單管放大器的課程設(shè)計(jì)

1、集成電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告單管放大器的設(shè)計(jì)與仿真院 系： 材料與光電物理學(xué)院專 業(yè)： 微電子學(xué)一班 學(xué) 號： 2008700301 姓 名： 夏青青 指導(dǎo)教師： 唐明華 教授 報(bào)告提交日期： 2011 年 9 月目 錄摘要 ································

2、;··················································

3、;·································1關(guān)鍵詞 ················

4、··················································

5、··················································

6、····11 引言 ·············································

7、··················································

8、·························2 1.1 選題的目的與意義······················

9、3;·················································

10、3;··················2 1.2 近幾年來國內(nèi)外研究現(xiàn)狀·····························

11、;·················································22 關(guān)于

12、模擬電路的計(jì)算機(jī)分析與設(shè)計(jì)················································

13、;············4 2.1電路設(shè)計(jì)與電路CAD工具4 2.2 OrCAD和Pspice軟件簡介·······························&#

14、183;···································4 2.3PSPICE仿真軟件的優(yōu)越性···········&

15、#183;················································4 2.4利用

16、Pspice程序進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的具體設(shè)計(jì)過程······································53 單管放大器簡介·······

17、;··················································

18、;··········································5 3.1單管放大器的功能概述·····&#

19、183;·················································&#

20、183;·························5 3.2單管放大電路的三種基本結(jié)構(gòu)·····················&#

21、183;············································64 單管放大器的模擬分析···&

22、#183;·················································&

23、#183;·················7 4.1 共射級放大器······························&

24、#183;···························7 4.2 共基極放大器····················&

25、#183;·················································&

26、#183;18 4.3 共集電極放大器···············································

27、;·····································195 結(jié)論 ···········

28、3;·················································

29、3;····································196 體會與心得 ············

30、··················································

31、·························20參考文獻(xiàn) ························

32、;··················································

33、;····················21致謝 ·····························

34、··················································

35、······················22附錄···························&#

36、183;·················································&#

37、183;························23本的單管放大器的組成個及其分類，并對它們的基本原理電路結(jié)構(gòu)作簡要分析.接著在這些工作原理和電路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Pspice軟件繪制出電路圖、設(shè)置參數(shù)并對仿真結(jié)果進(jìn)行輸出和分析。其中對電路進(jìn)行了直流分析、交流分析、參數(shù)分析和瞬態(tài)分析。最后總結(jié)出單管放大器的設(shè)計(jì)與仿真的規(guī)律，得出完整的電路圖。1 引言

38、 1.1選題的目的與意義 放大器能把輸入訊號的電壓或功率放大的裝置，由電子管或晶體管、電源變壓器和其他電器元件組成。用在通訊、廣播、雷達(dá)、電視、自動控制等各種裝置中。放大器是增加信號幅度或功率的裝置，它是自動化技術(shù)工具中處理信號的重要元件。放大器的放大作用是用輸入信號控制能源來實(shí)現(xiàn)的，放大所需功耗由能源提供。放大器按所處理信號物理量分為機(jī)械放大器、機(jī)電放大器、電子放大器、液動放大器和氣動放大器等，其中用得最廣泛的是電子放大器。電子放大器又按所用有源器件分為真空管放大器、晶體管放大器、固體放大器和磁放大器，其中又以晶體管放大器應(yīng)用最廣。在自動化儀表中晶體管放大器常用于信號的電壓放大和電流放大。

39、圖1 放大器放大是模擬電路最重要的一種功能，放大電路是模擬電路的一種基本形式，其作用是將微弱電信號增強(qiáng)（放大）到所需要的數(shù)值。工程上常用的放大電路大多是由若干基本放大電路級聯(lián)構(gòu)成的?；痉糯箅娐酚謳缀跏撬心M集成電路與系統(tǒng)的基本單元。單管放大電路有共發(fā)射極、共基極和共集電極三種接法。他們的輸入和輸出變量不同，因而電路性能也不一樣。1本課題的研究意在通過使用PSPICE軟件實(shí)現(xiàn)的單管放大器的設(shè)計(jì)與仿真，從而進(jìn)一步鞏固模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)Pspice電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用、模擬電路的計(jì)算機(jī)分析與設(shè)計(jì)Pspice程序等的相關(guān)專業(yè)知識。本文先對Pspice設(shè)計(jì)和仿真電路的方法進(jìn)行簡單介紹，然后畫出單管放大

