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1、武漢理工大學(xué)晶體管器件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名:張坤專(zhuān)業(yè)班級(jí):電子0803班指導(dǎo)教師:婁平工作單位:信息工程學(xué)院題 目:基于晶體管的四輸入或非門(mén)電路的設(shè)計(jì)初始條件:具較扎實(shí)的電子電路的理論知識(shí)及較強(qiáng)的實(shí)踐能力; 對(duì)電路器件的選型及電 路形式有一定的了解;具備晶體管電路的基本設(shè)計(jì)及基本調(diào)試能力; 能夠正確使 用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行電路的調(diào)試與檢測(cè);使用適當(dāng)?shù)能浖M(jìn)行仿真和制作 PCB 板圖。要求完成的主要任務(wù):1. 采用晶體管設(shè)計(jì)電路完成一個(gè)四輸入或非門(mén)電路的設(shè)計(jì);2. 利用仿真軟件 Pspice 或 Multisim 仿真電路,并學(xué)習(xí) PROTEL 軟件,并用其繪制電路的原理圖和 PCB

2、圖,要求圖紙繪制清晰,布線合理,符合繪圖規(guī)范;3. 完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告(應(yīng)包含電路圖,清單、調(diào)試及設(shè)計(jì)總結(jié))。時(shí)間安排: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)。2. 2011 年 6 月 11 日 至 2011 年 6 月 23 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)。3.2011 年 6 月 24 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。武漢理工大學(xué)晶體管器件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)指導(dǎo)教師簽名:系主任(或責(zé)任教師)簽名:目錄摘要. IAbstract. II1 緒論. 12 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求

3、. 22.1 設(shè)計(jì)目的及主要任務(wù). 22.1.1 設(shè)計(jì)目的. 22.1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求. 22.2 設(shè)計(jì)思想. 23 晶體管簡(jiǎn)介. 33.1 三極管簡(jiǎn)介. 33.2 三極管工作原理. 43.3 二極管簡(jiǎn)介. 64 電路設(shè)計(jì)原理. 84.1 設(shè)計(jì)原理圖. 84.2 基本放大電路的原理及特點(diǎn) . 84.2.1基本放大電路的原理 . 84.2.2三極管放大電路特點(diǎn) . 94.3 發(fā)射極耦合電路. 104.3.1 ECL 門(mén)電路. 104.3.2 ECL 門(mén)電路工作原理 . 104.3.3 ECL 門(mén)電路的主要特點(diǎn) . 114.4 ECL 門(mén)電路的實(shí)用 . 125 軟件仿真與硬件調(diào)試. 145.1

4、 multisim10 仿真. 145.1.1仿真圖示. 145.1.2 仿真結(jié)果. 14武漢理工大學(xué)晶體管器件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)5.2 Protel 繪希 9 PCB 版圖. 165.3 硬件調(diào)試. 186 設(shè)計(jì)總結(jié). 197 參考文獻(xiàn). 20武漢理工大學(xué)晶體管器件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)I摘要本文介紹作品采用 MultisimIO 對(duì)四輸入或非門(mén)電路進(jìn)行繪制電路圖及 仿真工作以及 protel 進(jìn)行繪制電路圖制作 PCB 板。主要介紹了四輸入或非 門(mén)電路的制作原理以及 MultisimIO 和 protel 的一些基本的操作和用法。例 如,原理圖 sch 的繪制,當(dāng)然其中也包括元件的制作;印刷電路板PC

5、B 的制作;對(duì)電路原理圖進(jìn)行仿真。電路分塊清晰,PCB 板美觀、模塊清晰。經(jīng)仿真電路原理正確。達(dá)到任務(wù)要求。運(yùn)用 PROTE 軟件繪制最小系統(tǒng)原理圖及部分外圍擴(kuò)展,在使用該軟件當(dāng)中, 學(xué)會(huì)創(chuàng)建設(shè)計(jì)文檔管理庫(kù),加載元件庫(kù),繪制電路圖,放置電源部件, 修改元件 參數(shù),生成網(wǎng)絡(luò)表文件,同時(shí)還要將自己設(shè)計(jì)的電路原理圖生成 PCB 電路板圖等 方法。在此基礎(chǔ)之上將自己設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真,并對(duì)其波形及數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。關(guān)鍵詞:Multisim , protel,或非門(mén),PCB武漢理工大學(xué)晶體管器件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)2AbstractThis paper in troduces the MultisimIO wor

6、ks to four in put or circuit diagram anddraw nor simulation work and draw a circuit diagram protel making PCB. Mainly introduced the four in put or making prin ciple and the Ion gest-serv ing outfield circuitMultisim10 protel and some of the basic operati on and usage. For example, draw ingthe prin

