晶体管课程设计报告低噪声负反馈放大电路设计.docx
- 文档编号:29934058
- 上传时间:2023-08-03
- 格式:DOCX
- 页数:20
- 大小:379.01KB
晶体管课程设计报告低噪声负反馈放大电路设计.docx
《晶体管课程设计报告低噪声负反馈放大电路设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《晶体管课程设计报告低噪声负反馈放大电路设计.docx(20页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
晶体管课程设计报告低噪声负反馈放大电路设计
课程设计任务书
学生姓名:
彭理健专业班级:
电子科学与技术0802班
指导教师:
梁小宇工作单位:
信息工程学院
题目:
低噪声负反馈放大电路的设计
初始条件:
具较扎实的模拟电子技术和电路知识及较强的实践能力;具备模拟电路的基本设计能力及基本调试能力;能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测;具备使用ORCAD软件及相似软件绘制电路图并仿真及使用PROTEL软件绘制PCB的能力。
要求完成的主要任务:
1.设计一低噪声负反馈放大电路,实现电压增益为30dB,最大输出电压为2
输出噪声要低;
2.掌握ORCAD的操作和使用方法,利用ORCAD软件设计出电路图,对其进行模拟与仿真分析,根据分析与模拟结果修改和优化并确定电路结构;
3.利用PROTEL软件绘制该电路的PCB印制电路板图,要求图纸绘制清晰、布线合理、符合绘图规范;
4.通过软件仿真结果将自己设计的电路制作出实物;
4.完成课程设计报告(应包含电路图,清单、调试及设计总结)。
时间安排:
1.2011年6月10日分班集中,布置课程设计任务、选题;讲解课设具体实施计划与课程设计报告格式的要求;课设答疑事项。
2.2011年6月10日至2010年6月23日完成资料查阅、设计、制作与调试;完成课程设计报告撰写。
3.2011年6月24日提交课程设计报告,进行课程设计验收和答辩。
指导教师签名:
年月日
系主任(或责任教师)签名:
年月日
目录
摘要I
AbstractII
1.设计内容及要求3
1.1设计的目的及主要任务3
1.1.1设计的目的3
1.1.2设计任务及主要技术指标3
1.2设计方案选择及验证3
2.各部分电路设计及分析4
2.1电源周围电路设计及晶体管选择4
2.2差分输入电路设计5
2.3互补推挽输出设计6
2.4中间级放大及负反馈设计7
3.整体电路图9
4.电路性能分析10
4.1电压增益分析10
4.2噪声分析12
5.PCB的设计与制作14
5.1原理图的绘制14
5.2PCB板的设计14
6.硬件调试15
结束语16
参考文献17
附录—元件清单18
摘要
本次电路设计共分为三级:
输入级、放大级,输出级。
输入级采用的是差分放大电路来输入信号,用一NPN晶体管的共射级电路与一PNP晶体管的共射级电路串联构成放大级,输出级采用互补推挽发射级跟随器输出。
本次设计的是电压增益大约为30dB的低噪声放大电路。
与通用的OP放大器相比,噪声要低,所以可以直接用于将话筒来的信号进行放大的话筒放大器,对模拟录音机来的信号进行拾音的MC拾音器的前置放大器,以及各种传感器的前置放大器。
关键词:
差分输入电路;互补推挽输出;低噪声
Abstract
Thecircuitdesignisdividedintothreelevels:
inputlevel,zoomlevel,outputlevel.Inputstageusesadifferentialamplifiertotheinputsignal,withacommon-emitterNPNtransistor-levelcircuitwithaPNPtransistorlevelcircuitcommon-emitteramplifierstageinseries,theuseofcomplementarypush-pulloutputstageemitterfolloweroutput.Thedesignofthevoltagegainisabout30dBlow-noiseamplifiercircuit.ComparedwiththegeneralpurposeoftheOPamplifier,noiseislower,sothemicrophonecanbedirectlyusedtoamplifythemicrophonesignalamplifier,theanalogtaperecordersignalpickuptothepickupoftheMCpre-amplifier,andthekindsofsensorpreamplifier.
