單管放大器的設(shè)計及仿真及誤差分析.doc

淮南師范學(xué)院電氣信息工程學(xué)院2014屆電子信息工程專業(yè)課程設(shè)計報告 課程設(shè)計報告題 目： 單管放大器的設(shè)計與仿真 學(xué)生姓名： 學(xué)生學(xué)號： 系 別： 專 業(yè)： 電子信息工程 屆 別： 指導(dǎo)教師： 電氣信息工程學(xué)院制2013年3月目錄引言1任務(wù)與要求2系統(tǒng)方案制定3系統(tǒng)方案設(shè)計與實現(xiàn)4系統(tǒng)仿真和調(diào)試5數(shù)據(jù)分析6總結(jié)7參考文獻8附錄單管放大器的設(shè)計與仿真學(xué)生:指導(dǎo)教師：電氣信息工程學(xué)院電子信息工程專業(yè)引言：放大現(xiàn)象存在于各種場合中，例如，利用放大鏡放大微小的物體，這是光學(xué)中的放大；利用杠桿原理用小力移動重物，這是力學(xué)中的放大；利用變壓器將低電壓變換為高電壓，這是電學(xué)中的放大。而作為電子電路中的放大 晶體管放大器是放大電路的基礎(chǔ)【1】，也是模擬電子技術(shù)、電工電子技術(shù)等課程的經(jīng)典實驗項目，實驗內(nèi)容涉及方面廣泛。本文已常見的作為集成運放電路的中間級的共射放大電路為討論對象，一方面，對具體包括模擬電路的一般設(shè)計步驟、單管共射放大電路設(shè)計方案的擬定、靜態(tài)工作點的設(shè)置與電路元件參數(shù)的選取、放大電路性能指標(biāo)的測量、穩(wěn)定靜態(tài)工作點的措施等做闡述。本文采用的是分壓式電流負反饋偏置電路設(shè)計成的共發(fā)射極放大器，對分壓式電流負反饋偏置電路能穩(wěn)定靜態(tài)工作點的原理作了說明，并將對晶體管放大器靜態(tài)工作點的設(shè)置與調(diào)整方法、放大電路的性能指標(biāo)與測試方法、放大器的調(diào)試技術(shù)做闡述。介紹模擬電子電路的一般設(shè)計方法和思路，以及Multsim和Matlab軟件的一些基本操作和仿真功能。1任務(wù)與要求1.1設(shè)計的任務(wù)：本文采用的是分壓式電流負反饋偏置電路設(shè)計成的共發(fā)射極放大器，對分壓式電流負反饋偏置電路能穩(wěn)定靜態(tài)工作點的原理作了說明，并將對晶體管放大器靜態(tài)工作點的設(shè)置與調(diào)整方法、放大電路的性能指標(biāo)與測試方法、放大器的調(diào)試技術(shù)做闡述。1.2單管放大器設(shè)計的要求：（1）,，（2），,，（3）溫度特性好；bjt的參數(shù)對放大器性能影響?。痪哂凶畲蟛皇д鎰討B(tài)范圍。1.3單管放大器設(shè)計的理論基礎(chǔ)：1）選定電路形式選定為共射放大電路圖1.12)選用三極管 因設(shè)計要求，的指標(biāo)要求較高。一般來說，BJT的愈大，、愈小，愈高。故選定BJT為2N222，其 ,.，,為60-300。對于小信號電壓放大電路，工程上通常要求的數(shù)值大于的數(shù)值，故取=60。 3）設(shè)置靜態(tài)工作點并計算元件參數(shù)由設(shè)計要求,取=200有,取取，有，取E24系列（）標(biāo)稱值，由圖3.1有取E34系列標(biāo)稱值， 取E24系列標(biāo)稱值，由，有取E24系列標(biāo)稱值，放大電路的通頻帶主要受電路中存在的各種電容的影響，主要受BJT結(jié)電容及電路中分布電容的限制;主要受耦合電容、及旁路電容的影響。 要嚴格計算、及同時作用對的影響，計算較為復(fù)雜。通過分析可知，、愈大，愈低，因此，在工程設(shè)計中，為了簡化計算，通常采用以或或單獨作用時的轉(zhuǎn)折頻率作為基本頻率，再降低若干倍作為下限頻率的方法，電容、單獨作用時對應(yīng)的等效回路分別如圖4.3（a）、（b）、（c）所示。如果設(shè)計要求中，為已知量，則可按下列表達式估算： （a） （b） （c）一般常取，可在式中選用回路電阻較小的一式計算。