晶體管課程設(shè)計(jì)報(bào)告---二極管穩(wěn)定工作點(diǎn)的otl功放電路的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)</b></p><p>　　學(xué)生姓名： 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 電 子 0801 </p><p>　　指導(dǎo)教師： 工作單位： 信息工程學(xué)院 </p><p>　　題 目：二極管穩(wěn)定工作點(diǎn)的OTL功放電路的設(shè)計(jì)</p><p><b&g

2、t;　　初始條件：</b></p><p>　　晶體管器件課程設(shè)計(jì)是電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)學(xué)科實(shí)踐性課程，其任務(wù)是使學(xué)生運(yùn)用模擬電路等電路課程中所學(xué)的知識(shí)，利用晶體管等器件，設(shè)計(jì)出一些完成一定功能的電路，并對(duì)電路進(jìn)行分析和調(diào)試。</p><p>　　要求完成的主要任務(wù)： </p><p>　　1.采用晶體管應(yīng)用電路完成一個(gè)小型功率放大器的設(shè)計(jì)；負(fù)載為電阻RL

3、＝8Ω的揚(yáng)聲器時(shí)，輸出功率不小于0.5W，無(wú)明顯失真。</p><p>　　2.利用ORCAD軟件設(shè)計(jì)出電路圖，并對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行模擬與仿真分析。</p><p>　　3. 利用PROTEL軟件繪制該電路的PCB印制電路板圖。要求圖紙繪制清晰、布線合理、符合繪圖規(guī)范。</p><p><b>　　時(shí)間安排：</b></p>&l

4、t;p>　　1．2011年6月10日分班集中，布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)、選題；講解課設(shè)具體實(shí)施計(jì)劃與課程設(shè)計(jì)報(bào)告格式的要求；課設(shè)答疑事項(xiàng)。</p><p>　　2．2011年6月11日 至2010年6月10日完成資料查閱、設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試；完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫(xiě)。</p><p>　　3. 2011年6月25日提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，進(jìn)行課程設(shè)計(jì)驗(yàn)收和答辯。</p><p>

5、　　指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日</p><p>　　系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)，以晶體管為主要元件，旨在設(shè)計(jì)出一個(gè)小型的功率放大器。其基本要求是要在8Ω的揚(yáng)聲器負(fù)載下，輸出至

6、少0.5W的功率。功率放大器的設(shè)計(jì)思路，一般是先對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行電壓放大，這就一般要用到共射極電路；然后再利用射極跟隨器進(jìn)行電流放大，以確保輸出信號(hào)有足夠的功率，這樣的功放用于音頻方能有足夠大的聲音。共射極電路不但有電壓增益，也有電流增益；而射極跟隨器只進(jìn)行電流放大，無(wú)電壓增益。設(shè)計(jì)時(shí)制用ORCAD繪圖軟件，并作模擬仿真。然后，以PROTEL為工具，繪制電路原理圖的PCB板。設(shè)計(jì)仿真完成后，再進(jìn)行硬件的組裝與調(diào)試。</p>

7、<p>　　關(guān)鍵詞：晶體管；功率放大器；ORCAD；PROTEL。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This design, with transistors as the main component, is aimed to design a small power amplifier. The basic re

8、quirement is to output power of 0.5W at least on a 8Ω speaker load. According to the usual power amplifier design ideas, the first step is to do voltage amplification, which generally uses the Grounded-Emitter circuit; a

9、nd then we plan to use emitter follower for current amplification, so as to ensure the output signal has sufficient power, which can provide enough power for the audio sou</p><p>　　KEY WORDS: Transistors；A p

10、ower amplifier；ORCAD；PROTEL.</p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　晶體管的問(wèn)世，無(wú)疑是20世紀(jì)的一項(xiàng)重大發(fā)明，是微電子革命的先聲。晶體管出現(xiàn)后，人們就能用一個(gè)小巧的、功耗低的電子器件，來(lái)代替體積大、功消大的電子管。晶體管的發(fā)明又為后來(lái)集成電路的降生吹響了號(hào)角。</p><p>　　應(yīng)用的需

11、要總是推動(dòng)著技術(shù)的進(jìn)步，隨著計(jì)算機(jī)的普及，人類(lèi)已開(kāi)始進(jìn)入信息化社會(huì)，而且各領(lǐng)域幾乎都是由電子技術(shù)支撐的。計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)字電路技術(shù)，而傳感器和執(zhí)行器等硬件的前端部分使用的則是高精度的模擬電路技術(shù)。數(shù)字電路只需按照理論就可以大體上完成設(shè)計(jì)，但模擬電路的設(shè)計(jì)則不行，必須掌握靠經(jīng)驗(yàn)積累起來(lái)的眾多的專(zhuān)門(mén)技能。為了正確地設(shè)計(jì)一個(gè)性能優(yōu)良的高頻模擬電路和超低頻電路，必須熟悉在電路圖中不能表示出來(lái)的電子元件的配置技術(shù)和各種電路元器件的特性。數(shù)字電