40、器的電路圖并分析仿真，然后得出結(jié)論。1汪建民.PSpice電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用M.國防工業(yè)出版社.20073 王輔春. OrCAD/PSpiceA/D9.21簡明教程M.機(jī)械工業(yè)出版社.20022 崔玉芹. 電子線路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)M. 北京大學(xué)出版社.20081.2國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀20世紀(jì)初，真空三極管的發(fā)明和電信號放大的實(shí)現(xiàn)，標(biāo)志著電子學(xué)發(fā)展到一個新的階段。20世紀(jì)40年代末晶體管的問世，特別是60年代集成電路的問世，加速了電子放大器以至電子系統(tǒng)小型化和微型化的進(jìn)程。放大電路的基本形式有3種：共發(fā)射極放大電路，共基極放大電路和共集電極放大電路。在構(gòu)成多級放大器時，這幾種電路常常需要相互組合使用。&

41、#160; 2 關(guān)于模擬電路的計(jì)算機(jī)分析與設(shè)計(jì)2.1電子電路 CAD技術(shù)的發(fā)展概況 3電子電路 CAD技術(shù)是電子信息技術(shù)發(fā)展的杰出成果,它的發(fā)展與應(yīng)用引發(fā)了一場工業(yè)設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域的革命，給企業(yè)帶來了巨大經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)今, 電路 CAD技術(shù)及其應(yīng)用水平已成為衡量一個國家科技現(xiàn)代化和工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一。 電子電路CAD 技術(shù)是指以計(jì)算機(jī)硬件和系統(tǒng)軟件為基本工作平臺, 繼承和借鑒前人在電路和系統(tǒng)、圖論、拓?fù)溥壿媰?yōu)化和人工智能理論等多學(xué)科的最新科技的成果而研制成的電子電路 CAD通用支撐軟件和應(yīng)用軟件包。其目的在于幫助電子設(shè)計(jì)工程師開發(fā)新的電子系統(tǒng)與電路、IC、PCB（印刷電路板）、FPGA（

42、現(xiàn)場可編程門陣列）、CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）等產(chǎn)品。實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上調(diào)用元器件庫、連線畫圖、編制激勵信號文件、確定跟蹤點(diǎn)、調(diào)用參數(shù)庫以及模擬程序等手段去設(shè)計(jì)電路。 如把電子設(shè)計(jì)自動化（EDA）技術(shù)，看作電子電路CAD 技術(shù)的高級階段.那么，電路 CAD可看作 EDA的初期和基礎(chǔ)。于是，EDA的發(fā)展大致可分為以下幾個階段 :第一階段-70年代到 80年代初期：電子電路 CAD理論研究發(fā)展迅速，成為電子電路領(lǐng)域的新興學(xué)科。此時電子電路 CAD技術(shù)還沒有形成系統(tǒng),僅是一些孤立的軟件程序。但是它們已取代了靠手工進(jìn)行的繁瑣計(jì)算、繪圖和檢驗(yàn)的方式，顯示出其強(qiáng)大的活力。 第二階段-80年代后期：隨著計(jì)算

43、機(jī)與集成電路高速發(fā)展,是電子電路CAD 技術(shù)真正的實(shí)現(xiàn)了自動化的時期。出現(xiàn)了EDA(Electronic Design Automation電子設(shè)計(jì)自動化)產(chǎn)業(yè)。這一階段能夠?qū)崿F(xiàn)電路仿真、布局布線、IC參數(shù)提取與檢驗(yàn)等,并集成為一個有機(jī)的 EDA系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)規(guī)模已達(dá) 10萬門電路以上。在這里說明一下，通常不把 EDA和電子 CAD作嚴(yán)格區(qū)分，本書也沿用這種說法。 第三階段-90年代以后：微電子技術(shù)飛速發(fā)展,一個芯片可以集成百萬甚至千萬個晶體管,工作速度可達(dá)到幾個GB/s。此時電子系統(tǒng)的特點(diǎn)是：電路的高度復(fù)雜化、微型化、保密化；設(shè)計(jì)周期性短和成本低；設(shè)計(jì)要綜合應(yīng)用最新成果具有先進(jìn)性、競爭性和較長

