《晶体管器件》课程设计说明书抗干扰射极跟随器的设计

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1、武汉理工大学晶体管器件课程设计说明书课程设计任务书学生姓名： * 专业班级： 电子0802班 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目：抗干扰射极跟随器的设计初始条件：具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；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。要求完成的主要任务：1采用晶体管设计射极跟随器；2额定电源电压自己选定; 输出中心频率 为低频范围； 3电路焊接及调试;PCB图的设计；4完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试、PCB图及设计总结）。时间安排：12011年6月10日分班集中，布

2、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。22011年6月10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IAbstractII1 绪论12 共集电极电路及其工作原理22.1 电路组成22.2 静态分析32.3 动态分析32.3.1 电压放大倍数42.3.2 输入电阻和输出电阻43差分放大电路工作原理及其分析63.1基本差分放大电路交流性能指标分析64 总原理图分析及仿真94.1

3、 原理图及其分析94.2 仿真115 ALTIMU DESIGNER 及PCB图的绘制125.1 altium designer介绍125.2 PCB图的绘制136 心得体会14参考文献15附录I 元件清单16摘 要晶体管是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。而射极跟随器具有作为缓冲级的功能，能较小负载对电路的干扰和提高带负载的能力。由于普通射极跟随器只有一个晶体管组成，温度、噪声以及环境的变化会对射极跟随器产生很大的影响，当影响达到一定程度是会让波形产生严重失真，从而是信号无效。本次设计为改进射极跟随器，在射极跟随器的输入级加入了一个差分放大电路

4、，从而是外界干扰降到最小，使外界干扰对射极跟随器的影响减小到最小。关键字：晶体管、差分放大电路、射极跟随器AbstractTransistor is a solid semiconductor devices, can be used for detection, rectification, amplification, switching, regulators, signal modulation and many other features. The emitter follower buffer stage with a function to a smaller load on

5、the circuit with a load of interference and increase capacity. As the general is only one emitter follower transistor, temperature, noise and environmental changes in emitter follower will have a huge impact, affecting up to a certain extent when the wave will produce a serious distortion to the sig

6、nal is invalid. This is designed to improve the emitter follower, the emitter follower input stage to join a differential amplifier circuit, which is to minimize outside interference, the interference of the impact of emitter follower is reduced to a minimum.Keywords: transistor, differential amplif

7、ier, emitter-followerII1 绪论晶体管是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。晶体管作为一种可变开关，基于输入的电压，控制流出的电流，因此晶体管可作为电流的开关，和一般机械开关不同处在于晶体管是利用电讯号来控制，而且开关速度可以非常之快，在实验室中的切换速度可达100GHz以上。其优越性体现在以下几点：1、构件没有消耗无论多么优良的电子管，都将因阴极原子的变化和慢性漏气而逐渐劣化。晶体管制作之初也存在同样的问题。随着材料制作上的进步以及多方面的改善，晶体管的寿命一般比电子管长100到1000倍。2、消耗电能极少仅为电子管的十分之

8、一或几十分之一。它不像电子管那样需要加热灯丝以产生自由电子。 3、不需预热一开机就工作。例如，晶体管收音机一开就响，晶体管电视机一开就很快出现画面。电子管设备就做不到这一点。开机后，非得等一会儿才听得到声音，看得到画面。显然，在军事、测量、记录等方面，晶体管是非常有优势的。 4、结实可靠比电子管可靠100倍，耐冲击、耐振动，这都是电子管所无法比拟的。另外，晶体管的体积只有电子管的十分之一到百分之一，放热很少，可用于设计小型、复杂、可靠的电路。晶体管的制造工艺虽然精密，但工序简便，有利于提高元器件的安装密度。晶体管的主要参数有电流放大系数、耗散功率、频率特性、集电极最大电流、最大反向电压、反向电

9、流等。2 共集电极电路及其工作原理若单机放大电路从基极输入，从发射极输出，该电路称为共集电极放大电路。图2.1所示的电路是实际共集电极放大电路；由于从发射极输出，又称为射极输出器或射极跟随器。共集电极电路由于其输入电阻大，输出电阻小；在实际中得到了广泛的应用，常用于阻抗变换、输入级和输出级。图2.1 共集电极放大电路2.1 电路组成 交流信号从基极输入，从发射极输出；交流信号输入输出的公共端是集电极。从电路图看，它把基本共射的集电极移到了发射极。该电路发射结正偏，集电结反偏；交流信号能够顺畅的输入输出，满足放大的条件。2.2 静态分析直流通路如图2.2.1所示：图2.2.1 共集电极电路直流通

