晶体管课设.docx
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晶体管课设.docx
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晶体管课设
课程设计任务书
学生姓名:
专业班级:
电子0801班
指导教师:
刘金根工作单位:
信息工程学院
题目:
三极管β值选择器的设计
初始条件:
先修课程《模拟电子技术基础》、《电路分析基础》;具备模拟电子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;使用multisim进行仿真;使用protel99se进行PCB制作。
要求完成的主要任务:
1.采用晶体管完成三极管β值选择器的设计;
2.能测出β值为0
50,50
150,150
300,300
500四个范围;
3.完成所设计电路的PCB制作;
4.完成电路实物制作;
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11日至2011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绪论1
2三极管β测量原理分析2
3系统方案2
3.1系统整体方案图2
3.2比较器3
3.2.1运放整体结构图3
3.2.2差分输入级3
3.2.3射极跟随器4
3.2.4中间放大极4
3.2.5功放输出级5
3.3三极管β选择电路图5
4电路仿真与分析6
4.1运算放大器仿真6
4.2整体测试仿真8
5PCB版图制作9
6实物制作及调试10
7个人体会11
参考文献12
附录I元件清单13
附录II总电路图14
摘要
本文对三极管工作原理及构成的运算放大器进行分析,设计出可测量三极管β范围的基本电路。
其中,运算放大器是本次设计的重点,通过三极管的搭建,构成对直流具有放大作用的运算放大器,然后通过所设计的运算放大器,完成三极管β值范围测量的电路。
通过对运算放大器的性能分析,确定最佳制作方案。
通过multisim的仿真分析,按照设计要求,来确定最佳参数。
另外,按照要求,采用protel99se制作了电路的PCB版图,从而完成任务。
关键词:
三极管运算放大器multisimPCB
Abstract
Inthispaper,theworkingprincipleandthecompositionoftransistoramplifierswereanalyzed,andthedesigncanbeusedtomeasurethetransistorbetarangeofbasiccircuit.Amongthem,thelatteristhemostimportanceofthisdesign,throughtheconstructionofthetransistor,constitutetheamplificationofadcwithoperationalamplifier,andthenthroughthedesignofoperationalamplifier,thetransistorbetavaluemeasurementrangeofthecircuitwascompleted.Throughtheperformanceanalysisoftheoperationalamplifier,determinedthebestproductionplan.Throughthemultisimofthesimulationanalysis,accordingtothedesignrequirements,todeterminetheoptimalparameters.Inaddition,asrequested,theprotel99semadecircuitPCBlayout,soastocompletethetask.
Keywords:
transistoramplifiersmultisimPCB
1绪论
第一个使用真空管设计的放大器大约在1930年前后完成,这个放大器可以执行加与减的工作。
运算放大器最早被设计出来的目的是将电压类比成数字,用来进行加、减、乘、除的运算,同时也成为实现模拟计算机(analogcomputer)的基本建构方块。
然而,理想运算放大器的在电路系统设计上的用途却远超过加减乘除的计算。
今日的运算放大器,无论是使用晶体管(transistor)或真空管(vacuumtube)、分立式(discrete)元件或集成电路(integratedcircuits)元件,运算放大器的效能都已经逐渐接近理想运算放大器的要求。
早期的运算放大器是使用真空管设计,现在则多半是集成电路式的元件。
但是如果系统对于放大器的需求超出集成电路放大器的需求时,常常会利用分立式元件来实现这些特殊规格的运算放大器。
[1]
1960年代晚期,仙童半导体(FairchildSemiconductor)推出了第一个被广泛使用的集成电路运算放大器,型号为μA709,设计者则是鲍伯·韦勒(BobWidlar)。
但是709很快地被随后而来的新产品μA741取代,741有着更好的性能,更为稳定,也更容易使用。
741运算放大器成了微电子工业发展历史上一个独一无二的象征,历经了数十年的演进仍然没有被取代,很多集成电路的制造商至今仍然在生产741。
直到今天μA741仍然是各大学电子工程系中讲解运放原理的典型教材。
2三极管β测量原理分析
三极管是三端器件,基极B,集电极C,射极E。
其中,IB控制着VBE,VBE又控制着IC,由于载流子的影响,IC将会比IB大得多,进而表现出放大能力。
由三极管关系可得,IC=βIB,那么,测量β值,只需要测量出IB和IC即可。
[2]
如图1所示,为测量三极管β范围的电路。
控制IB为10uF,测量输出端口的电压VC,由电路知识可知,
图1三极管β测量电路输出电压为VC=E-ICR1,这样,将VC的范围固定,那么IC的范围也就固定,进而确定β范围所在。
3系统方案
3.1系统整体方案图
图2三极管β测量整体框图
3.2比较器
3.2.1运放整体结构图
运算放大器一般采取如图3所示的结构。
输入端采用差分放大,由于其对静态工作点的稳定作用很大,所以一般都采用它作为前置放大。
