电路、信号与系统课程设计.doc

19 目录第一章 绪论.2第二章 放大电路的基本概念.32.1放大电路的概念.32.2放大电路的组成.42.3放大电路的放大倍数.62.4放大电路的放大条件.7第三章 放大电路的工作原理.8第四章 总体方案设计.114.1电路图设计.114.2仿真与分析.124.3调试与结果.14第五章 总结与展望.15第六章 致谢.16第七章 参考文献.17第一章 绪论 晶体管放大电路的放大本质是能量的控制和转换，是在输入微弱信号的作用下，通过放大电路将直流电源的能量转换成负载所获得的能量，使负载从电源获得的能量大于信号源所提供的能量，最终达到某种要求。现在的放大电路在我们的生活中随处可见，例如，收音机和电视机就是将天线接收到的微弱信号经过多重处理和放大，最终使输出音频信号和视频信号的能量或幅值达到一定程度，从而驱动扬声器和显像管。电子电路放大的基本特征是功率放大，即负载上总是获得比输入信号大得多的电压或电流。这样，在放大电路中必须存在能够控制能量的元件，即有源元件，如三极管和场效应管等。放大电路是电子设备中最普遍的单元之一，放大电路简单地说就是增加电信号幅度或功率的电子电路。应用放大电路实现放大的装置称为放大器。它的核心是电子有源器件，如电子管、晶体管等。为了实现放大，必须给放大器提供能量。常用的能源是直流电源，但有的放大器也利用高频电源作为泵浦源。放大作用的实质是把电源的能量转移给输出信号。输入信号的作用是控制这种转移，使放大器输出信号的变化重复或反映输入信号的变化。现代电子系统中，电信号的产生、发送、接收、变换和处理，几乎都以放大电路为基础。第二章 放大电路的基本概念2.1放大电路的基本概念 所谓放大就是从表面上看是将信号由小变大，实质上，放大的过程是实现能量转换的过程，由于在电子线路中输入信号往往很小，他所提供的能量不能直接驱动负载工作，因此需要另一个新电源，由能量较小的输入信号控制这个能源，经三极管放大使之求驱动负载工作。这种小能量对大能量的控制作用就是放大作用。三极管只是一种能量控制元件，而不是能源。三极管有三个极，三极管对小信号实现放大作用在电路中有三种不同的连接方式（即三种组态），即共发射极接法、共集电极接法和共基极接法。这三种接法分别以发射极、集电极、基极作为输入回路和输出回路的公共端，从而构成不同的放大电路。 共射极组态 共集电极组态共基极组态2.2 放大电路的组成晶体管放大电路由共射极、共基极、共集电极三种组态的放大电路。基本共射放大电路如下图所示：该电路以双极型NPN三极管作为放大器件，电路中待放大的信号Ui通过耦合电容C1从三极管的基极输入；放大后的信号通过电容C2的耦合输送到负载RL,从电阻上可得到输出电压U0。由于三极管的发射极作为输入和输出的公共端，因此该电路被称为单管共射放大电路。该电路组成元件有：三极管、电容、输出负载RL及偏置电路。电路中各元件的作用：（1） 三极管三极管是电路的核心元件，利用其集电极电流与基极电流之间的ic=Bib的关系，使输入端一个很小的变化量能在输出端引起一个较大的变化量，从而实现放大作用。在负载上得到的幅值较大的信号变化规律是由输入信号决定的，而其能量是由直流电流提供的，放大电路在此仅实现能量的控制作用，三极管只是一个电流控制元件，整个电路保持能量守恒。（2） 集电极电源VCCVCC是整个放大电路的能源。它使集电结处于反向偏置，这是三极管具有放大作用的必要条件；同时他还向负载提供能量。VCC通常为几伏到几十伏。（3） 基极电阻RBRB为三极管基极提供合适的正向偏流，既保证三极管工作在线性放大区，又有合适的工作点。RB一般为几十千欧到几百千欧。RB、VCC和三极管的基极、发射极共同组成输入回路。（4） 集电极电阻RCRC可将集电结提供合适的偏置电压，并将集电极电流的变化变换为电压UCE的变化，以实现电压放大，RC一般为几千欧到几十千欧。VCC、RC和三极管的集电极、发射极组成输出回路。（5） 耦合电容C1和C2C1和C2分别接在输入端和输出端，一方面利用它来隔断直流，其中C1用来隔断放大电路与信号源之间的直流通路，而C2则用来隔断放大电路与负载之间的直流通路。另一方面，又起到交流耦合作用，由于电容对交流信号呈现很小的阻抗，保证交流信号顺利通过，构成信号源、放大电路和负载之间的交流通路。