10、路估算法求解Q，由图得：VCC=IBRb+VBE+IERe=IBRb+VBE(1+)IBRE IB=VCC-VBERb+(1+)Re VCCRb+(1+)ReQ: IC=IB VCE=VCC-IERe=VCC-ICRe2.3 动态分析低频小信号模型法求解AV,Ri,Ro 有 rbe=200+1+26mV/IE图2.3.1是放大电路的交流通路。图2.3.1 交流通路图2.3.1 交流通路 2.3.1 电压放大倍数AV=VoViVi=IBrbe+(1+)IBReRL =IBrbe+(1+)ReRLVO=(1+) IBReRLAV=VoVi=(1+) ReRLrbe+(1+)ReRL一般(1+) R

11、eRLrbe，所以共集电极电路的电压放大倍数接近1，而略小于1，而且放大倍数为正，说明它的输入电压和输出电压是相同的，因此共集电极电路常被称为射极跟随器，它的输出电压的大小和相位跟随输入电压变化，具有电压跟随作用。2.3.2 输入电阻和输出电阻（1） 输入电阻Ri=Rbrbe+(1+)ReRL共集电极电路的输入电阻为105106量级，而基本共射极输入电阻约为103量级。所以与基本共射极放大电路比较，射极跟随器的输入电阻比较高。（2）输出电阻Ro=rbe+RsRL1+Re输出电阻很低，仅有十几欧到几十欧；若想进一步降低输出电阻，应选较大的三极管。综上所述，射极跟随器的特点是：电压放大倍数小于1，

12、而略等于1；输出电压与输入电压同相；输入电阻高，输出电阻低。鉴于共集电极电路具有以上的优点，它在实际中得到广泛的应用：由于其输入电阻高，说明该放大器向信号源索取信号电压能力强，同时放大器对信号源索取的电流较小，说明发射极跟随器用作多级放大器的输入级，可以提高测量的精度。由于其输出电阻低，说明放大器带负载的能力强，所以射极跟随器常常用在多级放大器的输出级，以提高放大器的负载能力。由于它同时具备输入电阻大输出电阻小的特点，它可以用作多级放大器的隔离级，实现阻抗变换，如对于多级放大器前后级匹配不当的电路，直接相接将大大影响其电压放大倍数，如果在这两级放大电路的中间加上一级射极跟随器，由于它的电阻高，

13、在于前级电路相连后，使前级放大倍数提高；由于它的输出电阻很低，在与后极电路相连后，使后极电路的电压放大倍数提高。虽然它不具备电压放大作用，但它具有电流放大作用，以及功率放大作用。3差分放大电路工作原理及其分析在直接耦合的多级放大器中，如果输入级存在零点漂移的问题，该信号经过中间放大机的输出级放大后，如果其大小达到可以和有效信号相比的程度，将会导致输出信号无效。所以对于直接耦合多级放大器的输入级而言，一个重要的任务就是要抑制零点漂移。抑制零点漂移可以由差分放大电路实现。差分放大电路的基本原理图如图3.1：图3.1 射极偏置差分放大电路原理图3.1基本差分放大电路交流性能指标分析由于实际需要，差分

14、电路不仅可以两端同时输入，还可以一端接地，构成单端输入，输出时也可以从一端输出，这样差分放大电路有四种连接方式：双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出以及单端输入单端输出。本设计我选用单端输入单端输出的方式。电路图如图3.1.1所示。图3.1.1 单端输入单端输出差分电路输入分解为差模信号和共模信号的线性叠加单端输入是，vi1=vi vi2=0,则电路输入可分解为差模信号和共模信号，分别为vid=vi1-vi2=vi vic=vi1+vi22=vi2 这样就可以采用双端输入的分析方法进行分析，然后进行叠加，总的输出电压为：vo=AVDvid+AVcvic=AVDvi+AVCvi2

15、单端输出 单端输出时，可以类似双入单出情况分析。和单入单出情况一样，输入电阻Ri2rbe 输出电阻为：Ro=Rc 差模电压放大倍数为：AVD=vodvid=-RcRL2rbe 共模电压放大倍数为：AVC=vocvic=-RcRLrbe+2(1+)Re 输出电压为：vo=AVDvid+AVCvic=-12RcRLrbevi+-12RcRLrbe+21+Re vi 共模抑制比为：KCMR=rbe+2(1+)Re2rbe在设计中，采用了一个恒流源来代替Re来提供恒定的电流。恒流源电路图如下图3.1.2所示:图3.1.2 恒流源原理图该恒流源为带缓冲级的镜像恒流源。由于Q3、Q4、Q5参数相同，Q3与