12、路主要利用晶體管的飽和工作特性和截止工作特性，而模擬電路主要利用晶體管的放大特性。</p><p>　　現(xiàn)在集成電路技術(shù)的發(fā)展日新月異，無(wú)論是模擬電路，還是數(shù)字電路，都能集成化。這樣，要在電路中找到單個(gè)的晶體管元件是很困難的。然而，掌握了晶體管的有關(guān)知識(shí)及其使用場(chǎng)合，對(duì)運(yùn)算放大器的認(rèn)識(shí)就會(huì)大不一樣。如此一來(lái)，即使在使用運(yùn)算放大器時(shí)出了不符要求的特性，也能采取對(duì)應(yīng)的舉措。有了對(duì)基本器件的認(rèn)識(shí)，才能深刻地理解器件的工

13、作原理，不但能夠處理相應(yīng)問(wèn)題，即便是設(shè)計(jì)電路時(shí)也會(huì)顯得更加得心應(yīng)手。 </p><p>　　功率放大電路通常作為多級(jí)放大電路的輸出級(jí)。在很多電子設(shè)備中，要求放大電路的輸出級(jí)能夠帶動(dòng)某種負(fù)載，例如驅(qū)動(dòng)儀表，使指針偏轉(zhuǎn)；驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，使之發(fā)聲；或驅(qū)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等?？傊?，要求放大電路有足夠大的輸出功率。這樣的放大電路統(tǒng)稱(chēng)為功率放大電路。</p><p><b>　　2設(shè)計(jì)內(nèi)

14、容及要求</b></p><p><b>　　2.1設(shè)計(jì)目的</b></p><p>　?。?）自擬一個(gè)電子線路的課題，用分立元件（三極管或場(chǎng)效應(yīng)管）來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　?。?）掌握ORCAD操作和使用方法，利用ORCAD軟件設(shè)計(jì)出電路圖，并對(duì)所設(shè)計(jì)電路工作原理進(jìn)行分析。也可以利用其它電路模擬仿真軟件，如Multisim。&

15、lt;/p><p>　　（3）利用ORCAD軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行模擬與仿真分析。根據(jù)分析與模擬結(jié)果修改和優(yōu)化并確定電路結(jié)構(gòu)</p><p>　?。?）利用PROTEL軟件繪制該電路的PCB印制電路板圖。</p><p>　?。?）將自己設(shè)計(jì)的電路制作出實(shí)物。</p><p><b>　　2.2設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p&

16、gt;<p>　?。?）以晶體管為主要器件設(shè)計(jì)一個(gè)小型音頻功率放大器；</p><p>　?。?）電壓增益10倍（20dB）,頻率特性 20Hz—20kHz；</p><p>　?。?）揚(yáng)聲器負(fù)載8，輸出功率0.5W以上；</p><p>　　（4）用ORCAD進(jìn)行仿真分析，PROTEL畫(huà)出PCB板；</p><p>　　（5）

17、做出實(shí)物，完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告。</p><p><b>　　3 功放電路原理</b></p><p>　　3.1 功放的原理框架圖</p><p>　　如圖3.1所示，在功率放大電路中，首先將輸入的信號(hào)進(jìn)行電壓放大得到幅值相對(duì)較大的信號(hào)作為下一級(jí)放大器的輸入；再經(jīng)過(guò)能夠驅(qū)動(dòng)低阻抗負(fù)載的電流緩沖放大器。這是功率放大器設(shè)計(jì)的一般性思維。</p&

18、gt;<p>　　圖3.1 功放原理框圖</p><p>　　制作電壓放大級(jí)，通?？捎霉采錁O這類(lèi)有電壓增益的電路實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橹饕麟妷悍糯螅潆娏鬏^小，可以不考慮散熱問(wèn)題，電壓的放大程度主要取決于放大管的負(fù)載阻抗，一般都很大。而在進(jìn)行電流放大時(shí)，由于電流較大將導(dǎo)致晶體管發(fā)熱，若不及時(shí)處理將可能使晶體管發(fā)生熱擊穿，且溫度升高將使晶體管工作不穩(wěn)定，影響到功放的正常工作。</p><p&