一般要求容抗近视为0，因此电容取值较大，C1、C2通常为点解电容，其值为几微法到几十微法。2.3 放大电路的放大倍数 放大倍数是直接衡量放大电路放大能力的指标，按照放大参量的不同可以分为电压放大、电流放大和功率放大。电压放大倍数：输出电压变化量与输入电压变化量的比值。在测试电压放大倍数时，一般在放大电路的输入端接一个 正弦波电压信号，此时电压放大倍数可以用输出电压与输入电压的正弦量之比来衡量。电流放大倍数：输出电流变化量与输入电流变化量的比值。当输入为正弦波信号时，同理可用输出电流的正弦相量之比来表示。功率放大倍数：放大电路的输出功率与输入功率之比。2.4 放大电路的放大条件（1） 晶体管必须偏置在放大区，发射结正偏，集电结反偏。（2） 正确设置静态工作点，使整个波形处于放大区。（3） 输入回路将变化的电压转化成变化的基极电流。（4） 输出回路将变化的集电极电流转化成变化的集电极电压，经电容滤波只输出交流信号。第三章 放大电路的工作原理以NPN型硅三极管为例，我们把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib;把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流Ic。这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。三极管的放大作用就是:集电极电流受基极电流的控制(假设电源能够提供给集电极足够大的电流的话)，并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系:集电极电流的变化量是基极电流变化量的倍，即电流变化被放大了倍，所以我们把叫做三极管的放大倍数(一般远大于1，例如几十，几百)。如果我们将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式U=R*I可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化。我们将这个电阻上的电压取出来，就得到了放大后的电压信号了。三极管在实际的放大电路中使用时，还需要加合适的偏置电路。这有几个原因: （1）由于三极管BE结的非线性(相当于一个二极管)，基极电流必须在输入电压大到一定程度后才能产生(对于硅管，常取0.7V)。当基极与发射极之间的电压小于0.7V时，基极电流就可以认为是0。但实际中要放大的信号往往远比0.7V要小，如果不加偏置的话，这么小的信号就不足以引起基极电流的改变(因为小于0.7V时，基极电流都是0)。如果我们事先在三极管的基极上加上一个合适的电流(叫做偏置电流，上图中那个电阻Rb就是用来提供这个电流的，所以它被叫做基极偏置电阻)，那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时，小信号就会导致基极电流的变化，而基极电流的变化，就会被放大并在集电极上输出。（2）输出信号范围的要求，如果没有加偏置，那么只有对那些增加的信号放大，而对减小的信号无效(因为没有偏置时集电极电流为0，不能再减小了)。而加上偏置，事先让集电极有一定的电流，当输入的基极电流变小时，集电极电流就可以减小;当输入的基极电流增大时，集电极电流就增大。这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了。（3）三极管的饱和情况。如下图所示，因为受到电阻Rc的限制(Rc是固定值，那么最大电流为U/Rc，其中U为电源电压)，集电极电流是不能无限增加下去的。当基极电流的增大，不能使集电极电流继续增大时，三极管就进入了饱和状态。一般判断三极管是否饱和的准则是:Ib*Ic。进入饱和状态之后，三极管的集电极跟发射极之间的电压将很小，可以理解为一个开关闭合了。这样我们就可以拿三极管来当作开关使用:当基极电流为0时，三极管集电极电流为0(这叫做三极管截止)，相当于开关断开;当基极电流很大，以至于三极管饱和时，相当于开关闭合。如果三极管主要工作在截止和饱和状态，那么这样的三极管我们一般把它叫做开关管。