16、Q4基极互连，因此有：IB3=IB4=IB IC3=IC4IB5=2IB1+=2IC31+由IC3=IR1-IB5,可得：IC3=IC4=11+21+IR1IR1得到恒定电流的目的。从共模抑制比的表达式来看，Re越大抑制共模信号的能力越强。但由于电阻不能无限增加，且集成电路不适合制作大电阻，因而可以采用恒流源替代Re。恒流源的等效交流电阻很大且利于集成电路制作，理想恒流源的等效内阻为无穷大，可以认为单端输出时的共模电压放大倍数为0。如果从另一方面来说，恒流源可以是电路的发射极电流恒定，从而也保证了Q点的稳定。4 总原理图分析及仿真4.1 原理图及其分析 将差分放大电路和射极跟随器连通，从而抑制

17、由温度、噪声以及环境的变化引入系统电路的共模信号，仿制信号在放大过程中产生失真，从而起到抗干扰的作用。电路的总原理图如图4.1所示： 图4.1 抗干扰射极跟随器总原理图差分放大电路通过一个电容与后极的射极跟随器相连，将抑制共模信号后的信号给射极跟随器，从而大大的减小了温度、噪声以及环境的变化引入系统电路的共模干扰信号。4.2 仿真通过对原理图进行仿真，输入信号和射极跟随器得到的信号仿真如下图所示： 图4.2.2 输出信号5 ALTIMU DESIGNER 及PCB图的绘制5.1 altium designer介绍Altium designer是一款集电路仿真、电路图的绘制、PCB图的设计于一体

18、的仿真软件，它继承了protel的良好性能，增加了一些新的功能，是很适合我们绘制PCB图的工具。利用Altium designer绘制PCB图要由原理图生成。在Altium designer中绘制原理图如下： 图5.1.1 电路总原理图5.2 PCB图的绘制由上面的原理图经过编译后，在让其在PCB编辑器中生效，便得到散乱分布的电路元件图，手动调整好元件的位置后，让软件自动生成PCB图，得到如下信息： 图5.2.1 布线信息图通过上面的信息图可以看出，各元器件间电气连接没有问题，PCB图生成正确。经过自己调整元器件位置，自动布线后，得到如下的PCB图： 图5.2.2 电路的PCB图6 心得体会本

19、次课程设计是设计晶体管电路，自己选择电路设计的内容，我选择的是射极跟随器，主要目的是学习三极管电路的设计，涉及到了差分放大电路、恒流源以及射极跟随器的设计。通过查资料，才了解到先要计算好各电阻的值，再根据各三极管电容的作用选定了各种元器件的型号，画出电路图，慢慢变得简单。同样，在这次课程设计中也遇到了不少问题，首先电路的设计，查阅了不少资料，学习到了各种类似的电路的设计方法；其次是电路的焊接，在焊完元件后检查了一遍，便开始调试，发现实物和仿真有一定的差距，仿真太过理想化，实物会遇到各种仿真中没有的问题，我通过不断地总结和摸索，最终完成了自己的实物调试。经过这次课程设计，让我对前面的路有了更多的

20、信心，因为在这个过程中，我学到了不少实用的东西，对于晶体管电路有了更深层次的掌握，并且提高了独立解决问题的能力。虽然这次课程设计中我对电路进行了仿真，进一步熟悉了Multisim软件的使用，对建立文件、绘制电路图、对其进行仿真等一系列过程都更加熟练，并且认真的对电路的每一部分进行了修正，但最后出来的波形还是不很稳定。我们在学习理论知识的同时还要努力培养自己的动手操作能力，对于通信工程的我们更是如此，通过这次课程设计我也看到了自己的差距，今后会努力提高自己的动手操作能力，以求真正领会各种专业知识，为将来的工作打下良好的基础。参考文献1吴友宇，伍时和，凌玲模拟电子技术基础北京：清华大学出版社，20

21、09.4.2 周南生. 晶体管电路设计与制作.科学出版社，2006.8.3 周南生. 晶体管电路设计.北京：科学出版社，2004.9.4 邱关源电路（第四版）高等教育出版社，1999.45姚福安. 电子电路设计与实践. 山东 ：山东科学技术出版社，2003.12.6姜威. 实用电子系统设计基础. 北京 ：北京理工大学出版社，2008.1.附录I 元件清单名称序号型号参数数量电阻R15.1K1电阻R210K1电阻R310K1电阻R41001电阻R51001电阻R730K1电阻R820K1电阻R910K1电容C14.7uF1电容C24.7uF1三极管Q12N2219A1三极管Q22N2219A1三

