电压串联负反馈放大电路设计与仿真(课程设计)

集成电路课程设计报告电压串联负反馈放大电路的设计与仿真院系:材料与光电物理学院专业：微电子学二班学号: 姓名：%%%% 指导教师：%%%教授报告提交日期：2011年9月目录TOC\o"1-5"\h\z摘要 2关键词 2Abstract 2Keywords 2\o"CurrentDocument"一、 弓I言 3\o"CurrentDocument"1・1研究本课题的重要性 3\o"CurrentDocument"1.2集成电路产业简介 3\o"CurrentDocument"1.3PSPICE软件的介绍 3\o"CurrentDocument"二、 放大电路介绍 6\o"CurrentDocument"三、 放大电路的设计与仿真 10\o"CurrentDocument"3.1电路设计框图 103.2电路版图 10\o"CurrentDocument"3.3局部电路分析 113.4直流分析 123.4.1直流工作点分析 123.4.2温度对静态工作点的影响 133.5瞬态分析 143・6交流分析 153.6.1输入电阻 163.6.2输出电阻 163.6.3放大电路的频响特性及其增益 17\o"CurrentDocument"四、 心得体会 19致谢 20\o"CurrentDocument"参考文献 21附录 22电压串联负反馈放大电路的设计与仿真摘要：主要对电压串联负反馈放大电路进行了设计与仿真，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、输出级以及负反馈回路。其主要核心思想是利用电压负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。通过PSPICE软件对其进行直流分析、瞬态分析、交流分析等等。关键词：晶体管；放大器；电路设计；PSPICEAbstract:themainvoltageseriesnegativefeedbackamplifyingcircuitdesignandsimulation,mainlyusethezoomfeature.Thatamplifiercomprises4majorcomponents:inputlevel,intermediateoutput,levelandnegativefeedbackcircuit.Whosemaincoreideaisusingvoltagenegativefeedbackreducesthegainchangeeffectsoncircuitfrequencycharacteristics,bothbetterZoomeffect.ByPSPICEsoftwareonitsDCanalysis,ACanalysis,transientanalysis,andsoon.Keywords:transistors;amplifiercircuitdesign;PSPICE一、 引言研究本课题的重要性随着微电子技术、大规模集成电路和电子计算机计算的快速发展、电路设计规模的扩大、电路复杂程度的加深，传统的电路设计方法已经不能满足现代电路设计的要求。电子电路的分析与设计方法发生了重大变革，目前以CAD和CAA为基础的电子设计自动化技术已广泛应用于电子系统的分析与设计之中，并成为现代电子系统分析与设计不可缺少的重要工具。现在完全可以说，离开了EDA技术，很难圆满的完成一个电路和系统的设计任务。集成电路产业简介发展集成电路的意义发展具有战略意义的集成电路产业以占领科技、经济和军事制高点已经成为许多国家的共识。集成电路产业已经成为当今世界发展最为迅速和竞争最为激烈的产业[1]。.集成电路产业链结构业链结构Q制造是基础，ic设计是龙头 s图1集成电路产业链结构图2集成电路产业链PSPICE软件的介绍PSPICE软件简介PSPICE是非常出色的EDA软件，它的5.00以上版本是在windows下的模拟电路和数字电路的混合仿真软件，因而得到相当广泛的应用。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［2］。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［3］。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立网络表的连接，设置其他参数更为复杂［4。］PSPICE是一种通用的电子电路分析模拟软件，它主要用于在对所分析的电路硬件实现之前，先用计算机对电路进行模拟分析。它由电路原理图输入程序、激励源编辑程序、电路仿真程序、输出结果绘图程序、模拟参数提取程序和元器件模型参数库六部分组成。PSPICE支持电路原理图和网单文件两种输入方式，电路元器件符号库提供绘制电路原理图的所有元器件符号；具有正弦波、脉冲源、指数源、分段线性源、单频调频源等种类繁多的信号源。作为PSPICE的核心部分——仿真功能包括：直流工作的分析、直流转移特性分析、直流小信号传递函数分析、交流小信号分析、交流小信号噪声分析、瞬态分析、傅里叶分析、直流灵敏度分析、温度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗统计分析等；仿真结果可在屏幕绘出曲线、波形，并可打印输出［5］。2、PSPICE使用中应该注意的问题在使用PSPICE软件仿真时，常会碰到按常规方法所绘制的电路图不能在该平台上正常运行的情况。例如，在以PSPICE为内核的虚拟电子工作平台上，要求每个节点至少应接两个元件，即不能有悬节点；为了对电路进行分析，PSPICE还规定，每一个节点必须有一条通向地节点的直流通路，有时电路中并不能满足，如某些滤波电路，在这种情况下，只要连接一个非常大的电阻到地，以提供一条直流通路；在用PSPICE设计的电路中，不允许存在悬空的元件端口，如电阻、电容、电感等器件端口；数字集成电路的输出端引脚因不用而造成悬空，在实际电路设计时，通常将其通过电阻或电容接地，但在虚拟电子工作平台上，，最好用专用符号与之连接［6］。要真正达到利用该软件进行电子电路的仿真分析与设计的目的，必须具备熟练使用该软件的能力、扎实的电子电路方面的理论知识和较丰富的电路设计经验只有熟悉该平台的使用规则，克服按常规方法绘制电路图的习惯的基础上，结合实际电路多练习，才能有效解决上述出现的问题。用PSPICE软件分析电路，弥补了传统电路分析方法的不足，是电路分析与设计人员的一个强有力的工具。