7、ciple diagram SCH, of course, in clud ing making of comp onent; Prin tedcircuit board PCB producti on; The circuit prin ciple diagram of simulatio n. Circuitblock is clear, the PCB is beautiful, module is clear. The simulation circuit principlecorrect. Task to requireme nts.Use of PROTEL software re

8、n deri ng mi nimum system diagram and part of theperipheral expa nsion, in the use of the software, lear n to create desig n of docume ntmanagement library, loading element database, draw a circuit diagram, placed thepower comp onen ts, modify, gen erat ing n etwork device parameters, and also listd

9、ocument will of their own design of the circuit principle diagram generation PCB chartmethod. On the basis of their own design will circuit simulation, and the waveform anddata an alysis.Key words: Multisim, protel, or not gate, PCB武漢理工大學(xué)晶體管器件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)11 緒論晶體管(transistor )是一種固體半導(dǎo)體器件,可以用于檢波、整流、放大、開(kāi)關(guān)、穩(wěn)壓

10、、信號(hào)調(diào)制和許多其它功能。晶體管作為一種可變開(kāi)關(guān),基于輸入的 電壓,控制流出的電流,因此晶體管可做為電流的開(kāi)關(guān),和一般機(jī)械開(kāi)關(guān)(如 Relay、switch )不同處在于晶體管是利用電訊號(hào)來(lái)控制,而且開(kāi)關(guān)速度可以非 常之快,在實(shí)驗(yàn)室中的切換速度可達(dá) 100GHz 以上。嚴(yán)格意義上講,晶體管泛指一切以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)的單一元件,包括各種半導(dǎo)體材料制成的二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管、可控硅等,不過(guò)從 國(guó)內(nèi)的習(xí)慣上講,晶體管有時(shí)多指晶體三極管,中國(guó)脫離電子管的時(shí)代不 長(zhǎng),在 1970S 后至1980S 早期,當(dāng)時(shí)習(xí)慣以晶體管特指晶體三極管,語(yǔ)境 的歧義就是那時(shí)留下的或非就是或的非的意思,也就是對(duì)或取反.

11、或非的功能是將或功能 的結(jié)果取反而得到的所以如果或邏輯輸出為1,或非邏輯則變?yōu)?,或邏輯輸出為 0,或非邏輯則變?yōu)?1.這樣就得到了或非門(mén)武漢理工大學(xué)晶體管器件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)22 設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求2.1 設(shè)計(jì)目的及主要任務(wù)2.1.1 設(shè)計(jì)目的提高電子電路的理論知識(shí)及較強(qiáng)的實(shí)踐能力;對(duì)電路器件的選型及電 路形式的選擇有一定的了解;學(xué)習(xí)晶體管電路的基本設(shè)計(jì)能力及基本調(diào)試 能力;能夠正確使用實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行電路的調(diào)試與檢測(cè);使用適當(dāng)?shù)能浖M(jìn)行 仿真和制作 PCB 板圖。2.1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求根據(jù)已知條件,完成通過(guò)基于晶體管的聲控?zé)舻脑O(shè)計(jì)、連接與仿真。 須符合以下要求:1. 采用晶體管設(shè)計(jì)電路完成一個(gè)簡(jiǎn)

12、易聲控?zé)舻脑O(shè)計(jì);2.利用仿真軟件 Pspice 或 Multisim 仿真電路,并學(xué)習(xí) PROTEL 軟件,并用 其繪制電路的原理圖和 PCB 圖,要求圖紙繪制清晰,布線合理,符合繪圖規(guī)范;3. 完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告(應(yīng)包含電路圖,清單、調(diào)試及設(shè)計(jì)總結(jié))。2.2 設(shè)計(jì)思想本次設(shè)計(jì)要求完成基于晶體管的或非門(mén)電路的設(shè)計(jì)、連接與仿真。而整個(gè)設(shè)計(jì)的核心部分就在采用了三極管等分立元件,通過(guò)電路中三極管發(fā)射極耦合實(shí)現(xiàn)或非門(mén)電路。的隨后運(yùn)用Multisim10 中的仿真功能對(duì)其予以仿真,從仿真的結(jié)果中分析程序的正確性。然后運(yùn)用Protel 畫(huà)出電路圖待所有模塊的功能正確之后,然后制作相應(yīng)的PCB 板。最后照著原

13、理圖進(jìn)行整機(jī)電路的連接。武漢理工大學(xué)晶體管器件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)33 晶體管簡(jiǎn)介3.1 三極管簡(jiǎn)介三極管的基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)反向連結(jié)的PN 接面,如圖 3.1 所示,可有 PNP和 NPN 兩種組合。三個(gè)接出來(lái)的端點(diǎn)依序稱(chēng)為發(fā)射極(emitter,E)、基極(base, B )和集電極(collector, C ),名稱(chēng)來(lái)源和它們?cè)谌龢O管操作時(shí)的功能有關(guān)。圖 3.1 中也顯示出 NPN 與 PNP 三極管的電路符號(hào),發(fā)射極特 別被標(biāo)出,箭號(hào)所指的極為N 型半導(dǎo)體,和二極體的符號(hào)一致。在沒(méi)接外加偏壓時(shí),兩個(gè) PN 接面都會(huì)形成耗盡區(qū),將中性的P 型區(qū)和 N 型區(qū)隔開(kāi)。圖 3.1 三極管基本結(jié)構(gòu)三極管的電