22、极管Q32N2219A1三极管Q42N2219A1三极管Q52N2219A1三极管Q62N2219A1本科生课程设计成绩评定表姓 名包国强性 别 男专业、班级电子科学与技术0802课程设计题目： 抗干扰射极跟随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ut2ApOdfXXc02GyBKsKCWw97MrqqWhoj5TL15Zt6jIPYytYCummtARp3v1N5luizi3xh3BhWYreKO8d9g7nmZQoWPJeTLDrw08gVS8DsDQQYGC3cE7moO2tLF0Jf1gK74IUXyBmt

23、IVR97CkrfVqULT5fn2t6MpJR6rbzVPSortZvIj5NB5ndVvSr4iWr1TwLFKgLSPzuhRjQ3CmZU98eUOuijdLSZqPmvrw9zKupxf8WFUG9l2G9277g2rTipa1YpCZEuqxpKBhtVDCooQOzxUz3vJrZmOcijyM62zchmeooTYes8EBMm932tbz2Yo09RtsZEYS8Zrd2Yktj8l6jEAzVAjnfbtryLvsm6oFbfToXVRFFn7OwIYgJlamkUNXJYbz5Rrb7r4VsuR9zpfZFMfsjhcfCA37lNW2VVLRKN7R8psz1BN6o

24、Ric5hU5Z6HCxAYqyNPOG8duYbAwqSl20CSg06Dh2sM8HLtgPkIcSkrgOPDpuHBj1LmPk7lYdvC6NNMwL3fwhZFTFVYAARY7lHSSxJ10V3pH3Y19BxYR77Ib7CpZSu2tijqe3hKqkKAu9KSkCpHKXUIKvvyJZpg2YijRkqfbGgOvyqKuxNWI9oMnJtt6QilZxtyrF7d20FbmabcfiixrQKUsVNXBPPFUXyQ1fJSKFSUbkgs2DUVQC9sz4JkbgN4Qqv66pyoARjurNFJ3TxyfclZiEePtwFJthphEipDFNqnR2

25、HjQKV2DzWtMPDJQkBcXmovdsjqCTJagjMdLsKPgaD2s0H0vmZGAHt36gyUEZ7UmANk1ndREuBeqdgrx0venqGnsyIB2ilq3SIQrNL4m56t7Z8Y8da5K0KUpn5Nzg4JvjdtfFHyt82AoGQkXo4VBLmLEiy2P7HtHBho07rCfttxodYDPPdtQsO7wxD0J6fKKlGm4woDzplhtRr2XgqN13hqy59zU1GegDyQniHNTaVSieueFQcYfUCJwd3vk5I7YKmhunDmIZ ut2ApOdfXXc02GyBKsKCWw97MrqqWhoj5TL

26、15Zt6jIPYytYCummtARp3v1N5luizi3xh3BhWYreKO8d9g7nmZQoWPJeTLDrw08gVS8DsDQQYGC3cE7moO2tLF0Jf1gK74IUXyBmtIVR97CkrfVqULT5fn2t6MpJR6rbzVPSortZvIj5NB5ndVvSr4iWr1TwLFKgLSPzuhRjQ3CmZU98eUOuijdLSZqPmvrw9zKupxf8WFUG9l2G9277g2rTipa1YpCZEuqxpKBhtVDCooQOzxUz3vJrZmOcijyM62zchmeooTYes8EBMm932tbz2Yo09RtsZEYS8Zrd2Ykt

27、j8l6jEAzVAjnfbtryLvsm6oFbfToXVRFFn7OwIYgJlamkUNXJYbz5Rrb7r4VsuR9zpfZFMfsjhcfCA37lNW2VVLRKN7R8psz1BN6oRic5hU5Z6HCxAYqyNPOG8duYbAwqSl20CSg06Dh2sM8HLtgPkIcSkrgOPDpuHBj1LmPk7lYdvC6NNMwL3fwhZFTFVYAARY7lHSSxJ10V3pH3Y19BxYR77Ib7CpZSu2tijqe3hKqkKAu9KSkCpHKXUIKvvyJZpg2YijRkqfbGgOvyqKuxNWI9oMnJtt6QilZxtyrF7d2

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