二、放大电路介绍三极管基本放大电路简介基本放大电路是放大电路中最基本的结构，是构成复杂放大电路的基本单元。它利用双极型半导体三极管输入电流控制输出电流的特性，或场效应半导体三极管输入电压控制输出电流的特性，实现信号的放大。基本放大电路一般是指由一个三极管或场效应管组成的放大电路。从电路的角度来看，可以将基本放大电路看成一个双端口网络。放大的作用体现在如下方面：放大电路主要利用三极管或场效应管的控制作用放大微弱信号，输出信号在电压或电流的幅度上得到了放大，输出信号的能量得到了加强。输出信号的能量实际上是由直流电源提供的，只是经过三极管的控制，使之转换成信号能量，提供给负载。共射组态基本放大电路是输入信号加在加在基极和发射极之间，耦合电容器C1和Ce视为对交流信号短路。输出信号从集电极对地取出，经耦合电容器C2隔除直流量，仅将交流信号加到负载电阻RL之上。放大电路的共射组态实际上是指放大电路中的三极管是共射组态。在输入信号为零时，直流电源通过各偏置电阻为三极管提供直流的基极电流和直流集电极电流，并在三极管的三个极间形成一定的直流电压。由于耦合电容的隔直流作用，直流电压无法到达放大电路的输入端和输出端。当输入交流信号通过耦合电容C1和Ce加在三极管的发射结上时，发射结上的电压变成交、直流的叠加。放大电路中信号的情况比较复杂，各信号的符号规定如下：由于三极管的电流放大作用，ic要比ib大几十倍，一般来说，只要电路参数设置合适，输出电压可以比输入电压高许多倍。uCE中的交流量有一部分经过耦合电容到达负载电阻，形成输出电压。完成电路的放大作用。由此可见，放大电路中三极管集电极的直流信号不随输入信号而改变，而交流信号随输入信号发生变化。在放大过程中，集电极交流信号是叠加在直流信号上的，经过耦合电容，从输出端提取的只是交流信号。因此，在分析放大电路时，可以采用将交、直流信号分开的办法，可以分成直流通路和交流通路来分析。放大电路的组成原则：

保证放大电路的核心器件三极管工作在放大状态，即有合适的偏置。也就是说发射结正偏，集电结反偏。输入回路的设置应当使输入信号耦合到三极管的输入电极，形成变化的基极电流，从而产生三极管的电流控制关系，变成集电极电流的变化。输出回路的设置应该保证将三极管放大以后的电流信号转变成负载需要的电量形式(输出电压或输出电流)。放大电路负反馈的原理特点1、 提高放大倍数的稳定性引入负反馈以后，放大电路放大倍数稳定性的提高通常用相对变化量来衡量2、 减小非线性失真和抑制噪声由于电路中存在非线性器件，会导致输出波形产生一定的非线性失真。如果在放大电路中引入负反馈后，其非线性失真就可以减小。负反馈只能减小放大电路自身产生的非线性失真，而对输入信号的非线性失真，负反馈是无能为力的。放大电路的噪声是由放大电路中各元器件内部载流子不规则的热运动引起的。而干扰来自于外界因素的影响，如高压电网、雷电等的影响。负反馈的引入可以减小噪声和干扰，但输出端的信号也将按同样规律减小，结果输出端的信号与噪声的比值(称为信噪比)并没有提高。3、 负反馈对输入电阻的影响由于负反馈可以提高放大倍数的稳定性，所以引入负反馈后，在低频区和高频区放大倍数的下降程度将减小，从而使通频带展宽。串联负反馈使输入电阻提高。4、电压负反馈对输出电阻的影响电压负反馈使输出电阻减小。放大电路引入电压负反馈后，输出电压的稳定性提高了，即电路具有恒压特性。引入电压负反馈后，输出电阻减小到原来的1/(1+AF)倍。5、负反馈选取的原则要稳定静态工作点，应引入直流负反馈；要改善交流性能，应引入交流负反馈；要稳定输出电压，应引入电压负反馈；要稳定输出电流，应引入电流负反馈；（4）要提高输入电阻，应引入串联负反馈；