14、特性和兩個(gè)PN 接面的偏壓有關(guān),工作區(qū)間也依偏壓方式來(lái)分類(lèi),這里 我們先討論最常用的所謂”正向活性區(qū)”(forward active),在此區(qū) EB 極間的 PN 接 面維持在正向偏壓,而 BC 極間的 PN 接面則在反向 偏壓,通常用作放大器的三極管都以此方式偏壓。圖 3.1(a)為一 PNP 三極管在此偏壓區(qū)的示意圖。EB 接面的空乏 區(qū)由于在正向偏壓會(huì)變窄,載體看到的位障變小,射極的電洞會(huì)注入到基極,基極的電子也會(huì)注入到射極; 而 BC 接面的耗盡區(qū)則會(huì)變寬,載體看到的位障變大,故本身是不導(dǎo)通的。圖 3.1(b)畫(huà)的是沒(méi)外加偏壓,和偏壓在正向活性區(qū)兩種情形下,電洞和電 子的電位能BC武漢

15、理工大學(xué)晶體管器件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)4的分布圖。 三極管和兩個(gè)反向相接的PN 二極管有什么差別呢?其間最大的不同部分就在于三極管的兩個(gè)接面相當(dāng)接近。以上述之偏壓在正向活性區(qū)之 PNP 三極管為例,射極的電洞注入基極的 N 型中性區(qū),馬上被多數(shù)載體電子包圍遮蔽,然后朝集電極方向擴(kuò)散,同時(shí)也被電子復(fù)合。當(dāng)沒(méi)有被復(fù)合的電洞到達(dá) BC 接面的耗盡區(qū)時(shí),會(huì)被此區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)加速掃入 集電極,電洞在集電極中為多數(shù)載體,很快藉由漂移電流到達(dá)連結(jié)外部的歐姆接點(diǎn),形成集電極電流IC。IC 的大小和 BC 間反向偏壓的大小 關(guān)系不大?;鶚O外部?jī)H需提供與注入電洞復(fù)合部分的電子流IBrec,與由基極注入 射極的電子流 InB

16、E (這部分是三極管作用不需要的部分)。InB E 在射極與與電 洞復(fù)合,即 InB E=IErec 。射極注入基極的電洞流大小是由EB 接面間的正向偏壓大小來(lái)控制,和二極體的情形類(lèi)似,在啟動(dòng)電壓附近,微小的偏壓變化,即可造成很大的 注入電流變化。更精確的說(shuō),三極管是利用 VEB(或 VBE 的變化來(lái)控制 IC, 而且提供之 IB 遠(yuǎn)比IC 小。NPN 三極管的操作原理和 PNP 三極管是一樣的, 只是偏壓方向,電流方向均相反,電子和電洞的角色互易。PNP 三極管是利用 VEB 控制由射極經(jīng)基極,入射到集電極的電洞,而NPN 三極管則是利用VBE 控制由射極經(jīng)基極、入射到集電極的電子。三極管在

17、數(shù)字電路中的用途 其實(shí)就是開(kāi)關(guān),利用電信號(hào)使三極管在正向活性區(qū)(或飽和區(qū))與截止區(qū) 間切換,就開(kāi)關(guān)而言,對(duì)應(yīng)開(kāi)與關(guān)的狀態(tài),就數(shù)字電路而言則代表0 與 1(或 1 與 0)兩個(gè)二進(jìn)位數(shù)字。若三極管一直維持偏壓在正向活性區(qū),在射 極與基極間微小的電信號(hào)(可以是電壓或電流)變化,會(huì)造成射極與集電 極間電流相對(duì)上很大的變化,故可用作信號(hào)放大器。3.2 三極管工作原理晶體三極管(以下簡(jiǎn)稱(chēng)三極管)按材料分有兩種:鍺管和硅管。而每一種又 有NPN 和 PNF 兩種結(jié)構(gòu)形式,但使用最多的是硅 NPN 和鍺 PNF 兩種三極管,(其 中,N 表示在高純度硅中加入磷,是指取代一些硅原子,在電壓刺激下產(chǎn)生自由 電子