由于，故取，有取，有取 2系統(tǒng)方案制定提出設(shè)計指標(biāo)擬定電路方案電路安裝和調(diào)試設(shè)定器件參數(shù)結(jié)果測量指標(biāo)滿足要求電路設(shè)計結(jié)束修改電路方案修改電路參數(shù)是否要修改電路方案3單管放大器的系統(tǒng)方案設(shè)計：3.1 Multsim軟件介紹NI Multisim10軟件是一個專門用于電子電路仿真與設(shè)計的EDA工具軟件。作為 Windows 下運行的個人桌面電子設(shè)計工具，NI Multisim10 是一個完整的集成化設(shè)計環(huán)境。multisim10作為著名的電路設(shè)計與仿真軟件，不需要真實電路環(huán)境介入，具有仿真速度快，精確度高，準確，形象等優(yōu)點【2】。本文利用multisim10軟件進行實驗仿真，具體對共射放大電路進行了靜態(tài)工作點仿真分析、動態(tài)分析、瞬態(tài)特性分析、靈敏度分析、參數(shù)掃面分析，可以動態(tài)直觀地觀察不同參數(shù)對放大電路性能指標(biāo)的影響，對理解實驗原理，熟悉實驗過程具有很大的幫助，了解了multisim10仿真軟件的一些基本仿真功能和應(yīng)用，提高了運用multisim10實際動手進行電路仿真操作的能力。NI Multisim10計算機仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好地解決理論教學(xué)與實際動手實驗相脫節(jié)的這一問題?？梢院芊奖愕匕褎倓倢W(xué)到的理論知識用計算機仿真真實的再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。NI Multisim10軟件絕對是電子學(xué)教學(xué)的首選軟件工具3.2用Multsim軟件畫電路圖的步驟1. 打開Multsim10運用程序。2. 點擊File下的New,選擇Schematic Capture新建一個界面。3. 在新建界面的右方選擇Oscilloscope,用鼠標(biāo)左鍵單擊，將其移至繪制電路圖區(qū)合適的位置，再次單擊鼠標(biāo)左鍵確定。4. 將鼠標(biāo)指針移至晶體管器件庫圖標(biāo)上，該圖標(biāo)就會變成上凸，并在圖標(biāo)右下方出現(xiàn)該圖標(biāo)的英文名稱。在Component區(qū)，借助右側(cè)的滑標(biāo)，找到2N222，并單擊將其選中。放置繪圖區(qū)的合適位置。5. 在關(guān)閉晶體管器件庫之后，按照類似的方法，從基本器件庫選取所有需要的電阻類元件及電容類元件等等其他所需元件，放置繪圖區(qū)的合適位置并按照設(shè)計理論設(shè)置相關(guān)參數(shù)，再將其基本器件庫關(guān)閉。6. 用連線正確的將所有器件連接起來，連接中注意節(jié)點的位置。7. 鏈接好之后，對其進行仿真，進一步驗證電路圖繪制的正確性。8. 后面的電路圖畫法將依據(jù)以上畫法進行。3.3由以上步驟畫出如下設(shè)計要求的電路圖 圖3.3.1 實驗電路3.5按照3.2的要求依次在Multsim的平臺上畫出圖5.3.2，圖5.3.4由圖5.3.2所示測量電路測得信號源的峰值為14.107mV，實驗放大電路的輸入端信號峰值為8.367mV,如圖所示，則實驗電路的輸入電阻為：3.3.2（測量輸入電阻電路及測量參數(shù)）由圖5.3.4所示，斷開負載電阻后，測得輸出電壓峰值,則實驗電路的輸出電阻為：，略大于設(shè)計指標(biāo)。3.3.4（測量斷開負載電阻L電路及測量參數(shù)）3.4電路工作原理3.1電路工作原理4單管放大器的系統(tǒng)仿真和調(diào)試4.1用Multsim實現(xiàn)仿真和調(diào)試的步驟（1）在3.2中已經(jīng)完成的3.3.1電路圖的界面單擊左上角的開關(guān)按鈕，打開開關(guān)，點擊鼠標(biāo)左鍵雙擊電路圖中的示波器，在彈出的圖5.4OscilloscopeXSC1的圖形界面上，分別調(diào)節(jié)Scale至500us/Div,10mV/Div,500mV/Div。