《晶体管器件》课程设计说明书差动放大器设计

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1、目 录摘 要IAbstractII1 绪论12 设计原理及分析22.1 差动放大电路设计22.1.1 射极偏置差动放大电路22.1.2 基本差动放大器指标分析32.2 改进的差动放大电路62.2.1带恒流源的差动放大器62.2.1带恒流源差动放大器的优点72.3 差动放大电路的渥尔曼化72.3.1 渥尔曼电路原理72.3.2 渥尔曼自举电路优点83 总体电路分析与设计103.1方案选择103.2 电流镜像负载的优点103.3 元件选择分析114 设计结果及仿真134.1 电路设计的仿真134.2 电路实物图144.3 电路调试输出波形图155 电路PCB板的设计166 设计小结与体会18参考文

2、献19附录20武汉理工大学晶体管器件课程设计说明书摘 要在放大电路中，为了满足实际应用的要求，常常将多个单级的放大电路串联起来得到更大放大倍数的多级放大器。多级放大器电路中各级之间的耦合方式对电路的整个电路都存在一定的影响。在直接耦合的多级放大器中，由于输入级零点漂移的影响，输出信号的检测会受到影响，所以，通常采用差动放大电路，利用特性相同的对管，从而抑制零点漂移。本次设计中，在差动放大电路的基础上，将电路渥尔曼化，保证电路具有较大的共模抑制比，将电流镜像电路作为有源负载，保证电路具有较大的增益。本次设计的基础模块为由NPN三极管2N3904组成的差动放大电路，能够完成差模信号的放大。在差动电

3、路的基础上，连接由稳压二极管和三极管组成的渥尔曼自举电路，使电路具有较稳定的工作状态，且具有良好的抑制共模信号的能力，从而提高了电路的共模抑制比。在此基础上，加上由PNP三极管s8550组成的镜像电流电路作为有源负载，使输出电路具有较大的负载电阻，保证电路具有较大的增益。关键字：差分放大器，电流镜像电路，渥尔曼自举电路，稳压二极管。AbstractIn the amplifier circuit, in order to meet the requirements of practical application, often will DuoGe single stage amplifier

4、 circuit series up get more magnification multi-level amplifier. Multi-level amplifier circuit at all levels of the coupling between the circuit of the circuit of the way there are certain effect. In the multi-level amplifier directly coupled, due to the influence of the input level zero drift, the

5、output signal detection will be affected, so, usually by differential amplifier circuit, use the same characteristics of tube, thus inhibiting zero drift.This design, in differential amplifier circuit, and on the basis of wallman circuit, ensure the circuit has large common mode rejection ratio, wil

6、l current mirror circuit as a active load, ensure that has great gain circuit. The design on the basis of the module of 2 N3904 NPN transistor amplifier circuit differential, can perform differential mode signal amplifier. In the differential circuit, and on the basis of the diode and triode connect

7、ed voltage of wallman circuit from an, the circuit has a stable work of the state, and has good inhibit the ability of common mode signal, so as to increase the circuit of common mode rejection ratio. On this basis, by the PNP transistor s8550 composition and the mirror current circuit as active loa

8、d, to make the output circuit has a larger load resistance, ensure that has great gain circuit.Key word: differential amplifiers, current mirror circuit, wallman circuit voltage, since for the diodes.II武汉理工大学晶体管器件课程设计说明书1 绪论差动放大器的用途广泛，通常用在直流放大器和测量放大器、高频放大器、模拟乘法器等方面。虽然在电子电路中见到的次数少了，但差动放大器以IC的形式进行了改装，

9、在OP放大器、测量用直流放大器、无线电设备的IF放大用IC以及模拟乘法器IC中是非常流行的，差动放大器是连接晶体管和IC电路的桥梁，所以研究以及设计差动放大电路显得很有必要。在直接耦合的多级放大器中，如果输入级存在零点漂移信号，该信号经过中间放大级和输出级放大后，如果其大小达到可以和有效信号比拟的程度，则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来说，一个重要的任务就是能抑制零点漂移，另一个重要任务就是能够放大差模信号，差动放大器正是能够实现这一功能的组合电路。设计具有稳定工作状态和良好频率特性的差动放大电路时差动放大设计的关键，也是本次设计的重点，本次设计在掌握了差动放大电路原理

10、及工作状态分析的基础上，结合自举渥尔曼电路的优点，合理运用稳压二极管，使电路具有稳定的工作状态。在此基础上加上镜像恒流电路，使电路具有较大的有源负载，使输出具有较大的增益，完成了要求的设计。2 设计原理及分析2.1 差动放大电路设计2.1.1 射极偏置差动放大电路射极偏置差动放大电路如图2.1所示，其中三极管Tr1管和Tr2管特性完全相同。每个三极管都构成了共射极电路，且参数完全对称。电路从两个输入端输入信号，输出为两个晶体管的集电极电位之差。电路采用了正负双电源，负电源保证晶体管发射结的正向导通，使三极管能够正常放大；Re电阻接在两个三极管的发射极，具有负反馈作用，能够稳定Q点，因此具有减小