镜像电流源的作用也是稳定静态工作点,由它提供稳定的电流。
后面跟着射极跟随器,这一级作用是将前后隔离,减少级间干扰。
中间放大级是将前面的信号进一步放大,从而使整体放大倍数AV趋于无穷大(实际为105左右或者更大),这样的运放性能才比较好。
输出级采用功放输出,甲乙类互补功率放大,消除了交越失真,同时可以提高运放的驱动能力。
[3]
图3运放系统整体框图
3.2.2差分输入级
差分放大电路的作用是放大差模信号,抑制共模信号,一般的电源电压的不稳定、内部噪声、外部噪声等都相当于共模输入,会对三极管静态工作点产生影响。
且三极管的VBE几乎为0.7V,有-2.5mV/℃温度系数,这样,对于直流信号而言,将会是很大的影响。
当VBE发生变动,将会产生变化量乘以增益系数的温度漂移量,这个影响是很大的。
而采用差分放大电路,由于两个晶体管很近,所处的环境温度相同产生的温度漂移基本相同,VBE变化量将会互相抵消,消除温度的影响。
如图4所示是采用镜像电流源作为集电极负载的差分放大电路。
进一步稳定静态工作点,射极采用带缓冲级的镜像电流源提供工作电流。
为了减小功率,取工作电流1mA给差分电路。
这样,镜像电流源的输出电流为2mA,由电路知识可知,
,所以R18为2.2KΩ左右。
图4差分输入级电路
3.2.3射极跟随器
图5为射极跟随器的基本电路。
射极跟随器的特点是输入阻抗很高,输出阻抗的电阻基本为0,这样,输出端并联多少负载基本对电路没有影响,驱动后级电路能力提高,而且,这样前后级之间的影响便消除了。
电路一般用射极跟随器进行前后级的隔离。
图5射极跟随器电路
3.2.4中间放大极
如图6为中间放大电路。
此电路采用的是渥尔曼自举电路,由共发射极和共基极电路组成。
渥尔曼电路的特点是高频特性良好。
为了使所设计的运算放大器通用化,考虑到输入高频的条件。
渥尔曼电路的优点出了高频特性良好外,输入阻抗也提高了,输出功率也提高了。
自举电路为渥尔曼的扩展电路,渥尔曼化的电路限制了输入电压,自举后,3V稳压二极管将两管的电压太高,频率特性和输入输出线性变好,输入电压
图6中间放大电路限制问题也解决了。
[5]
3.2.5功放输出级
功放输出采用甲乙类互补对称功放,带偏置电压,二极管作为偏置使用,实际采用的是三极管进行偏置,偏置电压可设定。
加入偏置后,消除交越失真。
输出的互补对管加入了保护电路,允许最大输出电流为0.7/20即35mA。
功放输出级电路如图7所示。
图7功放输出级电路
3.3三极管β选择电路图
如图8所示为多路三极管β选择电路,可同时选择NPN三极管和PNP三极管。
可选择三极管β范围为0
50,50
150,150
300,300
500。
图8多路三极管β选择电路
4电路仿真与分析
4.1运算放大器仿真
运算放大器整体设计电路如图9所示。
将以上设计的各级级联,并配以相关器件使其正常工作,仿真采用此电路。
输入加入1uV,用multisim中的虚拟示波器观察输出电压跟输入电压波形,计算出放大倍数。
[6]
图9运算放大器仿真电路
如图10为差分输入级电路仿真情况,可以看到,输出电压大约为输入电压的500倍左右。
可见,差分放大电路的放大倍数相当之高,更加体现其优点之大。
如图11为整体输出电路仿真情况,放大倍数将近100000倍,如此大的放大倍数,合乎运算放大器的特点,仿真成功。
图10差分输入级仿真
图11输出级仿真
4.2整体测试仿真
图12整体测试电路
由图12可知,当输入电压在4V和4.5V之间时,发光二极管发光,当不在之间,不发光,满足逻辑。
5PCB版图制作
图13基本印刷版制作图
图14镀铜印刷版制作图
6实物制作及调试
经过长时间的精心制作,完成了硬件电路的制作,熟悉使用三极管等元件,并且在硬件制作过程中,注意到理论设计的不足,而加以完善,如电源部分加上显示,两级放大电路分开以便测试,中间加上开关来控制通断。
另外,为了便于静态工作点的最佳调试,电阻采用可变式方便调试。
调试过程中,发现放大倍数达不到理论设计,要求最大达到100000,实际达到10000,继续调节静态工作点,输出电压加大,但渐渐出现失真。
分析知道,差分放大级的对称性不好,影响后级的偏置电压,造成后级偏离最佳静态工作点,放大倍数必然达不到设计要求。
另外,电阻的误差,三极管的误差,以后后级的“温漂效应”,都会对整体放大有影响,出现失真。
7个人体会
通过此次三极管β值选择器的设计,我收获颇丰。
首先,通过调试三极管,复习了以前模电所学的知识,在设计中的出现了各种各样的错误,在不断修正中掌握了以前模糊知识。
另外,为了使放大倍数足够大,不断调试,懂得实际调试来弥补理论的不足。
感谢学校给我们这次机会,锻炼了我们的动手能力。
通过这次课设让我明白了理论和实际操作之间差距,而且也让我很明确得意识到自己在模电上有很多的知识漏洞,以后应该多钻研一下。
参考文献
[1]康华光.电子技术基础模拟部分(第五版).北京:
高等教育出版社,2006.1
[2]吴友宇.模拟电子技术基础.北京:
清华大学出版社,2009.5
[3]铃木雅臣.晶体管电路设计(上).北京:
科学出版社,2004.9
[4]明宏.电工实习指导书.武汉:
武汉理工大学,2007.12
[5]朱彩莲.Multisim电子电路仿真教程.西安:
西安电子科技大学出版社,2007.9
[6]邱关源.电路(第五版).北京:
高等教育出版社,2006.12
附录I元件清单
元件
数量
三极管9014
15个
三极管9012
11个
三极管2N3904
5个
三极管2N3906
5个
三极管8550
2个
电位器5K,10K,100,
4个
电容0.1uF
1个
电容10uF
1个
发光二极管
1个
开关
1个
单排针
若干
3V稳压管
2个
电阻100,2K,1K
若干
附录II总电路图
图15总电路图
本科生课程设计成绩评定表
姓名
金才
性别
男
专业、班级
电子科学与技术0801
课程设计题目:
三极管β值选择器的设计
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
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- 关 键 词:
- 晶体管
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