《晶體管器件》課程設(shè)計說明書抗干擾射極跟隨器的設(shè)計

1、武漢理工大學(xué)晶體管器件課程設(shè)計說明書課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： * 專業(yè)班級： 電子0802班 指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 題 目：抗干擾射極跟隨器的設(shè)計初始條件：具較扎實的電子電路的理論知識及較強(qiáng)的實踐能力；對電路器件的選型及電路形式的選擇有一定的了解；具備模擬電子電路的基本設(shè)計能力及基本調(diào)試能力；能夠正確使用實驗儀器進(jìn)行電路的調(diào)試與檢測。要求完成的主要任務(wù)：1采用晶體管設(shè)計射極跟隨器；2額定電源電壓自己選定; 輸出中心頻率 為低頻范圍； 3電路焊接及調(diào)試;pcb圖的設(shè)計；4完成課程設(shè)計報告（應(yīng)包含電路圖，清單、調(diào)試、pcb圖及設(shè)計總結(jié)）。時間安排：12011年6月10日分班集中，布

2、置課程設(shè)計任務(wù)、選題；講解課設(shè)具體實施計劃與課程設(shè)計報告格式的要求；課設(shè)答疑事項。22011年6月10日 至2011年6月23日完成資料查閱、設(shè)計、制作與調(diào)試；完成課程設(shè)計報告撰寫。3. 2011年6月24日提交課程設(shè)計報告，進(jìn)行課程設(shè)計驗收和答辯。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目錄摘 要iabstractii1 緒論12 共集電極電路及其工作原理22.1 電路組成22.2 靜態(tài)分析32.3 動態(tài)分析32.3.1 電壓放大倍數(shù)42.3.2 輸入電阻和輸出電阻43差分放大電路工作原理及其分析63.1基本差分放大電路交流性能指標(biāo)分析64 總原理圖分析及仿真94.1

3、 原理圖及其分析94.2 仿真115 altimu designer 及pcb圖的繪制125.1 altium designer介紹125.2 pcb圖的繪制136 心得體會14參考文獻(xiàn)15附錄i 元件清單16摘 要晶體管是一種固體半導(dǎo)體器件，可以用于檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(diào)制和許多其它功能。而射極跟隨器具有作為緩沖級的功能，能較小負(fù)載對電路的干擾和提高帶負(fù)載的能力。由于普通射極跟隨器只有一個晶體管組成，溫度、噪聲以及環(huán)境的變化會對射極跟隨器產(chǎn)生很大的影響，當(dāng)影響達(dá)到一定程度是會讓波形產(chǎn)生嚴(yán)重失真，從而是信號無效。本次設(shè)計為改進(jìn)射極跟隨器，在射極跟隨器的輸入級加入了一個差分放大電路

4、，從而是外界干擾降到最小，使外界干擾對射極跟隨器的影響減小到最小。關(guān)鍵字：晶體管、差分放大電路、射極跟隨器abstracttransistor is a solid semiconductor devices, can be used for detection, rectification, amplification, switching, regulators, signal modulation and many other features. the emitter follower buffer stage with a function to a smaller load on

5、the circuit with a load of interference and increase capacity. as the general is only one emitter follower transistor, temperature, noise and environmental changes in emitter follower will have a huge impact, affecting up to a certain extent when the wave will produce a serious distortion to the sig

6、nal is invalid. this is designed to improve the emitter follower, the emitter follower input stage to join a differential amplifier circuit, which is to minimize outside interference, the interference of the impact of emitter follower is reduced to a minimum.keywords: transistor, differential amplif

