CAD课程设计安徽师范大学物电学院.docx
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CAD课程设计安徽师范大学物电学院
带负反馈的三级放大器电路板设计报告
(DA-16型晶体管毫伏表中放大器部分)
姓名:
年级:
专业:
电子信息工程
日期:
一、CAD课程设计目的
使我们更加扎实的掌握了CAD的基本理论知识和技能,进一步提高了自己的动手能力和思考能力,熟练运用软件Protel99SE和Multisim,完成所选择电路的设计和仿真。
二、电路设计要求
电路共有三个放大极。
第一极由三极管VT1组成射极输出器,第二级和第三极分别由三极管VT2和VT3组成。
从VT1发射极通过电容C2引回一个局部的电压并联正反馈。
VT2发射极接有电阻R6和电容C4,局部反馈的组态是交、直流电流串连负反馈,可以提高本级的输入电阻,稳定本级静态工作点。
VT3发射极电阻R8和R9的两端并联一个旁路电容C5,因C5的容量很大,为100uF,故其容抗很小,C5两端的交流压降可以忽略,因此引入一个直流负反馈,其作用是稳定本级的静态工作点。
放大电路有两路级间反馈。
各元件的值设置为:
R1=20kΩ,R2=56kΩ,R3=20kΩ,R4=4.1kΩ,R5=20kΩ,R6=360Ω,R7=3kΩ,R8=1kΩ,R9=1kΩ,R10=30kΩ,R11=20kΩ。
C1=10uF,C2=20uF,C3=20uF,C4=300pF,C5=100uF,
C6=20uF。
三个NPN三极管VT1,VT2,VT3。
三、电气原理图的绘制
四、主要操作步骤
1、新建后打开一个原理图编辑窗口,调整适当大小。
2、在仿真库中找到电路图中相应的元器件,放置在恰当的位置,放置前可以按下Tab键修改元器件的参数、添加元器件的封装形式,也可放置后双击修改。
放置前通过空格键调整元器件的位置,也可放置后通过左键激活调整。
3、根据电路图进行连线,相连交线应形成电气节点。
4、放置电源及地,其中地的类型应改成电源地。
5、放置相应的网络标号,标号应有一定的意义,使仿真时便于理解。
五、电路工作原理
电路共有三个放大极。
第一极由三极管VT1组成射极输出器,而射极输出器本身是一个电压串联负反馈电路,它的特点是输入电阻高,输出电阻低,电压放大倍数接近于1。
但是,如果不接电容C2,第一级的输入电阻因受基极偏置电阻的影响,其值只能接近于Ri=R1+(R2//R3)。
现从VT1发射极通过电容C2引回一个局部的电压并联正反馈,由于射极输出器电压放大倍数接近于1,即三极管VT1发射极和基极的交流电压接近相等,则电阻R1两端的交流电压降很小,故流过电阻R1的交流电流也很小,因而大大提高了放大电路的输入电阻。
第二级和第三极分别由三极管VT2和VT3组成。
VT2发射极接有电阻R6和电容C4,但C4的容量很小,仅300pF,中频时容抗很大,故其作用可以忽略,因此这个局部反馈的组态是交、直流电流串连负反馈,可以提高本级的输入电阻,稳定本级静态工作点。
VT3发射极电阻R8和R9的两端并联一个旁路电容C5,因C5的容量很大,为100uF,故其容抗很小,C5两端的交流压降可以忽略,因此引入一个直流负反馈,其作用是稳定本级的静态工作点。
放大电路有两路级间反馈,其中一路从R8与R9之间通过电阻R10到VT2的基极引回一个极间直流负反馈,其作用是稳定VT2、VT3两级的静态工作点。
另一路由VT3输出端通过电阻R11引回到VT2的发射极。
这个反馈属于交流电压串联负反馈,可以降低输出电阻,提高电压放大倍数的稳定性。
另外随着频率的升高,C4的容抗将逐渐减小,则该路极间交流负反馈的作用将被削弱,于是高频电压放大倍数将逐渐增大,因此电容C4具有展宽高频段频带的作用,从而容许放大电路交流输入信号的频率范围比较宽广。
六、电路的用途
做DA-16型晶体管毫伏表中放大器部分,DA-16型晶体管毫伏表被测电压的频率范围为20Hz~1MHz。
七、电路性质
模拟电路,带负反馈的三级放大器电路。
八、电路仿真分析
1.静态工作点测试,如下:
其中vb3=vc2=2.02085V
Vb1-Ve1=1.25234V-0.66945V=0.58289V
Vb2-Ve2=0.63758V-0.05175V=0.58583V
Vb3-Ve3=2.02085V-1.39610V=0.62475V
计算所得的三个结果都接近0.6V~0.7V,满足条件,符合要求。
2.输入输出电压波形如下:
(1)根据原理图计算理论的电路放大倍数:
β理=Au1*Auf=1/Fuu=1+R11/R6=1+20*1000/360=56.6
(2)测试所得的电压放大倍数:
β测=516.192÷9.990=51.7