18、導(dǎo)電,而 p 是加入硼取代硅,產(chǎn)生大量空穴利于導(dǎo)電)。兩者除了電源極性 不同外,其工作武漢理工大學(xué)晶體管器件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)5原理都是相同的,下面僅介紹NPN 硅管的電流放大原理。 對(duì)于NPNt,它是由 2 塊 N 型半導(dǎo)體中間夾著一塊 P 型半導(dǎo)體所組成,發(fā)射區(qū)與基區(qū) 之間形成的 PN 結(jié)稱(chēng)為發(fā)射結(jié),而集電區(qū)與基區(qū)形成的 PN 結(jié)稱(chēng)為集電結(jié),三條引線 分別稱(chēng)為發(fā)射極 e、基極 b 和集電極 c。當(dāng) b 點(diǎn)電位高于 e 點(diǎn)電位零點(diǎn)幾伏時(shí),發(fā)射結(jié)處于正偏狀態(tài),而 C 點(diǎn)電位高于 b 點(diǎn)電位幾伏時(shí),集電結(jié)處于反偏狀態(tài), 集電極電源 Ec 要高于基極電源 Eboo 在制造三極管時(shí),有意識(shí)地使發(fā)射區(qū)的多

19、 數(shù)載流子濃度大于基區(qū)的,同時(shí)基區(qū)做得很薄,而且,要嚴(yán)格控制雜質(zhì)含量,這 樣,一旦接通電源后,由于發(fā)射結(jié)正偏,發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子(電子)及基區(qū)的 多數(shù)載流子(空穴)很容易地越過(guò)發(fā)射結(jié)互相向?qū)Ψ綌U(kuò)散,但因前者的濃度基大于后者,所以通過(guò)發(fā)射結(jié)的電流基本上是電子流,這股電子流稱(chēng)為發(fā)射極電流了。 由于基區(qū)很薄,加上集電結(jié)的反偏,注入基區(qū)的電子大部分越過(guò)集電結(jié)進(jìn)入集電 區(qū)而形成集電集電流 Ic,只剩下很少(1-10%)的電子在基區(qū)的空穴進(jìn)行復(fù)合, 被復(fù)合掉的基區(qū)空穴由基極電源 Eb 重新補(bǔ)給,從而形成了基極電流 Ibo.根據(jù)電 流連續(xù)性原理得:le=lb+lc 這就是說(shuō),在基極補(bǔ)充一個(gè)很小的Ib,就可以

20、在集電極上得到一個(gè)較大的 Ic,這就是所謂電流放大作用,Ic 與 lb 是維持一定的 比例關(guān)系,即:B仁 lc/lb 式中:B1-稱(chēng)為直流放大倍數(shù),集電極電流的變化量 lc 與基極電流的變化量 lb 之比為:B= lc/ lb 式中B-稱(chēng)為交 流電流放大倍數(shù),由于低頻時(shí)B1 和B的數(shù)值相差不大,所以有時(shí)為了方便起 見(jiàn),對(duì)兩者不作嚴(yán)格區(qū)分,B值約為幾十至一百多。 三極管是一種電流放大器 件,但在實(shí)際使用中常常利用三極管的電流放大作用,通過(guò)電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷悍糯笞饔?。三極管放大時(shí)管子內(nèi)部的工作原理 1、發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射電子電源 Ub 經(jīng)過(guò)電阻Rb 加在發(fā)射結(jié)上,發(fā)射結(jié)正偏,發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子(自由電子

21、)不斷 地越過(guò)發(fā)射結(jié)進(jìn)入基區(qū),形成發(fā)射極電流le。同時(shí)基區(qū)多數(shù)載流子也向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散,但由于多數(shù)載流子濃度遠(yuǎn)低于發(fā)射區(qū)載流子濃度,可以不考慮這個(gè)電流, 因此可以認(rèn)為發(fā)射結(jié)主要是電子流。2、基區(qū)中電子的擴(kuò)散與復(fù)合 電子進(jìn)入基區(qū)后,先在靠近發(fā)射結(jié)的附近密集,漸漸形成電子濃度差,在濃度差的作用下, 促使電子流在基區(qū)中向集電結(jié)擴(kuò)散,被集電結(jié)電場(chǎng)拉入集電區(qū)形成集電極電流 lc。也有很小一部分電子(因?yàn)榛鶇^(qū)很?。┡c基區(qū)的空穴復(fù)合,擴(kuò)散的電子流與 復(fù)合電子流之比例武漢理工大學(xué)晶體管器件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)6決定了三極管的放大能力。3、集電區(qū)收集電子 由于集電結(jié)外加反向電壓很大,這個(gè)反向電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)力將阻止集電區(qū)電