7、ier, emitter-followerii1 緒論晶體管是一種固體半導(dǎo)體器件，可以用于檢波、整流、放大、開關(guān)、穩(wěn)壓、信號調(diào)制和許多其它功能。晶體管作為一種可變開關(guān)，基于輸入的電壓，控制流出的電流，因此晶體管可作為電流的開關(guān)，和一般機(jī)械開關(guān)不同處在于晶體管是利用電訊號來控制，而且開關(guān)速度可以非常之快，在實驗室中的切換速度可達(dá)100ghz以上。其優(yōu)越性體現(xiàn)在以下幾點：1、構(gòu)件沒有消耗無論多么優(yōu)良的電子管，都將因陰極原子的變化和慢性漏氣而逐漸劣化。晶體管制作之初也存在同樣的問題。隨著材料制作上的進(jìn)步以及多方面的改善，晶體管的壽命一般比電子管長100到1000倍。2、消耗電能極少僅為電子管的十分之

8、一或幾十分之一。它不像電子管那樣需要加熱燈絲以產(chǎn)生自由電子。 3、不需預(yù)熱一開機(jī)就工作。例如，晶體管收音機(jī)一開就響，晶體管電視機(jī)一開就很快出現(xiàn)畫面。電子管設(shè)備就做不到這一點。開機(jī)后，非得等一會兒才聽得到聲音，看得到畫面。顯然，在軍事、測量、記錄等方面，晶體管是非常有優(yōu)勢的。 4、結(jié)實可靠比電子管可靠100倍，耐沖擊、耐振動，這都是電子管所無法比擬的。另外，晶體管的體積只有電子管的十分之一到百分之一，放熱很少，可用于設(shè)計小型、復(fù)雜、可靠的電路。晶體管的制造工藝雖然精密，但工序簡便，有利于提高元器件的安裝密度。晶體管的主要參數(shù)有電流放大系數(shù)、耗散功率、頻率特性、集電極最大電流、最大反向電壓、反向電

9、流等。2 共集電極電路及其工作原理若單機(jī)放大電路從基極輸入，從發(fā)射極輸出，該電路稱為共集電極放大電路。圖2.1所示的電路是實際共集電極放大電路；由于從發(fā)射極輸出，又稱為射極輸出器或射極跟隨器。共集電極電路由于其輸入電阻大，輸出電阻?。辉趯嶋H中得到了廣泛的應(yīng)用，常用于阻抗變換、輸入級和輸出級。圖2.1 共集電極放大電路2.1 電路組成 交流信號從基極輸入，從發(fā)射極輸出；交流信號輸入輸出的公共端是集電極。從電路圖看，它把基本共射的集電極移到了發(fā)射極。該電路發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏；交流信號能夠順暢的輸入輸出，滿足放大的條件。2.2 靜態(tài)分析直流通路如圖2.2.1所示：圖2.2.1 共集電極電路直流通

10、路估算法求解q，由圖得：vcc=ibrb+vbe+iere=ibrb+vbe(1+)ibre ib=vcc-vberb+(1+)re vccrb+(1+)req: ic=ib vce=vcc-iere=vcc-icre2.3 動態(tài)分析低頻小信號模型法求解av,ri,ro 有 rbe=200+1+26mv/ie圖2.3.1是放大電路的交流通路。圖2.3.1 交流通路圖2.3.1 交流通路 2.3.1 電壓放大倍數(shù)av=vovivi=ibrbe+(1+)ibrerl =ibrbe+(1+)rerlvo=(1+) ibrerlav=vovi=(1+) rerlrbe+(1+)rerl一般(1+) r

11、erlrbe，所以共集電極電路的電壓放大倍數(shù)接近1，而略小于1，而且放大倍數(shù)為正，說明它的輸入電壓和輸出電壓是相同的，因此共集電極電路常被稱為射極跟隨器，它的輸出電壓的大小和相位跟隨輸入電壓變化，具有電壓跟隨作用。2.3.2 輸入電阻和輸出電阻（1） 輸入電阻ri=rbrbe+(1+)rerl共集電極電路的輸入電阻為105106量級，而基本共射極輸入電阻約為103量級。所以與基本共射極放大電路比較，射極跟隨器的輸入電阻比較高。（2）輸出電阻ro=rbe+rsrl1+re輸出電阻很低，僅有十幾歐到幾十歐；若想進(jìn)一步降低輸出電阻，應(yīng)選較大的三極管。綜上所述，射極跟隨器的特點是：電壓放大倍數(shù)小于1，