要减小输入电阻，应引入并联负反馈。6、深度负反馈的特点1.串联负反馈的估算条件：反馈深度（1+AF）远远大于1的负反馈，称为深度负反馈。通常，只要是多级负反馈放大电路，都可以认为是深度负反馈。估算条件：（1）对于深度串联负反馈有：ukuf （称之为“虚短”）（2） 由于串联负反馈的闭环输入电阻增大，在深度负反馈条件下：ii"（称之为“虚断”）2．并联负反馈的估算条件：因为深度负反馈有xi^xf（1） 对于深度并联负反馈有：ii~if（称之为“虚断”）（2） 并联负反馈的闭环输入电阻减小，在深度负反馈条件下：ui~O （称之为“虚短”）电压串联负反馈放大电路的设计原则：1、 反馈方式的选择根据负载的要求及信号情况来选择反馈方式。在负载变化的情况下，要求放大电路定压输出时，就需要电压负反馈。至于输入端采用串联还是并联方式，主要根据对放大电路输出电阻而定。当要求放大电路具有高的输入电阻时，宜采用串联反馈。2、 电路的确定输入级。输入级采用什么电路主要取决于信号源的特点。集成运放输入级的主要目的是抑制共模信号，且其性能对集成运放的其他性能起决定性作用，是提高集成运放质量的关键。为达到上述目标，输入级常采用差分放大电路的形式。中间级。中间级的主要任务是提供足够大的电压增益。从这个目标出发，不仅要求中间级本身具有较高的电压增益，同时为了减少对前级的影响，还应具有较高的输入电阻。另外，中间级还应向输出级提供较大的推动电流，并能根据需要实现单端输入至差分输出，或差分输入至单端输出的转换。为了提高电压增益，集成运放的中间级经常利用有源负载。另外，中间级的放大管有时采用复合管的结构形式。输出级。输出级采用什么样的电路主要决定于负载的要求。如负载电阻较大，而且主要是输出电压，则可采用共射电路；反之，如负载为低阻，且在较大范围内变化时，则采用射级输出器。如果负载需要进行阻抗匹配，可用变压器输出。三、放大电路的设计与仿真3.1电路设计框图输人77基本肢人电時反愦惰号反预网络?厂、挣输入值号j.dr反锁京大电路的组硯图3电路原理图输出侑与表示电压信号；箭头表示信号传输的方向；符号表示输入求和;3.2电路版图输人77基本肢人电時反愦惰号反预网络?厂、挣输入值号j.dr反锁京大电路的组硯图3电路原理图输出侑与表示电压信号；箭头表示信号传输的方向；符号表示输入求和;3.2电路版图图4电路版图3.3局部电路分析图5电路图A、差分放大电路：对共模输入信号有很强的抑制力，对差模信号却没有多大的影响，一般做成集成运算的输入级和中间级，可以抑制由外界条件变化带来的影响。图6差分放大电路B、共基放大电路：共基极放大电路的输入阻抗很小，会使输入信号严重衰减，不适合作为电压放大器。但它的频宽很大，因此通常用来做宽频或高

频放大器。ILlUbQ3冷 S -广」图7共基放大电路3.4直流分析-7.891955mV-7.891956mVn-7.891957mV-7.891958mV--7.891959mVr-7.891960mVi-7.891961mVoV 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V 8V 9V 10VV(VO)图9直流分析曲线由图可知:在Vi处于0-1V的阶段，输出电压随着输入电压的变化而变化，达到1V之后，电路处于深度负反馈状态，输出电压不再随输入电压的变化而变化。3.4.1直流工作点分析