這樣就會出現(xiàn)如圖5.4所示的仿真圖。（2）按照相同的方法在已完成的圖3.3.2和圖3.3.3的界面上依次仿真出圖5.5和圖5.6。并依次調(diào)節(jié)Scale至500us/Div,20mV/Div,5mV/Div和500us/Div,2mV/Div,2V/Div。4.2仿真圖如下所示 圖5.4（測量） 5.5測量（VOP） 5.6（測量輸出電阻電路及測量參數(shù)）4.3系統(tǒng)測試與調(diào)試（1） 靜態(tài)工作點的測試與調(diào)整 根據(jù)設(shè)計，組裝后的放大電路，通電前應(yīng)先用萬用表的“”擋檢測電源間有無短路現(xiàn)象、電路連接是否正確，然后才可接通電源，檢測靜態(tài)工作點。為調(diào)試方便，可先用5.1固定電阻與由1100電位器構(gòu)成的可變電阻串聯(lián)后替代，待調(diào)試完成后，根據(jù)實測阻值，再用相應(yīng)的固定電阻取代。測量靜態(tài)工作點，應(yīng)使,即將放大電路的交流輸入端（耦合電容的左端）對地短路，然后用萬用的直表流電壓擋分別測量的B、E、C極對地電壓、。測量的目的，一是查看靜態(tài)工作點是否合適，是否能保證在范圍內(nèi)，都工作在放大狀態(tài)；二是通過檢測，確認電路設(shè)計、安裝、元器件質(zhì)量好壞等情況。如果出現(xiàn)，說明工作在截止?fàn)顟B(tài)；如果出現(xiàn),說明已經(jīng)飽和。這時，應(yīng)調(diào)整的大小，即調(diào)整可變電阻（電位器）阻值的大小，同時用萬用表監(jiān)測、的變化。當(dāng)工作點偏高（靠近飽和區(qū)）時，應(yīng)增加的阻值，以減??；當(dāng)工作點偏低（靠近截止區(qū)）時，應(yīng)減小的阻值，以增大。如果測得為正幾伏，說明已工作在放大狀態(tài)。此時可依據(jù)、的數(shù)值換算出,也可通過測量已知電阻和兩端的電壓降，換算出對應(yīng)的或。一般在檢測電路的在線電流時，多用此法，而不采用斷開電路串口電流表的測量方法。雖然測得為正幾伏的電壓，但并不能說明放大電路的靜態(tài)工作點已設(shè)置在合適的位置，還要進行動態(tài)測試，以保證在輸入信號（或）的全周期內(nèi)，都工作在放大狀態(tài)。按設(shè)計要求，在放大電路的輸入端接入,的正弦波信號，并用雙蹤示波器分別監(jiān)測放大電路輸入電壓的波形和輸出端（負載電阻兩端）的輸出電壓波形，觀測正弦波波形是否產(chǎn)生了失真。如果的波形頂部產(chǎn)生了削波，說明放大電路的靜態(tài)工作點偏低，電路產(chǎn)生了截止失真，應(yīng)調(diào)大基本偏流；如果的波形底部被削波，說明放大電路的靜態(tài)工作點偏高，電路產(chǎn)生了飽和失真，應(yīng)調(diào)小基極偏流。如果逐漸增大輸入信號的幅值，輸出波形的頂部和底部差不多同時開始產(chǎn)生削波，則說明靜態(tài)工作點設(shè)置得比較合適，這當(dāng)然是忽略了放大電路靜態(tài)功耗指標(biāo)的要求。此時，移去信號源，直接調(diào)試，即在忽略飽和壓降的情況下，使。重新使的情況下，測量=3.6V、=2.8V、=10.2V、則可知=7.3V和=1.8mA，并移去斷開連線，測量并記錄=60K，即為所求。（2）放大電路動態(tài)性能指標(biāo)的檢測A. 電壓放大倍數(shù)的測量測量電壓放大倍數(shù)，實際上是測量放大電路的輸入電壓與輸出電壓的值。在輸入信號的中頻段，輸出波形不失真情況下，測得（有效值）或（峰值）或=18.8mV（峰峰值）與（有效值）或（峰值或=-895.4mV（峰峰值），則=47.6 如果是大致估算，用示波器即可完成測量；如果是精確測量，則使用電子交流毫伏表，示波器只是用來監(jiān)測輸出波形的失真情況，如果輸出波形產(chǎn)生了失真，的檢測是沒有意義的。B. 輸入電阻的測量工程上常采用如圖（B）所示的串接電阻法來測量放大電路的輸入電阻。