22、子向基區(qū)擴(kuò)散,同時(shí)將擴(kuò)散到集電結(jié)附近的電子拉入集電區(qū)從而形成集電極主電流Icn。另外集電區(qū)的少數(shù)載流子(空穴)也會(huì)產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng),流向基區(qū)形成反向飽和電流,用 Icbo 來(lái)表示,其數(shù)值很小,但對(duì)溫度卻異常敏感。3.3 二極管簡(jiǎn)介二極管又稱(chēng)晶體二極管,簡(jiǎn)稱(chēng)二極管(diode);它只往一個(gè)方向傳送電流的電 子零件。它是一種具有 1 個(gè)零件號(hào)接合的 2 個(gè)端子的器件,具有按照外加電壓的 方向,使電流流動(dòng)或不流動(dòng)的性質(zhì)。晶體二極管為一個(gè)由 P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo) 體形成的 P-N結(jié),在其界面處兩側(cè)形成空間電荷層,并建有自建電場(chǎng)。當(dāng)不存在外加電壓時(shí),由于 P-N 結(jié)兩邊載流子濃度差引起的擴(kuò)散電流和自建

23、電場(chǎng)引起的 漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。與 PN 結(jié)一樣,二極管具有單向?qū)щ娦浴9瓒O管典型伏安特性曲線如 圖 3.2 所示。在二極管加有正向電壓,當(dāng)電壓值較小時(shí),電流極小;當(dāng)電 壓超過(guò) 0.6V 時(shí),電流開(kāi)始按指數(shù)規(guī)律增大,通常稱(chēng)此為二極管的開(kāi)啟電壓;當(dāng)電壓達(dá)到約 0.7V 時(shí), 二極管處于完全導(dǎo)通狀態(tài), 通常稱(chēng)此電壓為二極管 的導(dǎo)通電壓,用符號(hào)UD 表示。武漢理工大學(xué)晶體管器件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)7在二極管加有反向電壓,當(dāng)電壓值較小時(shí),電流極小,其電流值為反 向飽和電流IS。當(dāng)反向電壓超過(guò)某個(gè)值時(shí),電流開(kāi)始急劇增大,稱(chēng)之為反 向擊穿,稱(chēng)此電壓為二極管的反向擊穿電壓,用符號(hào)UBR 表示。不同型號(hào)

24、的二極管的擊穿電壓 UBR 值差別很大,從幾十伏到幾千伏。當(dāng)外界有正向電壓偏置時(shí),外界電場(chǎng)和自建電場(chǎng)的互相抑消作用使載 流子的擴(kuò)散電流增加引起了正向電流。當(dāng)外界有反向電壓偏置時(shí),外界電 場(chǎng)和自建電場(chǎng)進(jìn)一步加強(qiáng),形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值 無(wú)關(guān)的反向飽和電流 10。 當(dāng)外加的反向電壓高到一定程度時(shí),P-N 結(jié)空間電荷層中的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到臨界值產(chǎn)生載流子的倍增過(guò)程,產(chǎn)生大量電子空穴對(duì),產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊穿電流,稱(chēng)為二極管的擊穿現(xiàn)象。P-N 結(jié)的反向擊穿有齊納擊穿和雪崩擊穿之分。武漢理工大學(xué)晶體管器件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)84 電路設(shè)計(jì)原理4.1 設(shè)計(jì)原理圖4.2 基本放大電路的原理及特點(diǎn)4

25、.2.1 基本放大電路的原理基本放大電路的組成要素有哪些?如圖 4.2 所示,第一,要有放大器件,放 大電路的“心臟”是三極管,他是實(shí)現(xiàn)放大的核心部件;第二,要有合適的外偏 置,為保證放大不失真,三極管需要合適的直流偏置,發(fā)射結(jié)正偏,集電極反偏, 保證三極管工作在放大狀態(tài),保證三極管的安全工作的偏置,在發(fā)射結(jié)回路有合 適的偏置電阻,不加偏置電阻三極管將燒壞;第三,要有電流轉(zhuǎn)化電壓電路,由 于三極管是一個(gè)電流控制器件,三極管輸出控制量是電流,為了將電流轉(zhuǎn)化成輸 出電壓,添加集電極電阻Rc;第四,要保證交流信號(hào)能順暢的輸入輸出回路; 第五,要有直流電源 Vcc,為放大電路提供工作電源,給三極管放大

26、信號(hào)提供能武漢理工大學(xué)晶體管器件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)9圖 4.2 基本放大電路如圖 4.2 所示為共射基本放大電路,在該電路中,輸入信號(hào)加在基極和發(fā)射 極之間,耦合電容器 C1 和 C2 視為對(duì)交流信號(hào)短路。輸出信號(hào)從集電極對(duì)地取出, 經(jīng)耦合電容 C2 將直流量隔除,僅將交流信號(hào)加到負(fù)載電阻 RL 之上。4.2.2 三極管放大電路特點(diǎn)綜上所述三極管放大電路具有以下兩個(gè)顯著特點(diǎn):1交直流共存。直流偏置是使放大電路有合適的工作狀態(tài), 是保證其不失真 放大的基礎(chǔ)或前提條件;而交流分量則是放大的對(duì)象和放大的結(jié)果。 在分析放大 電路時(shí),應(yīng)先分析其靜態(tài)工作情況,然后再分析其動(dòng)態(tài)工作情況。2非線性電路和近似分析方