Keywords:
Differentialinputcircuit;Complementarypush-pulloutput;Low-noise
1.设计内容及要求
1.1设计的目的及主要任务
1.1.1设计的目的
①学会在PSpice环境中(或类似的软件)搭建设计要求所需的原理电路图,并能运用软件中自带的仿真工具进行电路仿真与分析。
②掌握晶体管电路设计的分析与实现方法。
1.1.2设计任务及主要技术指标
①采用晶体三极管构成一个低噪声负反馈放大电路;
②实现电压增益为30dB,最大输出电压为2
输出噪声要低;
③掌握ORCAD的操作和使用方法,利用ORCAD软件(或类似软件)设计出电路图,对其进行模拟与仿真分析,根据分析与模拟结果修改和优化并确定电路结构;
④利用PROTEL软件绘制该电路的PCB印制电路板图,要求图纸绘制清晰、布线合理、符合绘图规范。
1.2设计方案选择及验证
通常要获得较大的电压放大倍数有两种方法:
第一种方法可以考虑将决定增益的放大器级联起来,这时,总的增益由各放大器的增益决定。
这个方法简单明快,效果很好。
但是,总的频率特性都不如每个放大器的频率特性;然而,总的噪声却为每个放大器的噪声之和,是一个非常大的值。
第二种方法是将增益调节到最大的放大器级联起来,从输出向输入加上负反馈。
这是电路的总的增益与每个放大器的增益无关,仅由调节反馈器的反馈元件
所决定。
加上负反馈后,就有放大度稳定,频率特性变好,噪声不增加等优点。
此次设计采用的就是上述的第二种方法,在第二种方法的基础上加上前置的差分输入电路、互补推挽输出电路够成总体设计电路。
2.各部分电路设计及分析
2.1电源周围电路设计及晶体管选择
即使是使用两只晶体管的负反馈放大电路,其电源电压也完全与发射级放大电路时一样,取比最大输出电压(峰-峰值)与发射级上的压降(1V以上)的和还要稍大一些的值。
因此,该电路的电源电压
有必要取在3V以上(2
+1V),在这里取5V。
因为电源电压是5V,在管子的选取上,考虑到他们的集电极-基极间和集电极-发射级间有可能加上最大达到5V的电压。
所以,必须选择集电极-基极间最大额定值
与集电极-发射极最大额定值
在5V以上的晶体管。
因此,这里选用通用小信号晶体管2N3904与它的互补对管2N3906,它们性能相似,极性相反。
下表2.1(a)及表2.1(b)表示的是2N3904的电特性。
显然使用它的任何档次的
都可以,这里选用B档。
表2.1(a)2N3904的最大规格
表2.1(b)2N3904的电特性
这里,若是将许多级同级性的晶体管级联起来是,由于偏置电压的极性相同,在直流电位关系上变得难办(不能取得最大输出电压),所以,通常如果初级是NPN,则次级为PNP,再下一级为NPN……,交替地将极性不同的晶体管组合起来使用。
对于电源部分,一般要在电源与地端加上去耦电容,通常一般取一0.1uF的瓷片电容、一10uF的电解电容作为去耦电容。
2.2差分输入电路设计
差分输入电路选用的管子为NPN型的2N3904,对于Q1、Q2,不管选用哪个档次的管子都可以,关键的是使用的是同一档次的管子。
这里设计的是单输入单输出的差分输入电路,其电路如下图2.2所示[2]。
图2.2差分输入电路
在上图中,电阻R1和R14是决定输入阻抗的,同时也兼有着将Q1、Q2的基极电位偏置在0V的偏置电路的作用。
考虑到输入阻抗要平衡,这里选取的两电阻大小必须相等,这里取10K。
对于R3、R6的确定,考虑如下:
关于Q1、Q2集电极电流大小的问题,通常与共发射极电路一样为0.1至数毫安。
这里取为1mA,因此,由于他们的集电极电流为1mA,如果忽略基极电流,则集电极电流约等于发射极电流。
因此,恒定电流源的电流必须设为2mA,由R4与R5分压可确定R6两端的分压大约为2V,所以取R6=。
2.3互补推挽输出设计
该部分是利用二极管进行偏置的甲乙类双电源互补对称电路构成,它能很好的克服交越失真。
其电路如下图2.3所示[3]。
图2.3互补推挽输出电路
由上图可见,Q5组成前置放大级,Q6、Q7组成互补输出级。
静态时,在二极管上产生的压降为Q6、Q7提供了一个适当的偏置电压,使之处于微导通状态。
因此,在三极管Q6、Q7的基极与基极之间加上了1.8V的电压。
而要导通两三极管,知两三极管射级与射级之间电压差为1.8V-0.6V-0.6V=0.6V,即在两电阻R10与R11之间压降为0.6V。
因此,改变Q6与Q7之间的发射极电阻,就能够设定无信号时流动的发射极电流的希望值。
在这里,设定希望的发射极电流为3mA,所以两三极管间发射极电阻应分别取为100
(=(0.6V/3mA)/2)。