44、的生命周期；設(shè)計(jì)要獨(dú)立于工藝等。這種需求促使電子系統(tǒng)朝著多功能、高速度、智能化的趨勢發(fā)展。所以有人說，EDA是 90年代電子電路設(shè)計(jì)的革命。2.2OrCAD和Pspice軟件簡介2 OrCAD 軟件系統(tǒng)包括四大部分 : OrCAD/capture, OrCAD/PSpice , OrCAD/Layout和 OrCAD/Express。各部分軟件的主要功能如下： (1) OrCAD/Capture：這是一個電路原理圖設(shè)計(jì)軟件，它可生成各類模擬電路、數(shù)字電路和數(shù)/?；旌想娐贰?(2) OrCAD/Pspice：這是一個電路仿真軟件，它可對由 Capture 生成的電路原理圖中的模擬電路、數(shù)字電路、

45、以及數(shù) /?；旌想娐愤M(jìn)行仿真，針對不同輸入信號條件下電路系統(tǒng)的時間響應(yīng)、瞬態(tài)響應(yīng)、頻率響應(yīng)、靈敏度、噪聲等有關(guān)參量進(jìn)行分析，并對其進(jìn)行優(yōu)化。 (3) OrCAD/Layout：這是一個印刷電路版圖設(shè)計(jì)軟件，它可以將 Capture生成的電路原理圖，通過自動布線或手動布線的方式，轉(zhuǎn)為可用于制版的印刷電路版圖（ PCB， Printed Circuit Board）。在 PCB設(shè)計(jì)中，可以進(jìn)行多層布線（最多達(dá) 30層），布線分辨率可達(dá) 1微米。 (4) OrCAD/Express：這是一個邏輯仿真軟件，它可對由 Capture生成的數(shù)字電路進(jìn)行從門級模擬，一直到 VHDL綜合和仿真。用它可進(jìn)行 1

46、0萬門以上的 CPLD、FPGA、ASIC設(shè)計(jì)，軟件中提供了 Xilinx、Altera、Lattice、Lucent、Actel、Philips、Vantis等公司的器件庫。Microsim公司的 PSpice (Personal Computer SPICE)是 SPICE家族中比較出色的一員，它在保持原有功能的基礎(chǔ)上，在輸入輸出圖形處理、模擬功能擴(kuò)展、元器件模型參數(shù)庫的功能數(shù)量上都進(jìn)行了擴(kuò)充。PSpice5.0以上版本可在 Windows環(huán)境下運(yùn)行，并且具有模 /數(shù)混合設(shè)計(jì)的功能。另外在輸入方式上也從原來單一的網(wǎng)表文件形式變成了電路原理圖輸入和 VHDL輸入二種方式。這使輸入更加直觀、準(zhǔn)

47、確，倍受工程技術(shù)人員的歡迎。1998年初 MicroSim公司與 OrCAD公司強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合以后，兩家公司原有的 EDA軟件也有機(jī)地組合在一起，所推出的 OrCAD Pspice軟件成為目前市場上比較成熟的模擬電路計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。（2）2.3PSPICE仿真軟件的優(yōu)越性PSPICE軟件具有強(qiáng)大的電路圖繪制功能、電路模擬仿真功能、圖形后處理功能和元器件符號制作功能，以圖形方式輸入，自動進(jìn)行電路檢查，生成圖表，模擬和計(jì)算電路。它的用途非常廣泛，不僅可以用于電路分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可用于電子線路、電路和信號與系統(tǒng)等課程的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)。與印制版設(shè)計(jì)軟件配合使用，還可實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)自動化。被公認(rèn)是通用電路