在信號頻率的中頻段，給定一正弦波信號，在輸出波形不失真的條件下，用電子交流毫伏表或示波器，分別測得與的數(shù)值，則=1.82為減小測量誤差，一般采取串接的輔助測量電阻為與相近似的阻值,取1。 圖（B）如圖（C）所示，在輸出波形不失真的情況下，測得斷開時輸出電壓的值和接入后輸出電壓的值，則=K=956為減小測量誤差，一般取為與相近的阻值，輸入信號為一穩(wěn)定的中頻信號。圖（C）C.頻率特性的測量放大電路的頻率特性可用波特圖示儀測得。放大電路的幅頻特性也可以通過測量不同頻率信號作用時的電壓放大倍數(shù)來獲得。工程上通常采用“逐點法”來測量放大電路的幅頻特性。在維持輸入信號幅值不變、輸出波形不失真的情況下，每改變一次輸入信號的頻率，即用電子毫伏表或示波器測得一個輸出電壓值，計算對應(yīng)的電壓放大倍數(shù)，然后將測量數(shù)據(jù)、（dB）列表，整理并標(biāo)于坐標(biāo)紙上，將逐點測量的結(jié)果連接成線，即為所求的幅頻特性曲線。如果只需測量放大電路的同頻帶，則只需先測出放大電路中頻段（如=1kHz）的輸出電壓，然后分別升高、降低輸入信號的頻率，直至輸出電壓降到0.707為止（過程中，應(yīng)維持輸入信號的幅值不變），此時所對應(yīng)的輸入信號的頻率即為和,則=-實際測得=730mV，當(dāng)電壓降至0.707=516mV時，測得=3.18MHz和=65Hz，則 BW=-3.18MHzC. 動態(tài)性能指標(biāo)調(diào)整 對于一個低頻放大電路，當(dāng)然希望電路的穩(wěn)定性要好，非線性失真要小，電壓放大倍數(shù)要大、輸入阻抗要大、輸出阻抗要低、要低、要高。但這些要求往往很難同時滿足。例如，對于圖1所示的小信號共射放大電路而言，要提高其電壓放大倍數(shù)依式，=，可知有三徑：。改變及會影響放大電路的靜態(tài)工作點設(shè)計。這樣看來，只有提高BJT的，才是提高電路電壓放大倍數(shù)的有效措施。5數(shù)據(jù)分析 表 一（）（理論值）（）（實測值）相對誤差結(jié)論：由以上分析可以看出，靜態(tài)工作點的的數(shù)據(jù)V的實驗值與理論值的誤差比較小，實驗結(jié)果較為理想，說明理論計算所運用的等效模型是正確的。6設(shè)計總結(jié)從課程設(shè)計本身來說，它是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識、發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題、實踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。模擬電路的設(shè)計確實需要一定的積累經(jīng)驗，一些參數(shù)取值是通過先設(shè)定的經(jīng)驗值，然后再估算其他參數(shù)值，再使用仿真軟件對電路仿測試其參數(shù)值是否合適，若有偏差還得進行修正，以滿足電路的需要，而且有些參數(shù)值是可以有一定的浮動，各個參數(shù)值之間又相互影響電路的性能，對本設(shè)計中調(diào)整的阻值，可以提高放大倍數(shù)但同時bjt所受溫度影響也增加，適當(dāng)減少放大倍數(shù)卻可以減少bjt受溫度的影響，兩者之間的舍取根據(jù)實際情況而定?？傊ㄟ^本次課程設(shè)計，不但鞏固了以前所學(xué)過的模擬電子技術(shù)的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒學(xué)到過的，學(xué)會了multisim10仿真軟件的基本操作，會用其設(shè)計一些簡單的仿真電路，也發(fā)現(xiàn)了自己的很多不足之處，知識的漏洞很多，實踐經(jīng)驗的缺乏。這些都需要在以后的學(xué)習(xí)中努力去提高。7參考文獻1華成英、童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.高等教育出版社.2006年 2聶典、丁偉.multisim10計算機仿真在電子電路設(shè)計中的應(yīng)用M.電子工業(yè)出版社.20093華成英、童詩白.模擬電子技