27、法。由于放大電路使用的三極管是非線性元件,從而使電路成為非線性電路;由于三極管的特性方程屬于超越方程, 在分析計(jì)算 時(shí)它可通過(guò)與回路方程聯(lián)立求解,得到其精確的靜態(tài)工作點(diǎn)和動(dòng)態(tài)工作參數(shù);但 由于元器件參數(shù)的分散性,精確求解比較麻煩且沒(méi)有必要,所以在工程應(yīng)用中, 靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析常采用近似分析方法,尋求其近似解。如靜態(tài)分析常用估算法和 圖解法,動(dòng)態(tài)分析常采用圖解法和小信號(hào)模型分析法。VGGG120uF-12V武漢理工大學(xué)晶體管器件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)104.3 發(fā)射極耦合電路431 ECL 門(mén)電路邏輯門(mén)電路是數(shù)字電路中最基本的邏輯元件,邏輯門(mén)可以組合使用實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的邏輯運(yùn)算。常見(jiàn)的邏輯門(mén)有 TTL 邏輯

28、門(mén)電路、COM 邏輯門(mén)電路和 TTI 邏 輯門(mén)電路。ECL(Emitter Coupled Logic)即發(fā)射極耦合邏輯電路,也稱(chēng)電流開(kāi)關(guān)型邏輯電路。它以多個(gè)晶體管的發(fā)射極相互耦合加上射極跟隨器組成的電路,簡(jiǎn)稱(chēng) ECL 電 路。其基本單元電路由提供“或”、“或非”邏輯功能的電流開(kāi)關(guān)和完成電平位 移與級(jí)聯(lián)的射極跟隨器兩部分組成。邏輯功能的靈活性。使用 ECL 電路的互補(bǔ)輸 入輸出,同相集電極的“點(diǎn)與”,跟隨器輸出的“線或”,以及多層邏輯門(mén)的“串 聯(lián)與”等,可以擴(kuò)充電路的邏輯功能,節(jié)省電路功耗和元件數(shù),為電路的邏輯設(shè) 計(jì)和邏輯運(yùn)用帶來(lái)靈活性和方便性。ECL 電路的缺點(diǎn)是電路功耗大、電平閾值電 壓隨

29、溫度而漂移等。4.3.2 ECL 門(mén)電路工作原理ECL 門(mén)的基本電路如圖 4.1 所示,硅晶體管 T1、T2、T3、T4、T5 組成發(fā)射 極耦合電路,T6 基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生多電路,T7、T8 組成輸出電路。電路的基本工作原理為,當(dāng)電路輸入端全為低電平輸入(規(guī)定為-1.7V 左右)時(shí),T1T4 全部截止,可以計(jì)算出電路的輸出端電壓為(5 2 _1 4)漢4 98VB -5.2(1.4丿4.981.4 - -0.585V,VB5一 -0.585 - 0.7 = 1.285V4.98 0.907(1.985V +5.2)VE5=-0.585 -0.7-0.7 =-1.985V,IE54.127mA0.7

30、79VC5=0 -4.127 0.24-1.01V,VE7一 1.01 -0.7 =-1.71V由于 VBE1VBE4=VL-VE5=-1.75+1.985=0.285V ,保證 T1T4截止,所以或非門(mén)輸出端的輸出電壓低于-0.7V。當(dāng)輸入中有一個(gè)是高電平(規(guī)定為-0.9V 左右)時(shí),如 T4的輸入為高電平,T1T3輸入低電平,根據(jù)電路給定的參數(shù)可以計(jì)算出電路的輸出電壓武漢理工大學(xué)晶體管器件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)11為(1)T4輸入高電平,T4導(dǎo)通,VE5二-0.92V 一 0.7 =-1.62V。(2)流經(jīng) T5管發(fā)射極外接電阻的電流為任5二_162 5.2= 4.596mA。0.779(3)臨界

31、飽和狀態(tài)時(shí) T4集電極電位為 VC4= 1.62 0.3 二-1.32V,貝UT4管集電極外接電阻的臨界飽和電流為|RC4二132=0.6mA,這一臨界飽和電0.22流大于高電平輸入情況下,以及基準(zhǔn)電壓作用下T5發(fā)射極外接電阻流過(guò)的最大電流,所以輸出 T4進(jìn)不了飽和,T5處于截止?fàn)顟B(tài),忽略 IB8的影響,可以得到 lRC4:jRE5,電路的輸出電壓,即T7發(fā)射極輸出電壓為-0.7V 以下。(4) 或非輸出端的輸出電壓,即就是T8發(fā)射極輸出電壓為VE8- -4.596 0.22 -0.7 - -1.71V。當(dāng)全部輸入端輸入高電平時(shí),由于VE5的電位被三極管輸入端的導(dǎo)通電壓“鉗位”而保持恒定,所以