48、模擬程序中最優(yōu)秀的軟件，具有廣闊的應(yīng)用前景。這些特點(diǎn)使得PSPICE受到廣大電子設(shè)計(jì)工作者、科研人員和高校師生的熱烈歡迎，國內(nèi)許多高校已將其列入電子類本科生和碩士生的輔修課程。 電路設(shè)計(jì)軟件有很多，它們各有特色。如Protel和Tango，它對單層/雙層電路板的原理圖及PCB圖的開發(fā)設(shè)計(jì)很適合，而對于布線復(fù)雜，元件較多的四層及六層板來說ORCAD更有優(yōu)勢。但在電路系統(tǒng)仿真方面，PSPICE可以說獨(dú)具特色，是其他軟件無法比擬的，它是一個多功能的電路模擬試驗(yàn)平臺，PSPICE軟件由于收斂性好，適于做系統(tǒng)及電路級仿真，具有快速、準(zhǔn)確的仿真能力。 (1)圖形界面友好，易學(xué)易用，操作簡單由Dos版本的P

49、SPICE到Windows版本的PSPICE，使得該軟件由原來單一的文本輸入方式而更新升級為輸入原理圖方式，使電路設(shè)計(jì)更加直觀形象。PSPICE 60以上版本全部采用菜單式結(jié)構(gòu)，只要熟悉Windows操作系統(tǒng)就很容易學(xué)，利用鼠標(biāo)和熱鍵一起操作，既提高了工作效率，又縮短了設(shè)計(jì)周期。即使沒有參考書，用戶只要具備一定的英語基礎(chǔ)就可以通過實(shí)際操作很快掌握該軟件。 (2)實(shí)用性強(qiáng)，仿真效果好在PSPICE中，對元件參數(shù)的修改很容易，它只需存一次盤、創(chuàng)建一次連接表，就可以實(shí)現(xiàn)一個復(fù)雜電路的仿真。如果用Protel等軟件進(jìn)行參數(shù)修改仿真，則過程十分繁瑣。在改變一個參數(shù)時，哪怕是一個電阻阻值的大小都需要重新建

50、立網(wǎng)絡(luò)表的連接，設(shè)置其他參數(shù)更為復(fù)雜。 (3)功能強(qiáng)大，集成度高在PSPICE內(nèi)集成了許多仿真功能，如：直流分析、交流分析、噪聲分析、溫度分析等 ，用戶只需在所要觀察的節(jié)點(diǎn)放置電壓（電流）探針，就可以在仿真結(jié)果圖中觀察到其“電壓（或電流）-時間圖”。而且該軟件還集成了諸多數(shù)學(xué)運(yùn)算，不僅為用戶提供了加、減、乘、除等基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算，還提供了正弦、余弦、絕對值、對數(shù)、指數(shù)等基本的函數(shù)運(yùn)算，這些都是其他軟件所無法比擬的。 另外，用戶還可以對仿真結(jié)果窗口進(jìn)行編輯，如添加窗口、修改坐標(biāo)、疊加圖形等 ，還具有保存和打印圖形的功能，這些功能都給用戶提供了制作所需圖形的一種快捷、簡便的方法。因此，Windows

51、版本的PSPICE更優(yōu)于Dos版本的PSPICE，它不但可以輸入原理圖方式，而且也可以輸入文本方式。無疑是廣大電子電路設(shè)計(jì)師的好幫手。2.4利用Pspice程序進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的具體設(shè)計(jì)過程（1）輸入電路結(jié)構(gòu)。選擇Draw|Get New Part或相應(yīng)的圖標(biāo)，將元器件從庫中調(diào)出放置在圖形編輯頁面上，再選擇Draw|Wire或相應(yīng)的圖標(biāo)畫出電路連線。（2）編輯修改電路元器件標(biāo)號和參數(shù)值。包括直流電源和信號源參數(shù)。主要通過選擇Edit|Attributes或相應(yīng)的圖標(biāo)來完成。有些參數(shù)要通過Edit|Model來修改。（3）分析功能設(shè)置。根據(jù)不同的分析要求，選擇Analysis|Setup設(shè)置不同的分