由上计算可知实际放大倍数近似等于理论放大倍数,符合要求。
3.温度扫描分析波形如下:
温度扫描分析结果:
随着温度的升高,放大倍数近似不变,虽然温度变化对放大电路的静态工作点有影响。
但电路中的负反馈部分和这些影响抵消,因此带负反馈的放大电路对温度变化产生的“零点漂移”具有抑制作用。
4.波特图如下:
电路理论的工作频率为20Hz~1MHz
测试结果为:
14.079Hz~946.925kHz,与理论近似相同,符合要求。
5.仿真操作的关键步骤
1)编辑原理图
2)放置仿真激励源(包括直流电压源)
3)放置节点网络标号
4)选择仿真方式并设置仿真参数
5)执行仿真操作
6)观察、记录、分析仿真波形
九、PCB板设计具体操作流程和步骤
(1)启动印刷电路板设计服务器
(2)规划电路板,根据要设计的电路确定电路板的尺寸。
选取KeepOutLayer复选框,执行菜单命令Place/Keepout/Track,绘制电路板的边框。
执行菜单Design/Options,在SignalLayer中选择BottomLayer,把电路板定义为单面板。
(3)确定电路板层数,为一层板。
设置参数,参数设置是电路板设计的非常重要的步骤,执行菜单命令Design/Rules,左键单击Routing按钮,根据设计要求,在规则类RulesClasses中设置参数。
选择RoutingLayer,对布线工作层进行设置:
左键单击Properties,在布线工作层面设置对话框的PuleAttributes选项中设置TodLayer为NotUsed、设置BottomLayer为Any。
选择WidthConstraint,对地线线宽进行设置:
左键单击Add按钮,进入线宽规则设置界面,首先在RuleScope区域的FilterKind选择框中选择Net,然后在Net下拉框中选择GND,再在RuleAttributes区域将Minimumwidth、Maximumwidth和Preferred三个输入框的线宽设置为30mil;电源线宽的设置:
在Net下拉框中选择VCC,其他与地线线宽设置相同;整板线宽设置:
在FilterKind选择框中选择WholeBoard,然后将Minimumwidth,Maximumwidth和Preferred三个输入框的线宽设置为10mil。
(4)装入元件封装库
执行菜单命令Design/Add/RemoveLibrary,在“添加/删除元件库”对话框中选取所有元件所对应的元件封装库,例如:
PCBFootprint,Transistor,GeneralIC,InternationalRectifiers等。
(5)更新原理图
执行菜单Design/UpdatePCB命令进行原理图更新,这个功能不再需要先生成网络表后再导入PCB。
如果没有错误,单击Execute。
如果有问题,在执行这一步的时候,会给出错误提示。
常见的错误主要有:
1、SCH零件封装属性设置和PCB中的封装不能对应;2、SCH中的零件序号有重复。
若出现错误提示,必须更改错误。
(6)元器件布局
Protel99SE既可以进行自动布局也可以进行手工布局,执行菜单命令Tools/AutoPlacement/AutoPlacer可以自动布局。
执行菜单命令View/FitBoard可以把元件都显示出来。
元件间的浅绿色细线,就是表示的电气连接关系。
在自动布线前靠这些预拉线来显示节点之间的关系,和SCH也是完全对应的关系。
利用移动工具调整各元件的位置,使电路板的连接正确、有效;布局合理、美观。
(7)自动布线
Protel99SE采用世界最先进的无网格、基于形状的对角线自动布线技术。
首先再次检查各元件的连接关系和SCH原理图是不是对应的。
确认无误后执行菜单命令AutoRouting/All,并在弹出的窗口中单击Routeall按钮,程序即对印刷电路板进行自动布线。
(8)手工调整
自动布线结束后,可能存在一些令人不满意的地方,可以手工调整。
(9)执行设计规则检查,找出并修改不满足要求的连线。
PCB板设计图形如下:
十、设计体会
通过此次作业设计,使自己更加扎实的掌握了CAD的基本理论知识和技能,进一步提高了自己的动手能力和思考能力,熟练运用软件Protel99SE和Multisim,遇到了许多看似简单的问题,自已动手做时又有一番收获与感触。
在设计过程中也学到了许多技巧、方法,通过练习掌握了基本的操作技能,为以后课程的学习打下了良好的基础。
独立思考能力的培养与请教学习力的锻炼对以后的生活、工作、学习都是大有裨益的。
感谢吴老师对我的指导帮助,使自己能够完成此次设计。
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