但是,上述偏置方法的缺点是,其偏置电压不易调节。
2.4中间级放大及负反馈设计
下图2.4为此次设计的负反馈放大电路[1]。
该电路将NPN晶体管的共发射极放大电路与PNP晶体管的共射级放大电路串联连接,用R13将反馈从电路的输出加到初级NPN晶体管的发射极上。
图2.4负反馈放大电路
在共发射极放大电路中,发射极的波形是乘上增益而出现在集电极上的。
例如,Q4是共发射极电路,其电压增益Av为30(=R7/R8=1K/33)。
所以,集电极输出应该是基极输入的30倍,然而,实际并不是如此。
原因在于从输出端用R13与C5将信号返回到Q4的发射极的负反馈。
所谓负反馈,是将输出电压或者输出电流返回到输入部分,在外观上减少自己本身的输入电压或者输入电流来控制电路整体增益的电路。
3.整体电路图
此次设计的整体电路如下图3.1所示。
图3.1整体电路图
其中,电源采用正负5伏双电源供电,输入级采用差分输入,中间放大级为一NPN与一PNP晶体管级联,构成主要放大级,输出级采用的是一互补对管共同构成互补推挽输出,并且在互补推挽输出端与中间放大级输入端的射级接上一反馈回路,再加上适当的去耦、滤波电容共同构成了本次设计的整体电路。
4.电路性能分析
4.1电压增益分析
下图4.1.1是未加入负反馈时输入输出波形图。
其中,上面的一条曲线为输出波形,为通道A。
下面的曲线是输入信号波形,为通道B。
图4.1.1未加负反馈时输入输出波形
从上图中可以看出,未加负反馈时电压增益很大,约为230倍,但是输出波形有明显失真,这并不是我们所想要的。
下图4.1.2是加入了负反馈时输入输出信号波形图,从图中可计算总的电压增益[5]。
图4.1.2加入负反馈时输入输出波形
从上图可计算总的电压增益Av为:
如下图4.1.3所示,再由差分放大输出波形与输入信号波形图分析可知,前端差分信号输入电路电压增益为:
而在多级放大电路中,一般情况下,均能满足深度负反馈的条件,现假定上面设计的电路也满足深度负反馈。
则有
再由
,可得
。
从而,可以验证上述假定正确,电路确实进入了深度负反馈状态下。
图4.1.3差分电路输出波形与输入信号波形图
由上述分析,可以得知此次设计的负反馈放大电路电压增益为35dB,满足设计要求增益为30dB以上。
4.2噪声分析
噪声是指电路中出现的非信号项电压或电流,是影响实际电路性能的随机因素之一。
Multisim提供了三种不同的噪声模型:
热噪声(亦称白噪声),通常认为是由导体内自由电子和振动离子的热运动引起的,并均匀分布于整个频率范围;散弹噪声,是由半导体中的载流子运动造成的,是晶体管噪声的主要来源;闪烁噪声,存在于BJT和FET中,主要发生在频率低于1KHz的频段,它与频率成反比,与温度和DC电流成正比。
噪声分析是计算每一个电阻或半导体器件对指定输出节点的噪声贡献。
总噪声是所有噪声源对输出节点产生噪声的均方根之和,该和再除以增益得出等价输入噪声。
等价输入噪声是指在无噪声输入源上注入噪声,产生与噪声电路相比配的输出噪声。
总噪声电压是以地或电路中的其他节点为参考的。
下图4.2是电路的输出噪声频谱与输入噪声分析图。
其中,上面一条曲线是等效的输入噪声电压随频率变化曲线;下面一条是总的输出噪声电压随频率变化的曲线。
图4.2噪声分析谱图
由电路的低噪声化的三种方法:
使用低噪声的放大器件(晶体管,FET,OP放大器等)。
这是显而易见的重要方法。
为了减少由电阻产生的热噪声,电路要进行低阻抗化。
无源元件电阻也产生称为热噪声的噪声。
电阻值越高,热噪声越大(温度越高,热噪声也越大)。
为此,如果电路进行低阻抗化,就成为低噪声电路。
为了减少噪声的总功率,将频带变窄。
从晶体管、FET和OP放大器等有源元件产生各种噪声。
但是,在这些噪声中,在频带上均匀分布的噪声(热噪声、散粒噪声等)可以通过限制电路频带宽度的方法来减少噪声的总量。
因此,为了使电路低噪声化,要降低反馈电阻的阻抗,以减少来自于反馈电阻本身产生的热噪声。
5.PCB的设计与制作
5.1原理图的绘制
以上述设计的电路为据可以直接在MULTISIM中生成网络表,进而导入到ALTIUMDESIGNER中,进而产生相应的PCB。
这个流程较为简单,省去了再在ALTIUMDESIGNER画原理图这一步。
但是,有个问题即MULTISIM中元件封装与ALTIUMDESIGNER元件封装名字不同,不可兼容,因此就必须将其中的元件封装一个个换掉,这步工序相当繁琐。
因此,仍然选择在ALTIUMDESIGNER中画好原理图后在制版。
所以根据上述设计的电路可以绘制电路的原理图如图5.1所示。
图5.1整体电路原理图
5.2PCB板的设计
