的数 ”1 代入，读数为 10 第四环是金色，其误差为5%。 在设计中选择了 :150 、 10 1 330 、 390 560 、27 ； 贵阳学院本科毕业论文（设计） 9 第二章 视频信号放大器设计 第一节 视频信号放大性能参数 一、放大电路的主要频响参数 （ 1） 中频增益 M 指放大器工作在中频区的增益与相位，它们与频率无关。 （ 2）上限频率 定义为当信号频率变化时，放大器增益的幅值下降到 频率升高时，增益下降到 当频率下降时，增益下降到 （ 3） 通频带 定义为上、下限频率之差值，即 （ 2 3） 当 （ 4）增益带宽积 是放大器中频增益 （ 2 4） 二、放大电路在不同频段内的等效电路 若考虑电抗元件的影响，放大器的增益应为频率的复函数： A(=A( )( )。放大器的频率特性可分为三个频段：中频段、低频段、高频段。对不 同频段内的放大器进行分析，应建立不同的等效电路。 （ 1）中频段：通频带 由于耦合电容及旁路电容的容量较大，在中频区呈现的容抗（ 1/C ）较小，故可视为短路；而三极管的极间电容的容量较小，在中频区呈现的容抗较大，故可视为开路。因此，在 (= 2 （ 2 1） (= 2 （ 2 2） 贵阳学院本科毕业论文（设计） 10 中频段范围内，电路中所有电抗的影响均可忽略不计。在中频段，放大器的增益、相角均为常数，不随频率而变化。 （ 2）低频段： f 在低频段，随着频率的减小，耦合电容及旁路电容的容抗增大，分压作用明显，不可再视为短路；而三极管的极间电容呈现的容抗 比中频时更大，仍可视为开路。因此，影响低频响应的主要因素是耦合电容及旁路电容。 在低频段，放大器的增益比中频时减小并产生附加相移。 （ 3）高频段： f 在高频段，随着频率的增大，耦合电容及旁路电容的容抗比中频时更小，仍可视为短路；而三极管的极间电容呈现的容抗比中频时减小，分流作用加大，不可再视为开路。因此，影响高频响应的主要因素是晶体管的极间电容。 三、频率响应的分析方法 它是以传递函数与相应的拉氏变换为基础，从放大器的交流等效电路出发，将其电容 ，电感 L 用 示，导出电路的 传递函数表达式，确定其极点与零点，并由此确定有关放大器的频率特性参数，具体步骤如下： （ 1）写出电路传递函数的表达式 A(s) 在复频域内，无零多极系统传递函数的一般表达式为： 其中， 点数值应为负实数或实部为负值的共轭复数，极点数目等于电路中独立电容的数目。 （ 2）令 s=写出频率特性表达式 A( 设极点均为负实数（ p= p），则 （ 3）确定上限角频率 H (s)= (1 s/(1 s/ (1 s/（ 2 5） ( = (1+ (1+ (1+ （ 2 6） 1 H 1 1 1 + + （ 2 7） 贵阳学院本科毕业论文（设计） 11 若 4 H （ 4）绘制渐近波特图 （ 5）使用开路时常数法近似计算系统的上限角频率 H 当难以用简单的方法确定等效电路的极点和零点时，通常可采用此种方法，具体步骤如下； 首先，分别求出高频等效电路中每一个电容元件确定的开路时间常数 =时除 将电压源短路，电流源开路，画出等效电路，求出与 此法求出所有电容的开路时间常数 并相加，这样就可确定电路的上限频率为 : 这种 方法的突出优点是可以看到电路中的每个电容元件对高频响应的影响程度，从而为设计好的高频响应电路提供简捷的方法，但不适用于含有电感的系统。 四、 多级放大器的频率响应 （ 1）多级放大器的上限频率 级放大器上限频率 式中， 若各级上限频率相等，即 = 根据式 （ 3 1） 并结合式（ 3 6）有： 多级放大器总的上限频率 由 A( 写出幅频 A( )的表达式画各因子的渐近波特图合成 写出相频 A( )的表达式画各因子的渐近波特图合成 1 H n i=1（ 2 8） 1 1 1 1 + + （ 2 9） 2 1 1 n （ 2 10） 贵阳学院本科毕业论文（设计） 12 （ 2）、多级放 大器的下限频率 级放大器下限频率 式中， 若各级下限频率相等，若 = 类似于式 （ 3 10） 的推导，可得： 多级放大器总的下限频率 多级放大器总的增益增大了，但总的通频带变窄了。 