如果把下面这个图中的将电阻Rc换成一个灯泡，那么当基极电流为0时，集电极电流为0，灯泡灭。如果基极电流比较大时(大于流过灯泡的电流除以三极管的放大倍数)，三极管就饱和，相当于开关闭合，灯泡就亮了。由于控制电流只需要比灯泡电流的分之一大一点就行了，所以就可以用一个小电流来控制一个大电流的通断。如果基极电流从0慢慢增加，那么灯泡的亮度也会随着增加(在三极管未饱和之前)。但是在实际使用中要注意，在开关电路中，饱和状态若在深度饱和时会影响其开关速度，饱和电路在基极电流乘放大倍数等于或稍大于集电极电流时是浅度饱和，远大于集电极电流时是深度饱和。因此我们只需要控制其工作在浅度饱和工作状态就可以提高其转换速度。对于PNP型三极管，分析方法类似，不同的地方就是电流方向跟NPN的刚好相反，因此发射极上面那个箭头方向也反了过来-变成朝里的了。第四章 总体方案设计4.1 电路图的设计 这一次我的设计图是参考老师给我们的画出来的，只是在原来的基础上做了一些改进，我把他的一些元器件做了调整，还有结合仿真的示波器对电阻和电容的数值做了调整。 电路利用两个NPN型三极管进行了两次放大，在输入端接一个10uf的电容C1用来隔断放大电路与信号源之间的直流通路，输出端接的电容容抗非常小，起到交流耦合作用，由于电容对交流信号呈现很小的阻抗，保证交流信号顺利通过，构成信号源、放大电路和负载之间的交流通路。其设计的原理图如下： 三极管放大原理图4.2 仿真与分析一开始的时候，函数信号发生器的频率为50Hz,占空比也是50%，振幅是1mvp,对电路图的仿真结果是能起到放大作用，但是放大倍数不恒定，会随着时间发生变化。如下图所示：当时间过一会以后：放大倍数发生了变化，一开始的时候3倍多，现在就1倍左右。4.3 调试与结果把函数信号发生器的频率换成100HZ以后，结果出来了，电路放大了大约200倍，而且波形图也正常，随着时间的变化，放大倍率稳定在200倍。第五章 总结与展望 虽然之前我们就专门的了解过各种的晶体三极管，包括CMOS管，但是这一次老师让自己设计一个基于三极管的二级放大电路还是感觉有点吃力。我们只是粗略的了解了一些三极管的功能及其一些应用，也了解了三极管的放大作用，但是我们知道的只是说三极管能够把电压和电流放大，却不知道他是怎么放大的。他的具体的工作原理还是在这一次的课设中才学习的。经过这一次的课设才明白原来自己认为了解的差不多了的三极管还有这么多未知的等着我们去学，我们学到的永远都只是皮毛，想要好好学的话就一定要自己课后私下多花时间去学习。在接下来的时间里，我一定会总结这一次的学习经验，自主学习，在老师的带领以及自己的不懈努力下学习更多的知识，而且不脱离实践，不断地改进和充实自己，为自己以后的就业打下坚实的基础。第六章 致谢词 这一次三极管的二级放大电路课设真的很有意思，一开始的时候我以为挺简单的，不就是个放大仿真嘛，谁知道做起来还有这么多的小意外。连示波器都不会调，只会傻傻的照着别人的参数去设置，却不知道改变了这些参数会怎样，这些参数又都是干嘛的。是我们和蔼可亲的张老师在耐心的一个一个的给我们看，一个一个的教我们怎么去使用示波器，怎么能够看出来我们的电路放大了没有。在我眼里，我们张老师是最有责任心的，对我们非常好。我会旷课，但从来不会旷她的课，虽然很多时候自己也听不懂，但我还是会耐心的跟着她的节奏走下去。因为我爱戴她，所以尊重她，乖乖听她的话。上她的课学会了不要试着去忽悠老师，知道就是知道，不知道老师还会告诉你。真的很高兴能够遇到你，做你的学生，在这里我想说一句：张老师，你辛苦了，谢谢你对我们的细心辅导，我们一定会努力的。第七章 参考文献（1） 张永瑞,张妮;信号与系统与数字信号处理两课程教学内容的一种整合方案J;电气电子教学学报;2001年01期（2） 罗会昌，周新云。电子技术（电工学2）第三版，北京：机械工业出版社，2004.（3） 胡锦，数字电路与逻辑设计。 第二版，北京：高等教育出版社，2004.（4） 高文焕，模拟电路的计算机设计与分析，第二版 清华大学出版社，2008.（5）高文焕,张尊侨,徐振英. 电子电路实验M.北京:清华大学出版社,2008.（6）张新喜. 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