根据电路原理图设置好各个元件的封装参数,利用Protel的ERC完成电气连接的检查后就可以生成网络表。
利用PCB设计向导,完成相关参数的设定后,即可加载网络表到PCB文件中。
对元件的分布进行调整,调整好元件分布后即可开始按照飞线对元件连线。
连线时可用地线和电源将将整个电路板包起来,这样可大大减少干扰[7]。
注意地线及电源线相对于信号线应该调整得粗一些。
为增强电路的抗干扰能力可给整个电路覆铜,覆铜后的PCB图如图5.2所示。
图5.2铺铜后的PCB图
6.硬件调试
仿真结果正确后,就可根据电路原理图购买元件进行电路焊接搭建。
连接硬件系统后,通上电源,电源指示灯点亮,打开函数发生器和示波器,将函数发生器输出的小信号接入电路的输入端口和示波器的一个通道,将待测输出端口接入示波器的另一个通道,观察波形与参数,并对输入信号和输出信号进行比较分析。
由于仿真与实际制作存在偏差,如果参数达不到,则可以改换电路中的元件参数,直至符合要求。
调试结果表明,实物和仿真结果基本一致,本次设计不仅能实现设计要求的基本功能,而且系统稳定。
但也存在一些问题,主要是电路输入信号不能太大,超过几十毫伏的峰峰值,输出就会产生失真。
而输入信号峰峰值在4mA至20mA范围内,输出波形很完美,且频率响应范围很广。
而一旦输入信号加大,则失真就比较大。
总体而言,本次设计硬件电路调试结果符合设计要求。
而为了进一步降低电路的噪声,对元件的选择也是要求较高的。
例如,对于初级的晶体管可选用低噪声晶体管来替代。
当然,为了发挥低噪声晶体管的性能,发射极电流的设定值是很重要的。
查看数据手册,将发射极电流设定在噪声指数NF最小的电流值就可以。
结束语
此次,我的课程设计我做的是低噪声负反馈放大电路。
利用MULTISIM软件,先通过每一级电路功能的仿真和运算,最后整合成一个完整的功能实现了的低噪声负反馈放大器。
假设如果没有软件的仿真,那整个设计过程的庞大的调试过程其复杂程度是难以想象的。
完成仿真后,利用ALTIUMDESIGNER软件我完成了整个电路的电路板的设计。
通过这次课程设计,不仅使我对MULTISIM有了进一步的了解,更巩固和提高了我的模拟电子电路知识,并深深地体会到了MULTISIM对于模拟电子电路设计的巨大帮助。
同时让我进一步熟悉和巩固了利用ALTIUMDESIGNER软件进行电路板设计方法和技巧。
这次课程设计我最大的收获就是掌握了一种模拟电子电路的设计方法。
模拟电子电路和数字电子电路一样,是电子系统设计的根基之一,在某些环节的设计难度上甚至超过数字电路。
有了MULTISIM设计仿真软件的帮助和掌握了自动化模拟电路设计方法就可以大大减少设计周期,并提高设计成果的稳定性,以及大大减少了成本费用,对于初学者来说是非常难得的。
同时,也感谢学校给我们这次晶体管课程设计的机会,不仅让我们了解了晶体管的特性以及使用晶体管设计电路的优缺点,掌握了使用晶体管设计电路的原理和方法,而且也锻炼了我们的动手能力。
通过这次课设让我明白了理论联系实践的重要性,书本上的理论知识学了不少,我们必须得应用到实践当中,做到学以致用,这样我们才能有不断的创新。
参考文献
[1]铃木雅臣著,彭军译.晶体管电路设计(上).北京:
科学出版社,2004
[2]康华光,陈大钦,张林.电子技术基础模拟部分.北京:
高等教育出版社,2006.1
[3]周南生.晶体管电路设计与制作.北京:
科学出版社,2006.8
[4]张庆双.实用电子电路200例.北京:
机械工业出版社,2005
[5]邱关源主编:
《电路》(第四版),高等教育出版社,1999年。
[6]李永平,董欣.Pspice电路设计与实现.北京:
国防工业出版社,2005.1
[7]清源科技.Protel99SE电路原理图与PCB设计及仿真.北京:
机械工业出版社,2007.1
附录—元件清单
序号
名称
型号
数量
备注
1
电阻
33K、10K、1K、3.3K、100欧、33欧
各十
2
瓷片电容
100nF
2
3
电解电容
10uF
5
4
电解电容
100uF
2
5
二极管
1N4007
3
6
三极管
2N3904
5
7
三极管
2N3906
2
8
排针
若干
9
短路帽
若干
10
导线
若干
本科生课程设计成绩评定表
姓名
彭理健
性别
男
专业、班级
电子科学与技术0802
课程设计题目:
低噪声负反馈放大电路的设计
课程设计答辩或质疑记录:
成绩评定依据:
最终评定成绩(以优、良、中、及格、不及格评定)
指导教师签字:
年月日
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 晶体管 课程设计 报告 噪声 负反馈 放大 电路设计