五、级放大器的瞬态响应 对放大电路的研究，目前有两种不同的方法，即稳态分析和瞬态分析。 稳态分析以正弦波为放大电路的基本信号，研究放大电路对不同信号的幅值和相位的响应， 这种方法又叫做频域响应。 瞬态分析以单位阶跃为放大电路的输入信号，研究放大电路的输出波形随时间变化的情况，称阶跃响应，又叫做时域响应。 （ 1）表征瞬态响应的主要参数 放大电路的瞬态响应主要由上升时间 来表示。图 别示出了这两个参数的定义。 + 2 11） （ 2 12） 2 1 1 n C + + R （ a）简化等效电路 S t （ b） 上升时间 图 单级放大电路的上升时间 贵阳学院本科毕业论文（设计） 13 （ 2）稳态响应与瞬态响应参数之间的关系 上升时间 上升时间 前言失真越小。 平顶降落 与下限频率 =2 fL S （ 2 14） 平顶降落 与下限频率 。 C + + R （ a）简化等效电路 0 VS t （ b） 平顶降落 图 单级放大电路的平顶降落 或 tr 2 13） 贵阳学院本科毕业论文（设计） 14 第二节 视频信号放大电路的设计 视频信号放大器设计 采用 五个三级 管，是一个 5 宽的宽带放大器。信号 由 输入， 这是一个前置放大器和围绕第一季度建成 。 在第一季度的输出直流耦合， 的 第二季 度它 将 放大信号更 大 ，因为它们是直流耦合的前置放大器有几乎没有失真和放大是相当高的。最后， 极管 管。这两个晶体管是相辅相成的，从他们的共同发射器的信号是从那里发送到驱动电路的各种设备的信号分配 在 2出信号由 19 之间，如图 1 图 2 视频信号放大器原理图 贵阳学院本科毕业论文（设计） 15 第三章 调试过程 第一节 仿真 安装 件，在安装软件时有 30 的试用期，安装成功后，在进行汉化。首先画出原 理图，如图 3 图 3 仿真原理图 选择 21 个电阻元器件，它们的值分别为 150,10k,1k,390k,，和一个 12V 的直流电源，主要元器件由 五个三极管组成。电容有五个极限电容和六个瓷片无极限电容。在输入端和输出分别都有一个接地。 画出原理图后，进行仿真，如图 3示。 图 3 仿真工作图 贵阳学院本科毕业论文（设计） 16 在仿真时的工具有一个函数发生器、示波器、功率计、失真分析。函数发生器的正极接到原理图的 5点，负极连接到输入端的的接地。在原理图中有三个输出点，分别是 13、 18、 示波器 3 点，负极接入到输出端的接地。功率计正极连接到 极接到到输出端的接地。 对 2 10正选玄波进行仿真，发现 2时出现上限截止失真。 10波形明显失真。如图 3 图 3 2图 3 10方波调试， 方波信号是指电路系统中信号的质量，如果在要求的时间内，信号能不失真地从源端传 送到接收端，就称该信号是 方波信号 。信号有良好的方波信号是指当在需要的时候，具有所必需达到的电压电平数值。差的方波信号不是由某一单一因素导致，而板级设计中多种因素共同引起。主要的方波信号问题包括 反射 、 振荡 、 地弹 、 串扰 等。分别 在函数发 贵阳学院本科毕业论文（设计） 17 生器上调一个 6 10方波， 6方波如图 3示，而 10方波明显失真如图 3 图 3 方波 1 图 3 方波失真 锯齿波调试， 平时 彩色电视 屏幕、 示波器 上的 阴极射线管 上的图像，都是由光组成的 栅格 拼凑而成。 栅格 的不同色调、 亮度 的形成过程中，锯齿波起了很重要的控制作用。屏幕上每一 帧 图像不是在 同一时刻形成的，而是通过电子束扫描逐步而出现。采用了 202些失真如图 3 10 贵阳学院本科毕业论文（设计） 18 图 32齿波 图 310功率测