11、每一边电路零点漂移的作用。 图2.1射极偏置差动放大器原理图输入差模信号时，电路的输出电压为电路两个三极管集电极电位变化的2倍，差动电路对差模信号具有放大作用；输入共模信号时，电路输出为零，电路对共模信号具有抑制作用。差模信号放大倍数为 （2-1）共模信号放大倍数为 （2-2）共模抑制比的定义为 （2-3）实际的差动放大电路不一定能够完全抑制共模信号，所以较理想的差动放大电路的共模抑制比KCMR越大越好。2.1.2 基本差动放大器指标分析差动放大器不仅可以从两端同时输入，还可以一端接地，构成单端输入，输出也有双端输出和单端输出两种方式，则差动放大器可以有四种连接方式：双端输入双端输出，双端输入

12、单端输出，单端输入双端输出，单端输入单端输出6。a.双入双出的交流通路如图2.2所示，电路的输入电阻为，电路的输出电阻为，输入电阻和输出电阻为单管共射极电路的两倍。图2.2双入双出交流通路原理图电路输入共模信号时共模输出电压，因此共模电压放大倍数，电路对共模信号无放大作用。共模抑制比为，电路处于理想工作状态。b.双入单出的差模交流通路如图2.3所示，电路的输入电阻为，输出电阻为。 图2.3双入单出交流通路原理图单端输出时，共模电压输出信号为一端集电极对地电位，因而不为0。共模电压放大倍数为 （2-4）由此可见，双入单出时共模电压倍数不为0，由于Re的存在，同样具有较强的共模信号抑制能力。共模抑

13、制比为 （2-5）c.单入双出的交流通路如图2.4所示，可认为Re所在支路交流开路。输入电阻为，输出电阻为。2.4单入双出交流通路原理图差模电压放大倍数为 （2-6）差模电压放大倍数为 （2-7）输出电压为 （2-8）共模抑制比为d.单入单出的交流通路如图2.5所示，输入电阻为，输出电阻为。2.5 单入单出交流通路原理图差模电压放大倍数为 (2-9)共模电压放大倍数为 (2-10)共模抑制比为 (2-11)2.2 改进的差动放大电路2.2.1带恒流源的差动放大器 带恒流源的差动放大器如图2.6所示图2.6 带恒流源的差动放大电路原理图2.2.1带恒流源差动放大器的优点从单端输出的共模抑制比的表

14、达式来看，Re越大抑制共模信号的能力越强；但由于集成电路中不能制作大电阻的限制，可以考虑采用恒流源代替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。而且，恒流源保证了电路发射极电流的恒定，从而保证了Q点的稳定。所以差动放大器应设计为发射极电流恒定的电路，从而保证电路具有良好的特性。2.3 差动放大电路的渥尔曼化2.3.1 渥尔曼电路原理为了保证电路具有良好的频率特性，在频率较低或较高时电路输出放大倍数改变不大，通常会采用共基极放大电路。然而，在保证较好的频率特性时却使输入电阻降低，因而使共基极电路的使用变得困难。而渥尔曼电

15、路正好可以解决这个难题3。渥尔曼电路的原理图如图2.7所示，差动放大器可以看成共发射极电路的一种，将该电路与共基极电路组合就能够进行渥尔曼化，从而使电路输入的同相信号的振幅被限制了。 2.7 渥尔曼电路图分析Tr1的集电极交流信号和直流信号可知，当输入为直流信号时，Tr1集电极输出信号几乎没有改变，即Tr3对直流信号没有影响；当输入为交流信号时，Tr1集电极输出信号几乎为0，可认为集电极接地，集电极电阻为0，所以增益为0。即保证了Tr1管不产生交流成分，从而保证电路输出的稳定；渥尔曼电路与单个共发射极电路相比，输入阻抗可以提到很高。渥尔曼电路的另一个有点就是不产生密勒效应，因此对输入端电容没有

16、影响，从而保证电路频率特性不变化。2.3.2 渥尔曼自举电路优点在Tr3基极和Tr1发射极之间接上一个稳压二极管，稳压二极管阳极接Tr1发射极，阴极接Tr3基极。渥尔曼自举电路如图2.8所示。2.8 渥尔曼自举电路若不接稳压二极管，当输入信号时Tr1发射极电位会发生变化，而Tr1集电极电位因为被Tr3的发射极固定在一个确定的值上，从而使Tr1的集电极-发射极间电压随随输入信号而经常变化，从而使晶体管的工作点也经常变化，造成等效的电容和hfe经常变化4。加入稳压二极管后，Tr1管的集电极-发射极间电压就能保持在一定值上，这样在有输入信号的情况下，Tr1和Tr2管的发射极-集电极间电压Vce也不会