32、輸出電壓與一端輸入高電平情況一樣??梢?jiàn),電路的空載輸出高電平為-0.7V,有負(fù)載連接時(shí),應(yīng)考慮基極電流的影響,輸出高電平約等于-0.9V ;低電平輸出電位約為-1.71V,所以電路的高電平與低電平的電壓偏差不大(約為1V),這些有利于工作速度的提高。這主要是因?yàn)榧姌O外接電阻阻值較小所致,也是ECL 門(mén)的特點(diǎn)之。圖 4.1 所示電路的邏輯功能有兩種情況,從T7發(fā)射極輸出的為或非門(mén)電路,從T8發(fā)射極輸出的為或非門(mén)電路。4.3.3 ECL 門(mén)電路的主要特點(diǎn)(1) 速度快。ECL 門(mén)電路工作速度快的主要原因:開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)工作在非飽和狀態(tài),消 除武漢理工大學(xué)晶體管器件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)12了存儲(chǔ)電荷的影響

33、;邏輯擺幅小,僅為 0.8V。同時(shí)集電極負(fù)載電阻也很小, 因而縮短了寄生電容的充放電時(shí)間。(2) 帶負(fù)載能力強(qiáng)。由于 ECL 門(mén)電路的射極耦合電阻較集電極電阻大得多,因而輸入阻抗高; 輸出電路是工作在放大狀態(tài)的射極跟隨器,其輸出阻抗很低,因而ECL 門(mén)電路帶負(fù)載能力強(qiáng)。(3) 邏輯功能強(qiáng)。ECL 門(mén)電路具有互補(bǔ)輸出的特點(diǎn),它能同時(shí)實(shí)現(xiàn)或 /或非功能,因而使用靈 活。(4) 功耗大。ECL 門(mén)電路的功耗包括電流開(kāi)關(guān)、參考電源和射極跟隨器輸出三部分, 因此 功耗較大。(5) 抗干擾能力差。因?yàn)?ECL 門(mén)電路的邏輯擺幅小,噪聲容限低(約 0.3V),所以抗干擾能力 較低。ECL 門(mén)電路屬于雙極型數(shù)

34、字集成電路。TTL 門(mén)電路中,三極管工作于飽和、 截止?fàn)顟B(tài)。三極管導(dǎo)通時(shí)工作在飽和狀態(tài),管內(nèi)的存儲(chǔ)電荷限制了電路的工作速 度,盡管采取了一系列改進(jìn)措施,但都不是提高工作速度的根本辦法。ECL 門(mén)電 路就是為了滿(mǎn)足更高的速度要求而發(fā)展起來(lái)的一種高速邏輯電路。它采用了高速電流開(kāi)關(guān)型電路,內(nèi)部三極管工作在放大區(qū)或截止區(qū),這就從根本上克服了因飽 和而產(chǎn)生的存儲(chǔ)電荷對(duì)速度的影響。ECL 門(mén)電路的平均傳輸延遲時(shí)間可達(dá) 2ns 以 下,是目前各類(lèi)數(shù)字集成電路中速度最快的電路。 它廣泛用于高速大型電子計(jì)算 機(jī)、數(shù)字通信系統(tǒng)和高精度測(cè)試設(shè)備等方面。4.4 ECL 門(mén)電路的實(shí)用ECL 電路主要用于構(gòu)成超高速集成電

35、路,如高速、大型、巨型計(jì)算機(jī)等。電 路中,晶體管工作于非飽和區(qū),Tb 在共基極組態(tài)下工作。電路差動(dòng)式結(jié)構(gòu)的加速 作用,使共發(fā)射極的輸入管實(shí)際工作在準(zhǔn)共基極狀態(tài)下。小的邏輯幅度等條件保 證了電路的高速度。電流開(kāi)關(guān)在 60 年代即已用于計(jì)算機(jī),使計(jì)算機(jī)的性能大大武漢理工大學(xué)晶體管器件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)13發(fā)射極耦合邏輯是建立在一個(gè)多輸入差分放大器來(lái)放大并結(jié)合數(shù)字信號(hào),并發(fā)射追隨者調(diào)節(jié)直流電壓等級(jí)為基礎(chǔ)。因此,晶體管的柵極在沒(méi)有進(jìn)入過(guò)飽和度,也沒(méi)有得到過(guò)完全關(guān)閉。晶體管留在他們的積極經(jīng)營(yíng)區(qū)域完全在任何時(shí) 候。 作為一個(gè)結(jié)果,沒(méi)有一個(gè)晶體管的電荷存儲(chǔ)時(shí)間抗衡, 并能更迅速地改變 狀態(tài)。 因此,這種邏輯門(mén)的