19、gt;<b>　　3.2電壓放大電路</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)采用共射極作為電壓放大電路之構(gòu)成，如圖3.2所示。圖中，在射極接了C4作旁路電容。其結(jié)果是降低此處的交流阻抗，以達(dá)到直流增益不變，提高交流增益的目的。其交流增益為：</p><p>　　從上式可以看出三極管發(fā)射機(jī)電阻越小，集電極的交流信號(hào)放大倍數(shù)越大，圖中做直流偏置的電阻為電阻R4和R5兩電阻之

20、和，而在交流通路中，由于電容C3的交流短路作用，發(fā)射極電阻僅為電阻R5?？芍捎陔娙軨4的作用增大了放大管的放大作用。</p><p>　　圖3.2 共射極放大器</p><p>　　3.3 電流放大電路</p><p>　　本設(shè)計(jì)采取射極跟隨器[1]作電流放大電路，如圖3.3</p><p>　　圖3.3 射極推挽電路</p>

21、<p>　　在上圖中，若忽略三極管的發(fā)射極導(dǎo)通壓降，可知，當(dāng)輸入信號(hào)處于上半周期時(shí)，三極管Q4導(dǎo)通，而三極管Q3截止，此時(shí)輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)Q4放大輸出。當(dāng)輸入信號(hào)處于下半周期中，三極管Q3導(dǎo)通，三極管Q4截止，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)Q3放大輸出。這里輸出的信號(hào)主要是電流信號(hào)，因?yàn)榇朔糯箅娐窞樯錁O跟隨器，不具有電壓放大作用。輸入信號(hào)輪流由兩個(gè)三極管推挽輸出，提高了電源的利用率，增加了輸出功率。但是，由于三極管的發(fā)射極的管壓降是不可忽略的，

22、上述電路的輸出會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的交越失真。可以通過(guò)一定的直流偏置是兩個(gè)三極管處于微導(dǎo)通狀態(tài)。有如下兩種方法解決。</p><p>　　通過(guò)二極管提供偏置來(lái)時(shí)來(lái)時(shí)互補(bǔ)三極管處于微導(dǎo)通狀態(tài)，如圖3.4</p><p>　　圖3.4 二極管穩(wěn)壓推挽電路</p><p>　　如上圖可以看出兩只二極管的壓降差不多達(dá)到1.4伏，基本滿(mǎn)足三極管微導(dǎo)通的條件，但由于電阻R11和R12的

23、影響，還是會(huì)有一定的交越是真。當(dāng)負(fù)載取出較大的電流時(shí)，集電極的電流過(guò)大將導(dǎo)致晶體管升溫。由于VBE的負(fù)溫度系數(shù)的存在，使得VBE隨著溫度升高而減小，而二極管的壓降一定，認(rèn)為不變，使得基、射極之間的電壓高于VBE，這樣迫使基極電流增大，從而集電極電流進(jìn)一步增大，如是循環(huán)，其結(jié)果是溫度不斷攀升，最終三極管將會(huì)被熱擊穿。</p><p>　　另一種方法是通過(guò)三極管電路來(lái)使推挽管處于微導(dǎo)通狀態(tài)，也就是所謂的擴(kuò)大電路。如圖

24、3.5所示擴(kuò)大電路[5]。</p><p><b>　　圖3.5 擴(kuò)大電路</b></p><p>　　在兩三極管射極間加兩個(gè)電阻，以分擔(dān)一定的電壓，而且，由于這樣不能徹底解決溫度升高帶來(lái)的電壓攀升問(wèn)題，故而二極管部分也考慮改造。</p><p>　　Q3、Q4基極之間的電壓V34滿(mǎn)足：</p><p>　　這里要求Q3

25、、Q4、Q5進(jìn)行熱耦合，即使它們靠近，溫度同步，則VBE也同步變化，若取VBE3=VBE4=VBE5，則R9=R10時(shí)，V34=2VBE3=2VBE4，剛好使兩管同時(shí)導(dǎo)通且不會(huì)因溫度的上升而偏置電壓也上升。這就保證了溫度不會(huì)進(jìn)一步惡性循環(huán)地攀升，一定程度上保證了三極管的安全。</p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，不會(huì)有VBE3=VBE4=VBE5，故而，可以考慮將R10做成電位器。這樣，調(diào)節(jié)R10就可以控制Q3、Q

26、4基極之間的電壓差,使推挽管處于微導(dǎo)通狀態(tài)。</p><p>　　3.4 整體電路原理圖</p><p>　　到此，可以得出本次設(shè)計(jì)的晶體管小型功率放大器的設(shè)計(jì)圖了，如圖3.6所示：</p><p>　　圖3.6 功放原理總電路圖</p><p>　　電路中輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)兩級(jí)共射極放大管，電壓幅值得到很大的放大，再經(jīng)過(guò)復(fù)合管的推挽輸出，得到較

