单管放大器的设计与仿真.docx
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单管放大器的设计与仿真
集成电路课程设计报告
单管放大器的设计与仿真
院系:
材料与光电物理学院
专业:
微电子学一班
学号:
2008700301
姓名:
夏青青
指导教师:
唐明华教授
报告提交日期:
2011年9月
摘要·······························································································································1
关键词························································································································1
1引言························································································································2
1.1选题的目的与意义···························································································2
1.2近几年来国内外研究现状···············································································5
2关于模拟电路的计算机分析与设计····························································6
2.1电路设计与电路CAD工具················································································6
2.2OrCAD和Pspice软件简介···············································································7
2.3Pspice仿真软件的优越性·············································································8
2.4利用Pspice程序进行电路设计的具体设计过程··············································9
3单管放大器简介·································································································10
3.1单管放大器的功能概述····················································································10
3.2单管放大电路的三种基本结构·······································································11
4单管放大器的模拟分析···················································································11
4.1单管放大器的基本分析···················································································12
4.2单管放大器的进阶分析···················································································26
4.3单管放大器的版图···························································································37
4.4仿真结果分析····································································································39
5结论·························································································································40
6体会与心得···········································································································41
参考文献··················································································································42
致谢···························································································································43
单管放大器的设计与仿真
摘要:
首先,本文对ORCAD、Pspice软件的设计和仿真设计进行了简单的介绍。
然后介绍了常见的单管放大器,和单管放大器的组成及其分类,并对它们的基本原理电路结构作简要分析。
接着在这些工作原理和电路结构的基础上,应用Pspice软件绘制出电路图、设置参数、进行仿真并对波形仿真结果进行分析。
最后总结出单管放大器的设计仿真规律,得出完整的电路图。
关键词:
单管放大器,Pspice,电路图,波形仿真
DesignandSimulationofSinglePipeAmplifier
Abstract:
Inthispaper,theordinarydesignandsimulationmethodsofORCAD、Pspicesoftwareareintroducedatfirst.Thenthecommonsinglepipeamplifierarepresented,andtheirbasicprinciplecircuitstructuremakesabriefanalysis.Onthebasisoftheworkingprincipleandthecircuitstructure,accordingtothePspicesoftware,renderingthecircuitdiagram,thesettingoftheparametersofthesimulation,andthewavesimulationresultsareanalyzed.Finallythebasicdesignandanalysisofthesinglepipeamplifierissummarizedthatcompletecircuit.
Keywords:
singlepipeamplifier,PSPICE,circuitdiagram,wavesimulatin
1引言
1.1选题的目的与意义
微电子产业是基础性产业,微电子技术是高科技和信息产业的核心技术。
微电子技术具有极强的渗透性,发展速度非常快,与其他学科相结合后会产生出一系列崭新的学科和重大的经济增长点,对科技发展和国民经济都做出了巨大的贡献[1]。
开创时期的微电子或半导体只是物理学的一个分支,在高速发展中微电子又不断地推动了物理学的进展。
技术科学与基础科学之间的紧密结合,高速地相互推动是当代科技发展的一个特点,这在微电子与物理学之间体现更为明显[2]。
微电子技术是随着集成电路,尤其是超大型规模集成电路而发展起来的一门新的技术。
微电子技术包括系统电路设计、器件物理、工艺技术、材料制备、自动测试以及封装、组装等一系列专门的技术,微电子技术是微电子学中的各项工艺技术的总和。
微电子技术是建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子术,特点是体积小、重量轻、可靠性高、工作速度快,微电子技术对信息时代具有巨大的影响[1]。
现代微电子技术的发展至今为止印证了“摩尔定律”的描述,即单个芯片上的器件数每18个月增长1倍,DRAM储存量每3年提高到原来的4倍,其发展历程如下。
英国科学家JohnFlemin于1904年发明了二极管,其后即用于电子整流,美国的LeeDeForest于1906年发明了三极管并申请了专利,第一个晶体管于1947年在贝尔实验室诞生,比较于电子管,晶体管有体积小、能低、寿命长和更可靠等优点,而实用的晶体管于1954年开发成功,并首先应用在电子开关系统中。
在电路和集成方面,于1952年,英国科学家达默提出能否将晶体管等元件不通过连线直接集成在一起而构成有特定功能的电路。
1959年,德州仪器公司宣布研制成功集成电路。
同年,美国著名的仙童子公司将一整套制造微型晶体管的“平面工艺”移到集成电路的制作中,很快集成电路由实验室实验阶段转到工业生产阶段。
1962年MOS场效应管试制成功,1964年成功制出PMOS集成电路。
比较于分立元件的电路,集成电路的体积重量大大减小,同时,功耗小、更可靠、更适合于大量生产[3]。
微电子技术可以低成本、大批量的生产出具有高可靠性和高精度的微电子结构模块。
微电子技术的发展给人们的生产、生活带来了巨大的改变。
与微电子技术成功结合的典型例子便是MEMS技术和生物芯片等。
微电子机械系统使产品体积小、耗能少、运动灵活。
生物芯片则是微电子技术与生物工程技术结合的产物。
科学家们已在讨论把微芯片记忆线路植人人的大脑以治疗老年性痴呆症,或增加人的记忆能力的可能性。
采用微电子技术制成的集成电路芯片已发展到进人GSI时代。
最典型的是存贮器和处理器,应用极为广泛。
计算机的换代就取决于集成电路的集成规模。
随着集成电路的发展。
此外,光学与微电子学的结合,成为光电子技术,被称为尖端中的尖端,为微电子技术的进一步发展。
微电子技术还广泛应用于军事通信、火力控制、情报侦察、预替探测和电子战等方面,已使武器装备的面貌和性能发生了质的变化,也是当今实现武器装备信息化的基础和核心技术,是武器装备更新换代的重要推动力[1]。
模拟电路能与自然世界中的物理电信号直接联系,能为“数字世界”的存在提供支撑环境,这些决定了模拟电路存在的必然性。
尽管当今世界己逐渐步入数字时代,模拟电路仍不会消亡然而数字大潮中的模拟电路的发展出现了一些新要求并对应出现了一些发展新趋势[4]。
集成电路越来越受到电子线路设计者的重视,由于其体积小、可靠性高、成本低、调试方便,故在各种电子线路中越来越广泛地被采用,电路应用形式也越来越多。
然而随着等的出现,仅仅连接和间的端子还不能使其稳定动作,因此即使在集成度很高的电子产品中,仍少不了用晶体管等分立元件作为各集成电路之间的接口或过度,事实上真正含义的全集成电子产品是不多见的。
另外为了进行模拟电路的设计,必须掌握晶体管电路的基本知识。
现在技术是日新月异的技术,无论是模拟电路,还是数字电路都能进行化或者是化,观察电视机或计算机内部,除了电源电路外,几乎所有的电路都被化或化,找到晶体管或(场效应管)等单个放大器件都是很困难的。
然而进行晶体管电路设计仍有必要性:
比如现在需要制作放大电路,那么掌握晶体管电路的有关知识和仅使用运算放大器的情况就可能不一样,导致对电路的认识会有相当大的不同[5]。
放大器能把输入讯号的电压或功率放大的装置,由电子管或晶体管、电源变压器和其他电器元件组成。
用在通讯、广播、雷达、电视、自动控制等各种装置中。
放大器是增加信号幅度或功率的装置,它是自动化技术工具中处理信号的重要元件。
放大器的放大作用是用输入信号控制能源来实现的,放大所需功耗由能源提供。
放大器按所处理信号物理量分为机械放大器、机电放大器、电子放大器、液动放大器和气动放大器等,其中用得最广泛的是电子放大器。
电子放大器又按所用有源器件分为真空管放大器、晶体管放大器、固体放大器和磁放大器,其中又以晶体管放大器应用最广。
在自动化仪表中晶体管放大器常用于信号的电压放大和电流放大。
放大是模拟电路最重要的一种功能,放大电路是模拟电路的一种基本形式,其作用是将微弱电信号增强(放大)到所需要的数值。
工程上常用的放大电路大多是由若干基本放大电路级联构成的。
基本放大电路又几乎是所有模拟集成电路与系统的基本单元。
单管放大电路有共发射极、共基极和共集电极三种接法。
他们的输入和输出变量不同,因而电路性能也不一样[6]。
三极管具有电流放大作用,构成放大器时晶体管工作在放大区。
在广播、电视、通信、自动控制等各种电子设备中,放大器是广泛使用的电子线路,它把微弱信号放大到便于零用的程度,从而使电子设备的终端能够显示出来或有所动作。
放大电路以晶体管为核心构成的电路,把微弱的信号转换成较大的信号,其实质是以较小的信号去控制输出较大信号的一种能量转换装置。
根据输入和输出回路共同端的不同,放大电路有三种基本组成态:
共发射极电路、共集电极电路和共基极电路。
[5]怎样把晶体管的电流放大作用转换成电压放大作用?