直流工作点分析用于确定电路的静态工作点。在进行直流分析时，假设交流源为零且电路处于稳定状态，也就是假定电容开路、电感短路、电路中的数字器件看作高阻接地。直流分析的结果常常作为以后分析的基础。下图为静态分析的电压以及电流。■i图10直流工作点的电压电流图■i图10直流工作点的电压电流图3.4.2温度对静态工作点的影响当温度变化时，三极管中的少子和多子扩散会加剧或者减少，导致，集电极和发射极，基极的电流发生变化，因此静态工作点会改变，输出波形产生严重畸变，导致放大电路不能正常工作。静态工作地在特性曲线的位置如果上升，Q点会到达饱和区，出现饱和失真，也就是正弦波信号的上半部分会缺失，如果静态工作点在特性曲线的位置如果上升，Q点会到达截至区，出现截至失真，也就是正弦波信号的下半部分会缺失。下面用PSPICE对电路进行直流扫描分析。直流扫描分析是将一个或两个直流电源的模型参数作为输入变量，以某一个电压或电流作为输出变量，扫描一定范围的数值，分析输出变量随输入变量的变化规律。在运行CaptureCIS程序前，将电压源VI的直流电位属性DC设为0V。所得到的分析图如下所示：

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70IC(Q6)TEMP图11Q6的输出电流随温度变化的曲线从上图可以看出，Q6的输出电流随着温度的升高总体上呈现增大的趋势。3.5瞬态分析有电感或电容储能元件的电路，它的储能元件在通电和断电的瞬间会和电路稳态时的参数不一样，分析这些元件在开关闭合和断开的瞬间的电压电流的参数的过程叫做瞬态分析。瞬态分析就是求电路的时域响应，可做大信号非线性电路分析。它可在给定激励信号情况下求电路输出的时间响应，延迟特性；也可以在没有任何激励信号的情况下，仅在电路中存储元件(如L或C)存储的电磁场能量作用下，求震荡波形，震荡周期。在Pspice瞬态分析中，输入激励信号可以采用脉冲信号，分段线性信号，正弦调幅信号，调频信号和指数信号5种不同的波形。做瞬态分析时，原电路图中的电源应该换成：图12瞬态分析电源所得的分析图如下：

图13瞬态分析曲线3.6交流分析交流扫描分析主要是将一个或两个交流电源设置在指定的频率范围，将电路在直流工作的附近线性变化，然后求出小信号电压或电流的幅度与相位的频率响应。然后对更改后的电路进行仿真所得的分析图为：图15交流分析曲线

放大电路的输入输出电阻也是一项非常重要的指标。一方面，为了获得更大的输入信号源的电源分压，要求输入电阻大，另一方面，为了使电压增益受负载的影响要小，输出电阻也要大。利用PSPICE可以非常方便地测出输入电阻和输出电阻，而不必进行手算，而且准确度也可以得到保障。3.6.1输入电阻20K15K10K0I.oKhz 3.0KHZ 10KHZ 30KHz 100KHz 300KHz 1.0MHz 3.0MHz 10MHzDB(V(Vi:+))/I(C1)Frequency图16输入电阻的测量3.6.2输出电阻即撤掉输入的信号源和负载电阻RL，在输出端加一信号源，通过测量该信号源的电压与流过它的电流之比得到放大电路的输出电阻。修改后的电路图如下:图17测量输出电阻的电路图

根据上面的电路图可以得出：Frequency图18输出电阻的测量3.6.3放大电路的频响特性及其增益放大电路和目标就是将微弱的信号放大到合适的大小以便于检测、分析。电压增益是一个放大电路的核心指标放大电阻的电压增益：010Hz 30Hz 100Hz 300Hz I.OKHz 3.0KHz 10KHz 30KHz lOOKHz 300KHz 1.0MHz 3.0MHz 10MHz 30MHz 100MHzV(V0)/V(Vi:+)Frequency图19电压增益随频率变化的曲线图20电流增益随频率变化的曲线