27、大的輸出電流，進(jìn)而去驅(qū)動(dòng)負(fù)載揚(yáng)聲器發(fā)聲。</p><p><b>　　4電路仿真</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)采用ORCAD[3]電路設(shè)計(jì)仿真軟件。ORCAD是由ORCAD公司于八十年代末推出的EDA軟件，它是世界上使用最廣的EDA軟件，每天都有上百萬(wàn)的電子工程師在使用它，相對(duì)于其它EDA軟件而言，它的功能也是最強(qiáng)大的。ORCAD集成了電原理圖繪制，印制電路板

28、設(shè)計(jì)、模擬數(shù)字混合仿真等功能，它的電路仿真的元器件庫(kù)更達(dá)到了8500個(gè)，收入了幾乎所有的通用型電子元器件模塊。</p><p>　　由于一般音頻播放器的輸出信號(hào)幅值大約為50毫伏，故在仿真時(shí)取輸入信號(hào)的幅值微50毫伏。點(diǎn)擊仿真按鈕，可得到功放總電路圖的靜態(tài)電壓工作點(diǎn)如圖4.1所示，靜態(tài)電流工作點(diǎn)如圖4.2所示</p><p>　　圖4.1 功放電路靜態(tài)電壓工作點(diǎn)</p>&l

29、t;p>　　圖4.2 功放電路靜態(tài)電流工作點(diǎn)</p><p>　　在Pspice[5]仿真選項(xiàng)中設(shè)置適當(dāng)?shù)牟蓸又芷冢瑢⑻结樂(lè)胖玫较鄳?yīng)的位置可得到該點(diǎn)相應(yīng)的輸出波形。如圖4.3 、圖4.4、圖4.5所示分別為一級(jí)放大輸出、二級(jí)放大輸出、功放最終輸出波形</p><p>　　圖4.3 一級(jí)放大輸出波形</p><p>　　圖4.4 二級(jí)放大輸出波形</p&

30、gt;<p>　　圖4.5 功放輸出波形</p><p><b>　　5 PCB制作</b></p><p>　　5．1 功放電路原理圖的繪制</p><p>　　進(jìn)入PROTEL[5]軟件設(shè)計(jì)環(huán)境中，建立PCB制作工程，然后向工程里添加原理圖文件和PCB文件。從元件庫(kù)中找到設(shè)計(jì)所需要的元件，依次拖入到原理圖上，然后用導(dǎo)線將元件連

31、接起來(lái)。在逐一檢查每一個(gè)元件的封裝是否正確，若不對(duì)，則找到相應(yīng)的正確的封裝并加載。若找不到，則要考慮自己制作相應(yīng)的封裝。繪制的原理圖如圖5.1所示。</p><p>　　圖5.1 功放電路圖</p><p>　　5.2功放 PCB的繪制</p><p>　　編譯以上原理圖文件，若沒(méi)有錯(cuò)誤，就可以將元器件加載到PCB文件編輯器中。若報(bào)錯(cuò)，則根據(jù)錯(cuò)誤提示找出相應(yīng)的錯(cuò)誤并

32、更改，直至沒(méi)有錯(cuò)誤。然后對(duì)加載到PCB編輯器中的每個(gè)器件進(jìn)行一定的位置排列。再進(jìn)行自動(dòng)布線。然后根據(jù)自動(dòng)布線的結(jié)果，考慮如何排放每個(gè)器件，再次布線，使計(jì)算機(jī)自動(dòng)布線的結(jié)果具有一定的美感，更為重要的是不能影響電路板的性能。當(dāng)然，也可以適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行手工布線，以彌補(bǔ)自動(dòng)布線的不足，做出更好的電路板子。手工布線比較適合于器件比較少的電路。</p><p>　　如圖5.2所示，電路中的各個(gè)元件經(jīng)過(guò)排列、調(diào)整、布線后得到的PC

33、B樣板圖。</p><p>　　圖5.2 布線后的PCB</p><p>　　如圖5.3所示，自動(dòng)布線后有經(jīng)過(guò)手工調(diào)整的PCB版圖表面覆銅后的底層版圖。</p><p>　　圖5.3 頂層覆銅后的PCB</p><p>　　如圖5.4所示為底層經(jīng)過(guò)覆銅后的PCB效果圖，可知，PCB的制作過(guò)程是在表面覆滿(mǎn)銅的絕緣板上，經(jīng)過(guò)特殊化學(xué)腐蝕液的腐蝕