这就必需外接元件构成放大电路,其中最简单的就是单管放大器。
本课题的研究意在通过使用PSPICE软件实现的单管放大器的设计与仿真,从而进一步巩固《模拟电子技术基础》,学习《Pspice电路设计与应用》、《模拟电路的计算机分析与设计——Pspice程序》等的相关专业知识。
本文先对Pspice设计和仿真电路的方法进行简单介绍,然后画出单管放大器的电路图并分析仿真,然后得出结论。
图1放大器
1.2国内外研究的现状
20世纪初,真空三极管的发明和电信号放大的实现,标志着电子学发展到一个新的阶段。
20世纪40年代末晶体管的问世,特别是60年代集成电路的问世,加速了电子放大器以至电子系统小型化和微型化的进程。
放大电路的基本形式有3种:
共发射极放大电路,共基极放大电路和共集电极放大电路。
在构成多级放大器时,这几种电路常常需要相互组合使用。
微电子先进工艺的发展极大地提高芯片的集成度,从而得到了不断提高系统性价比的目标。
现今使用的硅圆晶片在集成电路设计中制作的最小线宽为0.13μm,一些IC生产公司在研制0.1μm到0.07μm的微处理器。
如2001年美国国防先进计划局一个微电子项目演示了临界尺寸在20nm以下并具有优良晶体管特性的器件。
此外,为了更高的集成度,在传统二维微电子学的硅平面芯片上向第三维Z轴的扩展实现三维立体IC正在快速发展,并向多维集成发展。
工艺的进步使微电子特征尺寸缩小,缩小的晶体管尺寸还带来了处理速度和频率相应的快速增加,故比集成度更为引入注目的是它的皮秒级(10-12秒)开关速度,以及相应的THz(1012Hz)的带宽能力。
在制备工艺上,日本科学家率先在实验室里研制成功了单电子晶体管(SET),该晶体管中使用的硅和二氧化钛材料的结构尺寸都达到了lOnm左右的尺度,美国贝尔实验室利用有机分子硫醇的自组装技术制备出直径为1-2nm的单层的场效应晶体管。
2关于模拟电路的计算机分析与设计
2.1电子电路CAD技术的发展概况
电子电路CAD技术是电子信息技术发展的杰出成果,它的发展与应用引发了一场工业设计和制造领域的革命,给企业带来了巨大经济效益。
当今,电路CAD技术及其应用水平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一。
电子电路CAD技术是指以计算机硬件和系统软件为基本工作平台,继承和借鉴前人在电路和系统、图论、拓扑逻辑优化和人工智能理论等多学科的最新科技的成果而研制成的电子电路CAD通用支撑软件和应用软件包。
其目的在于帮助电子设计工程师开发新的电子系统与电路、IC、PCB(印刷电路板)、FPGA(现场可编程门阵列)、CPLD(复杂可编程逻辑器件)等产品。
实现在计算机上调用元器件库、连线画图、编制激励信号文件、确定跟踪点、调用参数库以及模拟程序等手段去设计电路。
如把电子设计自动化(EDA)技术,看作电子电路CAD技术的高级阶段.那么,电路CAD可看作EDA的初期和基础。
于是,EDA的发展大致可分为以下几个阶段。
第一阶段70年代到80年代初期:
电子电路CAD理论研究发展迅速,成为电子电路领域的新兴学科。
此时电子电路CAD技术还没有形成系统,仅是一些孤立的软件程序。
但是它们已取代了靠手工进行的繁琐计算、绘图和检验的方式,显示出其强大的活力。
第二阶段80年代后期:
随着计算机与集成电路高速发展,是电子电路CAD技术真正的实现了自动化的时期。
出现了EDA(ElectronicDesignAutomation电子设计自动化)产业。
这一阶段能够实现电路仿真、布局布线、IC参数提取与检验等,并集成为一个有机的EDA系统,其设计规模已达10万门电路以上。
在这里说明一下,通常不把EDA和电子CAD作严格区分,本书也沿用这种说法。
第三阶段90年代以后:
微电子技术飞速发展,一个芯片可以集成百万甚至千万个晶体管,工作速度可达到几个GB/s。
此时电子系统的特点是:
电路的高度复杂化、微型化、保密化;设计周期性短和成本低;设计要综合应用最新成果具有先进性、竞争性和较长的生命周期;设计要独立于工艺等。
这种需求促使电子系统朝着多功能、高速度、智能化的趋势发展。
所以有人说,EDA是90年代电子电路设计的革命[7]。
2.2OrCAD和Pspice软件简介
OrCAD软件系统包括四大部分:
OrCAD/capture、OrCAD/Pspice、OrCAD/Layout和OrCAD/Express。
各部分软件的主要功能如下:
(1)OrCAD/Capture:
这是一个电路原理图设计软件,它可生成各类模拟电路、数字电路和数/模混合电路。
(2)OrCAD/Pspice:
这是一个电路仿真软件,它可对由Capture生成的电路原理图中的模拟电路、数字电路、以及数/模混合电路进行仿真,针对不同输入信号条件下电路系统的时间响应、瞬态响应、频率响应、灵敏度、噪声等有关参量进行分析,并对其进行优化。
(3)OrCAD/Layout:
这是一个印刷电路版图设计软件,它可以将Capture生成的电路原理图,通过自动布线或手动布线的方式,转为可用于制版的印刷电路版图(PCB,PrintedCircuitBoard)。
在PCB设计中,可以进行多层布线(最多达30层),布线分辨率可达1微米。
(4)OrCAD/Express:
这是一个逻辑仿真软件,它可对由Capture生成的数字电路进行从门级模拟,一直到VHDL综合和仿真。
用它可进行10万门以上的CPLD、FPGA、ASIC设计,软件中提供了Xilinx、Altera、Lattice、Lucent、Actel、Philips、Vantis等公司的器件库。
Microsim公司的PSpice(PersonalComputerSPICE)是SPICE家族中比较出色的一员,它在保持原有功能的基础上,在输入输出图形处理、模拟功能扩展、元器件模型参数库的功能数量上都进行了扩充。
PSpice5.0以上版本可在Windows环境下运行,并且具有模/数混合设计的功能。
另外在输入方式上也从原来单一的网表文件形式变成了电路原理图输入和VHDL输入二种方式。
这使输入更加直观、准确,倍受工程技术人员的欢迎。
1998年初MicroSim公司与OrCAD公司强强联合以后,两家公司原有的EDA软件也有机地组合在一起,所推出的OrCAD、Pspice软件成为目前市场上比较成熟的模拟电路计算机辅助设计软件[8]。
2.3PSPICE仿真软件的优越性
PSPICE软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能,以图形方式输入,自动进行电路检查,生成图表,模拟和计算电路。
它的用途非常广泛,不仅可以用于电路分析和优化设计,还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。
与印制版设计软件配合使用,还可实现电子设计自动化。
被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件,具有广阔的应用前景。
这些特点使得PSPICE受到广大电子设计工作者、科研人员和高校师生的热烈欢迎,国内许多高校已将其列入电子类本科生和硕士生的辅修课程。
电路设计软件有很多,它们各有特色。
如Protel和Tango,它对单层/双层电路板的原理图及PCB图的开发设计很适合,而对于布线复杂,元件较多的四层及六层板来说ORCAD更有优势。
但在电路系统仿真方面,PSPICE可以说独具特色,是其他软件无法比拟的,它是一个多功能的电路模拟试验平台,PSPICE软件由于收敛性好,适于做系统及电路级仿真,具有快速、准确的仿真能力。
(1)图形界面友好,易学易用,操作简单
由Dos版本的PSPICE到Windows版本的PSPICE,使得该软件由原来单一的文本输入方式而更新升级为输入原理图方式,使电路设计更加直观形象。
PSPICE6.0以上版本全部采用菜单式结构,只要熟悉Windows操作系统就很容易学,利用鼠标和热键一起操作,既提高了工作效率,又缩短了设计周期。
即使没有参考书,用户只要具备一定的英语基础就可以通过实际操作很快掌握该软件。
(2)实用性强,仿真效果好
在PSPICE中,对元件参数的修改很容易,它只需存一次盘、创建一次连接表,就可以实现一个复杂电路的仿真。
如果用Protel等软件进行参数修改仿真,则过程十分繁琐。
在改变一个参数时,哪怕是一个电阻阻值的大小都需要重新建立网络表的连接,设置其他参数更为复杂。
(3)功能强大,集成度高
在PSPICE内集成了许多仿真功能,如:
直流分析、交流分析、噪声分析、温度分析等,用户只需在所要观察的节点放置电压(电流)探针,就可以在仿真结果图中观察到其“电压(或电流)-时间图”。
而且该软件还集成了诸多数学运算,不仅为用户提供了加、减、乘、除等基本的数学运算,还提供了正弦、余弦、绝对值、对数、指数等基本的函数运算,这些都是其他软件所无法比拟的。
另外,用户还可以对仿真结果窗口进行编辑,如添加窗口、修改坐标、叠加图形等,还具有保存和打印图形的功能,这些功能都给用户提供了制作所需图形的一种快捷、简便的方法。
因此,Windows版本的PSPICE更优于Dos版本的PSPICE,它不但可以输入原理图方式,而且也可以输入文本方式。
无疑是广大电子电路设计师的好帮手。
2.4利用Pspice程序进行电路设计的具体设计过程
(1)输入电路结构。
选择Draw|GetNewPart或相应的图标,将元器件从库中调出放置在图形编辑页面上,再选择Draw|Wire或相应的图标画出电路连线。
(2)编辑修改电路元器件标号和参数值。
包括直流电源和信号源参数。
主要通过选择Edit|Attributes或相应的图标来完成。
有些参数要通过Edit|
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