17、发生变化，使电路工作稳定3。3 总体电路分析与设计3.1方案选择由已经介绍的差动放大器的原理及分析，结合渥尔曼自举电路的优点，设计出自举化渥尔曼镜像恒流差动放大器。总电路图如图3.1所示。 图3.1 总电路图由图可知，本次设计共射极恒流源是用晶体管偏置实现的，这里为了确保射极恒流源的稳定，在Tr5的基极和发射极之连接了一个稳压二极管，从而保证Tr5射极电阻R3两端电压恒定，从而保证了共射极电流的恒定。3.2 电流镜像负载的优点从图3.1可看出，本次设计还采用了电流镜像作为负载。所谓电流镜像电路是一种恒流电路，将它作为放大电路的负载使用，就能提高电路的增益6。在该电路中，假设Tr6和Tr7的电特

18、性完全相同，由于基极之间是相连接的，所以各自的发射极电阻的压降相同，为 (3-1)进而设R5=R6，则由上述关系得到I1=I2.就是说，该电路在两个电路上流动的电流以相同的值进行工作。然而，在差动放大电路的情况下，两个共发射极电路的发射极紧挨着，并在此连接上恒流源。因此两电路的发射极电流之和为恒定值。在差动放大器的负载上接上电流镜像电路，会使两个电路上流动着相等的电流工作。所以可以认为电流镜像电路是设定值具有恒流源设定值1/2的一种恒流电路。恒流电路的阻抗在理论上是无穷大，所以电流镜像电路加到差动放大电路的集电极上，就如同与接在阻抗为无穷大的负载电阻一样，电路的增益变得非常大。3.3 元件选择

19、分析（1）晶体管的选择：a.选用NPN型晶体管，虽然PNP型晶体管和FET也能够组成差动放大电路，如果使用FET，就能提高输入阻抗，但电路的增益不能做得太大，这是其缺点，所以选用NPN型晶体管1。b.Tr1管和Tr2管应选择特性相同的晶体管，这样温度漂移就对两管产生相同的影响，从而使电路输出不发生变化，温度漂移被抑制掉，所以选用同一型号的晶体管。c.Tr3管和Tr4管是对电路渥尔曼化地晶体管，因为要保证对Tr1管和Tr2管的集电极电位没有影响，所以Tr3和Tr4也选用型号相同的晶体管。d对作为恒流源的晶体管Tr5要求不高，只要能够保证电流的恒定即可，这里选用与Tr1型号相同的晶体管。e.电流镜

20、像电路中的晶体管Tr6和Tr7的选择要考虑到所接正电源和电路中电流流向，所以应该选与其他晶体管不同类型的PNP型晶体管。（2）Tr5的射极电阻R3的阻值的选取:因为Tr1和Tr2的集电极电流分别为1mA，如果忽略基极电流，则集电极电流等于发射极电流，因此恒流电路的电流必须设定为2mA。Tr5的基极电流可忽略，在R3上流过的电流必须比基极电流大十倍以上，若hfe为100，则Tr3的基极电流为0.02mA，所以在R3上流过的电流为0.2mA ,从而确定R3阻值。 (3-2)（3）Tr1和Tr2基极电阻R1和R2的选取：R1和R2不仅决定输入阻抗，而且兼有将Tr1和Tr2的基极电位偏置在0V的偏置电

21、路作用。由设计规格可知，输入阻抗必须为10K欧姆，所以R1和R2毫无疑问地取10K欧姆，并且在单端输入时，为了保证输入阻抗平衡，使输出端不出现补偿电压，则未使用的输入端输入阻抗应与另一端保持一致。（4）电流镜像电路射极电阻R5和R6的选取：在差动放大器的负载上接上电流镜像电路，则两个电路上流动着相等的电流工作。Tr6和Tr7的电特性完全相同，由于基极之间是相连接的，所以各自的发射极电阻的压降相同，为4.7V，因为，所以。（5）稳压管上端电阻R7、R8的选取：考虑到稳压管电流对Tr3和Tr4的基极电流和恒流源电流的影响稳压二极管的电流设定在Tr3和Tr4的发射极电流的1/10即可，所以。稳压管阴