34、作用腐蝕掉一定的銅箔，留下相應(yīng)的信號(hào)傳輸線。</p><p>　　圖5.4 底層覆銅的PCB</p><p><b>　　6 組裝與調(diào)試</b></p><p>　　對(duì)三極管的類(lèi)型的識(shí)別，用數(shù)字萬(wàn)用表的紅表筆置于中間一腳，黑色表筆測(cè)另兩腳，若然均得較小電阻，則是為NPN型；反之，若以黑表筆測(cè)中間引腳，紅表筆測(cè)其余兩腳可得較小阻值，則為PNP型三

35、極管。另外，三極管的管腳，并非千篇一律的e、b、c規(guī)律。如的b腳就在邊上（測(cè)試所得）。若一只表筆固定一腳，另一表筆測(cè)其余兩腳皆可得較小阻值，則固定的那個(gè)腳是為b，而兩個(gè)小阻值中相對(duì)更小的對(duì)應(yīng)那個(gè)端為e端。</p><p>　　另外由于三極管的型號(hào)不易購(gòu)得，一般是代替，故而組裝效果不太理想。</p><p>　　將元件按照電路圖在板子上放好，然后進(jìn)行連接。連接完畢，用萬(wàn)用表的歐姆擋檢查管腳與

36、管腳之間是否連接良好，若連接良好，則電阻示數(shù)應(yīng)約為0。經(jīng)過(guò)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)所買(mǎi)的二極管的導(dǎo)通壓降只有0.5伏，而用于射極跟隨器的三極管的發(fā)射極導(dǎo)通壓降卻有0.7伏，會(huì)有較大的交越失真，估計(jì)這也是我最終做出功放聲音又寫(xiě)嘈雜的原因。我設(shè)計(jì)的功放所需用到的電源為12伏，但是，當(dāng)我接上12伏電源后，大功率三極管?chē)?yán)重發(fā)熱。而我把電壓調(diào)節(jié)到5伏后，電路才可以正常功做，經(jīng)查閱資料，了解到我所選用的大功率三極管耐壓值較低。在輸入端加上音頻信號(hào)，這里，用收音機(jī)

37、的的輸出作為小型功放的輸入，可以聽(tīng)到聲音從本次設(shè)計(jì)的功放的喇叭中放出來(lái)。</p><p><b>　　7 心得體會(huì)</b></p><p>　　雖然現(xiàn)在一個(gè)放大電路上難以找到單一的晶體管元件，但研究晶體管的特性與用途、原理仍顯得必然。掌握了晶體管的有關(guān)知識(shí)及其使用場(chǎng)合，對(duì)OP放大器的認(rèn)識(shí)就會(huì)大不一樣。如此一來(lái)，即使在使用OP放大器時(shí)出了不符要求的特性，也能采取對(duì)應(yīng)的舉

38、措。有了對(duì)基本器件的認(rèn)識(shí)，才能深刻地理解器件的工作原理，不但能夠處理相應(yīng)問(wèn)題，即便是設(shè)計(jì)電路時(shí)也會(huì)顯得更加得心應(yīng)手。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)，復(fù)習(xí)了晶體管的種類(lèi)判斷與管腳測(cè)試。通過(guò)電路的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步理解了晶體管的放大原理及幾種電路類(lèi)型的特性，如共射極放大可用于電壓放大，射極跟隨器可用于電流放大以帶動(dòng)小負(fù)載工作。另外，也獲悉了設(shè)計(jì)一個(gè)電路除電路原理所應(yīng)考慮的其它重要問(wèn)題。比如三極管的溫度穩(wěn)定特性，如何保證偏置

39、電壓不會(huì)不斷增大，以至于使溫度不斷升高，最終使三極管發(fā)生熱擊穿；比如，要如何才能防止過(guò)大電流帶來(lái)的失真——推挽式射極跟隨器。再比如，可以通過(guò)設(shè)置好跟隨器的偏置電壓來(lái)改善開(kāi)頭失真。</p><p>　　另外，還加強(qiáng)了對(duì)ORCAD與PROTEL軟件的熟練使用程度。</p><p>　　總之，這次課程設(shè)計(jì)，從中受益匪淺。從各個(gè)方面，對(duì)大學(xué)所學(xué)知識(shí)加以了鞏固與修復(fù)。</p><

40、p><b>　　參考資料</b></p><p>　?。?］鈴木雅臣.晶體管電路設(shè)計(jì).北京.科學(xué)出版社.2004.9</p><p>　　［2］康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ).北京.高等教育出版社.2006.1</p><p>　?。?］賈新章.電子電路CAD技術(shù)----基于OrCAD9.2.西安.西安電子科技大學(xué)出版社.2002.3</p&