《晶体管器件》课程设计说明书-差动放大器设计.doc
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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
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