22、极上电位在2.6V左右，故 (3-3)R8的选取原则与R7一样，这里因为D2管上端的电压在3.3V，故。（6）电容的选取：C5和C6是切去集电极的直流电位，仅取出交流成分的耦合电容，这里取C1和C2都为10uF。C1C4是为了减少电源阻抗用的耦合电容，由于使用了正负电源，有必要将各自的电源分别接地，这里取C1=C3=10uF，C2=C4=0.1uF。 4 设计结果及仿真4.1 电路设计的仿真在本次设计中，基于差动放大电路的知识和渥尔曼自举电路的知识，设计了电路的基本电路，结合平时使用的电路仿真软件multisim的强大功能，进行了仿真和调试，使电路具有更小的失真，和更大的带载能力。当输入差模信

23、号幅值为50mV，频率为1kHz的信号时，电路输出波形如图4.1所示。 图4.1 差模信号仿真输出波形图如图4.1，在输出端接500欧姆电阻，用软件中的示波器观察到输出信号电压幅值近似为1V，说明电路对差模信号的电压放大倍数为20倍。当输入共模信号，即在两输入端同时输入电压幅值为50mV，频率为1kHz的正弦波信号，电路输出波形如图4.2所示。图4.2 共模信号仿真输出波形图如图4.2所示，在输入共模信号的情况下，电路的输出端几乎无信号，即电路对共模信号具有抑制作用。4.2 电路实物图本次设计的电路实物如图4.3所示 图4.3 电路实物图4.3 电路调试输出波形图本次设计的电路经过细心调试后，

24、能够得到较稳定的，输出失真很小的输出波形图。当输入差模信号，即电压幅值为50mV，频率为1kHz的正弦信号时，输出为电压幅值为1.2V，频率问1kHz的正弦信号，如图4.4所示。 图4.4差模信号调试波形图当输入共模信号，即3两输入端同时输入电压幅值为50mV，频率为1kHz的正弦信号时，输出信号几乎为0 ,如图4.5所示。图4.5 共模信号调试波形图5 电路PCB板的设计在本次设计的PCB板绘制模块，使用了常用的电路图绘制工具Protel绘图软件，PCB板设计步骤如下（1）打开Protel99se软件，新建设计文件，在文件中选择Schematic Document即原理图文件，就建立了一个原

25、理图文件，然后打开原理图绘制界面，添加元件，布局，连线。（2）在生成网络表之前，要对元件的属性和封装进行修改和设置，检查电气规则，无错后点击Design，在下拉菜单中选择Creat Netlist，即生成该原理图的网络表，在网络表中会提示管脚的连接关系5。（3）在新建文件中选择PCB Document文件，就建立了一个PCB文件，打开PCB板设计界面。点击Design，在其下拉菜单中选择Netlist，在出现的添加网络表界面中选择已经生成的原理图网络表。在窗口的下方会提示管脚连接是否出错，是否有未连接的管脚，通过返回修改直至无错误，然后点击Execute，则原理图中相应的元件都被导入PCB文件

26、了5。（4）刚导入的元件都是堆积在一起的，这时要先将各个元件拖开，将电路布成与原理图一样的布局，各管脚间是通过飞线相连的。元件布局完后，点击Auto Route，在下拉菜单中选择All，在出现的窗口中选择Route All，则电路PCB板基本完成。如果想改变线宽，在线的属性窗口中改变Width的值，然后再全局化，则整个PCB板的线宽都被改变。本次设计的PCB板图如图5.1所示。 图5.1 电路的PCB板图6 设计小结与体会在这次晶体管电路设计中，我对晶体管有了更深刻的认识，从了解它的放大性能到掌握如何运用它的放大能力来达到放大电路设计的目的。在这次设计中，基础模块是差动放大电路的设计，在设定的

27、条件下，完成电路元件的选择。在此基础上加上电流镜像电路和渥尔曼自举电路，使电路实现了较大的增益和稳定的工作状态。本次设计的难点是稳压二极管的选择，由于开始设计时分析不到位，使电路没有满足二极管稳压的工作状态，导致输出波形失真，经过计算分析和调试后选择了1N4728A稳压二极管，达到了输出不失真的效果。通过这次设计，我收获了很多模拟电路的知识，在电路调试方面也有一定的进步。同时也从同学的设计过程中体会到学习交流的重要性。参考文献1邱关源主编：电路（第四版），高等教育出版社，1999年。2童诗白主编：模拟电子技术基础（第三版），高等教育出版社，2001年。3铃木雅臣主编：晶体管电路设计（第一版），科学出版社，2004年。4周南生主编：晶体管电路设计与制作，科学出版社，2006年8月。5曹炳霞主编：Protel 99 SE原理图与PCB设计，电子工业出版社，2007年5月。6吴友宇主编：模拟电子技术基础（第一版），清华大学出版社，2009年。附录元件器件明细NPN三极管2N39045个PNP三极管s85502个稳压二极管1N4728A2个电解电容10uF4个瓷片电容0.1uF2个电阻10k2个电阻150k1个电阻130k1个电阻4.7k2个电阻1.2k1个电阻500欧2个20