12、而略等于1；輸出電壓與輸入電壓同相；輸入電阻高，輸出電阻低。鑒于共集電極電路具有以上的優(yōu)點，它在實際中得到廣泛的應(yīng)用：由于其輸入電阻高，說明該放大器向信號源索取信號電壓能力強(qiáng)，同時放大器對信號源索取的電流較小，說明發(fā)射極跟隨器用作多級放大器的輸入級，可以提高測量的精度。由于其輸出電阻低，說明放大器帶負(fù)載的能力強(qiáng)，所以射極跟隨器常常用在多級放大器的輸出級，以提高放大器的負(fù)載能力。由于它同時具備輸入電阻大輸出電阻小的特點，它可以用作多級放大器的隔離級，實現(xiàn)阻抗變換，如對于多級放大器前后級匹配不當(dāng)?shù)碾娐?，直接相接將大大影響其電壓放大倍?shù)，如果在這兩級放大電路的中間加上一級射極跟隨器，由于它的電阻高，

13、在于前級電路相連后，使前級放大倍數(shù)提高；由于它的輸出電阻很低，在與后極電路相連后，使后極電路的電壓放大倍數(shù)提高。雖然它不具備電壓放大作用，但它具有電流放大作用，以及功率放大作用。3差分放大電路工作原理及其分析在直接耦合的多級放大器中，如果輸入級存在零點漂移的問題，該信號經(jīng)過中間放大機(jī)的輸出級放大后，如果其大小達(dá)到可以和有效信號相比的程度，將會導(dǎo)致輸出信號無效。所以對于直接耦合多級放大器的輸入級而言，一個重要的任務(wù)就是要抑制零點漂移。抑制零點漂移可以由差分放大電路實現(xiàn)。差分放大電路的基本原理圖如圖3.1：圖3.1 射極偏置差分放大電路原理圖3.1基本差分放大電路交流性能指標(biāo)分析由于實際需要，差分

14、電路不僅可以兩端同時輸入，還可以一端接地，構(gòu)成單端輸入，輸出時也可以從一端輸出，這樣差分放大電路有四種連接方式：雙端輸入雙端輸出、雙端輸入單端輸出、單端輸入雙端輸出以及單端輸入單端輸出。本設(shè)計我選用單端輸入單端輸出的方式。電路圖如圖3.1.1所示。圖3.1.1 單端輸入單端輸出差分電路輸入分解為差模信號和共模信號的線性疊加單端輸入是，vi1=vi vi2=0,則電路輸入可分解為差模信號和共模信號，分別為vid=vi1-vi2=vi vic=vi1+vi22=vi2 這樣就可以采用雙端輸入的分析方法進(jìn)行分析，然后進(jìn)行疊加，總的輸出電壓為：vo=avdvid+avcvic=avdvi+avcvi2

15、單端輸出 單端輸出時，可以類似雙入單出情況分析。和單入單出情況一樣，輸入電阻ri2rbe 輸出電阻為：ro=rc 差模電壓放大倍數(shù)為：avd=vodvid=-rcrl2rbe 共模電壓放大倍數(shù)為：avc=vocvic=-rcrlrbe+2(1+)re 輸出電壓為：vo=avdvid+avcvic=-12rcrlrbevi+-12rcrlrbe+21+re vi 共模抑制比為：kcmr=rbe+2(1+)re2rbe在設(shè)計中，采用了一個恒流源來代替re來提供恒定的電流。恒流源電路圖如下圖3.1.2所示:圖3.1.2 恒流源原理圖該恒流源為帶緩沖級的鏡像恒流源。由于q3、q4、q5參數(shù)相同，q3與