36、主要優(yōu)點(diǎn)是非常高的速度。在此類(lèi)型的電路中,電壓這一變化很小,并且為 V 取決于上的 BE 時(shí),涉 及他們的晶體管。更重要的電路的工作是通過(guò)各種晶體管的電流流動(dòng)量的,而不是涉及的精確電壓。因此,發(fā)射極耦合邏輯也被稱(chēng)為電流模式邏輯( CM)這是 不是唯一的技術(shù),實(shí)現(xiàn)以任何方式慢性粒細(xì)胞白血病, 但它確實(shí)說(shuō)明,一般到秋 天。 在任何情況下,這導(dǎo)致我們對(duì)這一門(mén)式的主要缺點(diǎn): 它描繪了一個(gè)從電源 電流很大,因此往往浪費(fèi)了大量的熱量。 為了減少這種問(wèn)題,例如頻率計(jì)數(shù)器使 用某些設(shè)備在十年的 ECL 電路輸入端的柜臺(tái),由 TTL 或高速 CMO 計(jì)數(shù)器其次為 后來(lái)的數(shù)字位置。這使得快速,昂貴的 IC 在那里

37、是絕對(duì)必要的,并允許我們使用更便宜的地點(diǎn)集成電路其中信號(hào)不會(huì)在那么高的頻率。武漢理工大學(xué)晶體管器件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)圖 5.1 輸入全為低電平時(shí)或端口輸出145 軟件仿真與硬件調(diào)試5.1 multisimIO 仿真5.1.1 仿真圖示打開(kāi) multisimIO, 文件-新建-原理圖, 在按照?qǐng)D 5.1 所示連接電路圖。 將 T1T4 輸入端分別連接到電源上。通過(guò)控制所接到的電源的幅值,來(lái)控制輸入端的高低5.1.2 仿真結(jié)果將 T1T4 輸入低電平,即為-1.7V 左右時(shí),測(cè)試兩個(gè)輸出端口的電壓值R66,:1kQ .:VEE電平。-0.9 左右為咼電平,-1.7 左右為低電平51圖 5.1 仿真原理

38、圖武漢理工大學(xué)晶體管器件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)圖 5.5 輸入中有一個(gè)高電平時(shí)或端口輸出15何Multimeter-XMMl武漢理工大學(xué)晶體管器件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)圖 5.5 輸入中有一個(gè)高電平時(shí)或端口輸出16會(huì)Multiimeter-XMMl圖 5.2 輸入全為低電平時(shí)或非端口輸出將 T1T4 輸入高電平,即為-1.7V 左右時(shí),測(cè)試兩個(gè)輸出端口的電壓值停Multimeter-XMMl圖 5.3 輸入全為高電平時(shí)或端口輸出切Multimeter-XMMl圖 5.4 輸入全為高電平時(shí)或非端口輸出T1T 4 輸入中有一個(gè)高電平時(shí),測(cè)試輛輸出端口電壓值武漢理工大學(xué)晶體管器件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)圖 5.9 生成網(wǎng)絡(luò)表

39、17 Multimeter-XMMl 霸圖 5.6 輸入中有一個(gè)高電平時(shí)或非端口輸出通過(guò)對(duì)比理論計(jì)算所得的值與仿真所測(cè)得的實(shí)際值可以看出所設(shè)計(jì)的電路 功能基本達(dá)到了預(yù)期要求。5.2 Protel 繪制 PCB 版圖打開(kāi) Protel 99SE,新建一個(gè)設(shè)計(jì),輸入名稱(chēng)*ddb,然后點(diǎn)擊文件,新建一個(gè) Schematic Document 文件,然后利用畫(huà)圖元件按照?qǐng)D 4.1 連接,連接完成,如圖 5.7 所示。然后分別填寫(xiě)各個(gè)元件的封裝號(hào)然后點(diǎn)擊 TOOLS-ERC,檢驗(yàn)自己的電路是否出錯(cuò),如圖 5.8 所示,可以看出電氣檢查無(wú)錯(cuò)誤。點(diǎn)擊 DESIGN-CREATE NETLIST,生成網(wǎng)絡(luò)表,檢驗(yàn)電路武漢理工大學(xué)晶體管器件課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)18連接元件完整。如圖 5.9 所示,為生成的網(wǎng)絡(luò)表。屋CAPROGRAM RLESPROTEL 99SEMHEXAMPLESjingtiguanl.ddb, ddb Sheetl. Sch iSheetl.EHC |She4tl.NET PCE4.PCSErrci Repcrt For :End ReportSheet 1 Sch21-Jun-2011 16:33:0S圖 5.8 電氣檢查序匚PROGRAM HLESPROTEL 99SE-QDEEXAMPLESjingtrguanl.ddjinfti gu

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