从图中可以看出此放大电路对不同频率的信号放大能力是不一样的，即增益是频率的函数。这是因为在放大电路中，常常含有电容，如晶体管中的结电容以及分布电容等。如果放大电路的频带不够宽，相频特性不理想，可能会引起输出信号的失真。因此，频率响应是放大电路的一个十分重要的性能指标。四、心得体会在这次课程设计中，我学到了很多以前不懂的东西，让我觉得有所收获。首先我搜集并阅读了不少关于反馈放大电路的资料和文献，让我得到了一些新的知识。其次又复习了以前学的一些专业课知识，特别是模拟电子技术基础，因为在过去的时候仅仅停留在理论上，这次的实际应用让我觉得理解的更加透彻了。最终选定好设计方案，采用了PSPICE软件对电路进行了设计与仿真，软件虽然使用不那么复杂，但是也遇到了很多困难，如刚刚开始的时候连一些元件该怎么选择都不知道，找不到电路图的错误在哪里，得不到所需要的仿真波形图等等。通过与同学讨论、查资料等多方方法，很多问题便得以解决，当然不能解决所有的问题，希望在以后的学习中能了解的更多。从这段时间的对带电路的设计、仿真和分析过程以及许多文献中都可以看出放大电路要考虑到的东西远远不止这些，但是由于专业水平和时间有限，因而我所做的只是最基础的东西。希望在以后的学习中一定会好好学习，加以改正和提高。总之，这次课程设计让我受益匪浅。我觉得在未来的日子里应该更加注重提高自己的动手能力。首先，我要感谢我的指导老师唐明华教授，他带领我们学习了VLSI课程，对我们给予了悉心的教导，他认真严谨的科学态度也深深影响了我；这次的课程设计谢谢他给了我一个应用知识的机会。同时，我要感谢整个微电子专业的同学们，在做报告的过程中是我们探讨了不少问题，互相帮助，克服困难，可以说课程设计的顺利进行离不开他们的帮助。最后，我要感谢永远信任并支持我的父母。参考文献[1]/view/9727a9bafd0a79563cle72e0.html⑵华成英，童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社.2006年⑶汪建明.PSpice电路设计与应用[M].北京：国防工业出版社.2010年⑷卢勤庸.电子电路仿真——基于PspiceA/D[M].北京:科学出版社.2010年⑸华成英,童诗白•模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社.2006年[6]/view/1c50050102020740be1e9b77.html附录：**Creatingcircuitfile"787989.cir"**WARNING:THISAUTOMATICALLYGENERATEDFILEMAYBEOVERWRITTENBYSUBSEQUENTSIMULATIONS*Libraries:ProfileLibraries:LocalLibraries:.LIB"../../../123-pspicefiles/123.lib"From[PSPICENETLIST]sectionofH:\Orcad10.5+Crack(Pspice+PCBEditor+CaptureCIS)ByBananasTeam\tools\PSpice\PSpice.ini.lib"nom.lib"*Analysisdirectives:.OP.PROBEV(alias(*))I(alias(*))W(alias(*))D(alias(*))NOISE(alias(*)).INC"..\SCHEMATIC1.net"****INCLUDINGSCHEMATIC1.net*****source123R_R25112kQ_Q67713QbreakNR_R1014125kR_R4N0612500.1kQ_Q59510QbreakpC_C1N57516210uFV_Vcc11012V

R_RL0125kR_R91413 1.3kR_R3146 1.3kV_VEE01412VR_R8711 22kQ_Q711912QbreakNQ_Q1523QbreakNR_R102 10kQ_Q3376QbreakNQ_Q21143QbreaknR_R51011 0.3kR_R6149 13kR_R7412 10kC_C2N06125410uFV_V1N575160+SIN04v1k000****RESUMING787989.cir****.END****BJTMODELPARAMETERS«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>QbreakNQbreakpNPNPNP1VEL11IS2.000000E-151.000000E-15BF12080NF11VAF80100

BR11NR11VAR100100ISS00RB8060RE00RC00CJE2.000000E-122.000000E-12VJE.75.75CJC2.500000E-122.000000E-12VJC.75.75MJC.33.33XCJC11CJS00VJS.75.75TF350.000000E-1210.000000E-09XTF1010VTF1010ITF11TR10.000000E-0910.000000E-09KF00AF11CN2.422.2D.87.52TEMPERATURE=****SMALLSIGNALBIASSOLUTIONTEMPERATURE=27.000DEGC«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>«^J>NODEVOLTAGENODEVOLTAGENODEVOLTAGENODEVOLTAGENODEVOLTAGENODEVOLTAGE(2)-.0382(3)-.7151(4)-.0415(5)10.9850(6)-10.7060(7)-10.0120(9).7094(10)11.6980(11)12.0000(12)-.0079(13)-10.7090(14)-12.0000NODEVOLTAGE(N06125)0.0000(N57516)0.0000VOLTAGESOURCECURRENTSNAMECURRENTV_Vcc-5.359E-03V_VEE-5.364E-03V_V10.000E+00NAMECURRENTV_Vcc-5.359E-03V_VEE-5.364E-03V_V10.000E+00TOTALPOWERDISSIPATION1.29E-01WATT