52、析功能。（4）電路規(guī)則檢查及生成電路網(wǎng)絡(luò)表格。規(guī)則規(guī)定每個節(jié)點(diǎn)必須有一個到“地”的通路，每個元件至少有兩個以上的連接點(diǎn)。該步在執(zhí)行仿真時可自動完成。（5）執(zhí)行仿真。選擇Analysis|Simulate或相應(yīng)的圖標(biāo)，PSPICE開始進(jìn)行電路連接規(guī)則檢查和建立網(wǎng)絡(luò)表格文件，然后自動調(diào)用PSpice程序項(xiàng)進(jìn)行仿真分析，分析過程能自動報(bào)錯。分析結(jié)果存入文本文件*.out和波形數(shù)據(jù)文件*.dat中。如果有波形輸出，就自動調(diào)用波形后處理程序Probe。（6）仿真結(jié)果分析及輸出。從輸出的文本文件*.out和波形數(shù)據(jù)文件*.dat（用Probe程序打開）中觀察仿真結(jié)果，這些結(jié)果還可由打印機(jī)輸出。 圖2.工作

53、流程圖3 單管放大器簡介單管放大器即單級晶體管放大器、也稱單級晶體管放大電路、簡單晶體管放大電路等。其基本組成有：電源、晶體管、電阻和電容，其中晶體管是單管放大器的核心元件， 圖3.晶體管3.1單管放大器的功能概述放大電路放大的本質(zhì)是能量的控制和轉(zhuǎn)換；是在輸入信號作用下，通過放大電路將直流電源的能量轉(zhuǎn)換成負(fù)載所獲得的能量，使負(fù)載從電源獲得的能量大于信號源所提供的能量。因此電子電路放大的基本特征是功率放大，即負(fù)載上總獲得比輸入信號大的多的電壓或電流，有時兼而有之。放大的前提是不失真，即在不失真的情況下放大才有意義。 圖4.放大電路示意圖3.2單管放大電路的三種基本結(jié)構(gòu)單管放大電路有共發(fā)射極、共基

54、極和共集電極三種解法（組態(tài)），他們的輸入和輸出變量不同，因而電路的性能也不太一樣。 圖5。共發(fā)射極單管放大電路圖6.共集電極單管放大電路 圖7.共基極單管放大電路4 單管放大器的模擬分析 下面分析三種組態(tài)基本放大電路，分析討論靜態(tài)工作點(diǎn)對動態(tài)范圍的影響；放大電路主要性能指標(biāo)的計(jì)算；高頻響應(yīng)和低頻響應(yīng)特性的分析等放大電路的基本性質(zhì)。4.1 共射級放大器一、輸入電路結(jié)構(gòu)。 圖8.共發(fā)射極放大電路二、設(shè)置參數(shù)把R2設(shè)為參數(shù)，引入PARAM元件，設(shè)置電路分析的參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)對R2的調(diào)節(jié)，對共發(fā)射極放大電路進(jìn)行直流掃描分析。三、仿真分析（一）直流工作點(diǎn)分析將電容開路，電感短路圖9.直流工作點(diǎn)分析電路圖網(wǎng)絡(luò)

55、的輸入網(wǎng)單文件如下：* INCLUDING SCHEMATIC * source TEST THREER_R4 0 6 1k C_C2 5 OUT 20u R_R5 0 OUT 4k Q_Q1 5 2 6 Q2N2222V_V4 7 0 DC 0Vdc AC 1Vac R_R1 7 1 1k V_V3 3 0 12vR_R2 2 3 R C_C1 1 2 20u R_R3 5 3 4k .PARAM R=1k* RESUMING bias.cir *.END用spice對該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析結(jié)果如下：（1）電路靜態(tài)工作點(diǎn) * SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPE

56、RATURE = 27.000 DEG C NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE( 2) 7.1032 ( 3) 12.0000 ( 5) 6.3230 ( 6) 6.3160 （2）獨(dú)立電壓源電流和總功耗 VOLTAGE SOURCE CURRENTS NAME CURRENT V_V3 -6.316E-03 TOTAL POWER DISSIPATION 7.58E-02 WATTS（3）晶體管Q2N2222的靜態(tài)電流、電壓和小信號模型參數(shù)： * OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG C* BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORSNAME Q_Q1 MODEL Q2N2222 IB 4.90E-03 IC 1.42E-03 VBE 7.87E-01 VBC 7.80E-01 VCE 6.98E-03