16、q4基極互連，因此有：ib3=ib4=ib ic3=ic4ib5=2ib1+=2ic31+由ic3=ir1-ib5,可得：ic3=ic4=11+21+ir1ir1得到恒定電流的目的。從共模抑制比的表達(dá)式來看，re越大抑制共模信號的能力越強(qiáng)。但由于電阻不能無限增加，且集成電路不適合制作大電阻，因而可以采用恒流源替代re。恒流源的等效交流電阻很大且利于集成電路制作，理想恒流源的等效內(nèi)阻為無窮大，可以認(rèn)為單端輸出時的共模電壓放大倍數(shù)為0。如果從另一方面來說，恒流源可以是電路的發(fā)射極電流恒定，從而也保證了q點的穩(wěn)定。4 總原理圖分析及仿真4.1 原理圖及其分析 將差分放大電路和射極跟隨器連通，從而抑制

17、由溫度、噪聲以及環(huán)境的變化引入系統(tǒng)電路的共模信號，仿制信號在放大過程中產(chǎn)生失真，從而起到抗干擾的作用。電路的總原理圖如圖4.1所示： 圖4.1 抗干擾射極跟隨器總原理圖差分放大電路通過一個電容與后極的射極跟隨器相連，將抑制共模信號后的信號給射極跟隨器，從而大大的減小了溫度、噪聲以及環(huán)境的變化引入系統(tǒng)電路的共模干擾信號。4.2 仿真通過對原理圖進(jìn)行仿真，輸入信號和射極跟隨器得到的信號仿真如下圖所示： 圖4.2.2 輸出信號5 altimu designer 及pcb圖的繪制5.1 altium designer介紹altium designer是一款集電路仿真、電路圖的繪制、pcb圖的設(shè)計于一體

18、的仿真軟件，它繼承了protel的良好性能，增加了一些新的功能，是很適合我們繪制pcb圖的工具。利用altium designer繪制pcb圖要由原理圖生成。在altium designer中繪制原理圖如下： 圖5.1.1 電路總原理圖5.2 pcb圖的繪制由上面的原理圖經(jīng)過編譯后，在讓其在pcb編輯器中生效，便得到散亂分布的電路元件圖，手動調(diào)整好元件的位置后，讓軟件自動生成pcb圖，得到如下信息： 圖5.2.1 布線信息圖通過上面的信息圖可以看出，各元器件間電氣連接沒有問題，pcb圖生成正確。經(jīng)過自己調(diào)整元器件位置，自動布線后，得到如下的pcb圖： 圖5.2.2 電路的pcb圖6 心得體會本

19、次課程設(shè)計是設(shè)計晶體管電路，自己選擇電路設(shè)計的內(nèi)容，我選擇的是射極跟隨器，主要目的是學(xué)習(xí)三極管電路的設(shè)計，涉及到了差分放大電路、恒流源以及射極跟隨器的設(shè)計。通過查資料，才了解到先要計算好各電阻的值，再根據(jù)各三極管電容的作用選定了各種元器件的型號，畫出電路圖，慢慢變得簡單。同樣，在這次課程設(shè)計中也遇到了不少問題，首先電路的設(shè)計，查閱了不少資料，學(xué)習(xí)到了各種類似的電路的設(shè)計方法；其次是電路的焊接，在焊完元件后檢查了一遍，便開始調(diào)試，發(fā)現(xiàn)實物和仿真有一定的差距，仿真太過理想化，實物會遇到各種仿真中沒有的問題，我通過不斷地總結(jié)和摸索，最終完成了自己的實物調(diào)試。經(jīng)過這次課程設(shè)計，讓我對前面的路有了更多的信心，因為在這個過程中，我學(xué)到了不少實用的東西，對于晶體管電路有了更深層次的掌握，并且提高了獨立解決問題的能力。雖然這次課程設(shè)計中我對電路進(jìn)行了仿真，進(jìn)一步熟悉了multisim軟件的使用，對建立文件、繪制電路圖、對其進(jìn)行仿真等一系列過程都