proteus及Cadence课程设计报告.docx

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proteus及Cadence课程设计报告

课程设计任务书

学生姓名：

专业班级：

电子1001

指导教师：

韩屏工作单位：

信息学院

题目:

差动运算放大器的设计

初始条件：

计算机、Proteus软件、Cadence软件

要求完成的主要任务:

（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1、课程设计工作量：

2周

2、技术要求：

（1）学习Proteus软件和Cadence软件。

（2）设计一个差动运算放大器电路。

（3）利用Cadence软件对该电路设计原理图并进行PCB制版，用Proteus软件对该电路进行仿真。

3、查阅至少5篇参考文献。

按《武汉理工大学课程设计工作规范》要求撰写设计报告书。

全文用A4纸打印，图纸应符合绘图规范。

时间安排：

2013.11.11做课设具体实施安排和课设报告格式要求说明。

2013.11.11-11.16学习Proteus软件和Cadence软件，查阅相关资料，复习所设计内容的基本理论知识。

2013.11.17-11.21对差动运算放大器进行设计仿真工作，完成课设报告的撰写。

2013.11.22提交课程设计报告，进行答辩。

指导教师签名：

年月日

系主任（或责任教师）签名：

年月日

目录

摘要I

AbstractII

1绪论1

2电路原理2

2.1晶体三极管2

2.2放大器的整体设计2

2.3放大电路各模块设计3

2.4整体电路图5

3元器件及其参数的选择6

4电路的仿真6

4.1仿真软件的介绍6

4.2仿真结果6

5PCB印制电路板图的绘制8

6个人小结10

参考文献11

摘要

本次设计采用Proteus软件进行整体电路原理图的绘制及模拟仿真，并优化电路结构和参数。

设计好原电路理图后，利用Cadence软件绘制整体电路的PCB印制电路板图。

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

Cadence提供了完整的、可调整的原理图设计方法，能够有效应用于PCB的设计创建、管理和重用。

关键词：

差分放大器；晶体管；仿真；印制电路板图

Abstract

ThedesignusesProteussimulationsoftwareforrenderingandoverallcircuitschematicsandoptimizethestructureandparametersofthecircuit.Originalcircuitdiagramdesignagoodreason,theuseCadencesoftwaretodrawthewholecircuitPCBprintedcircuitboarddiagram.

Proteusistheworld'sleadingEDAtools（simulationsoftware）,fromtheschematiclayout,codedebuggingtheMCUandperipheralcircuitco-simulation,akeyswitchtothePCBdesign,trulyacompletedesignfromconcepttoproduct.Cadenceprovidesacompleteschematicdesignadjustable,canbeeffectivelyusedinthePCBdesigntocreate,manage,andreuse.

Keywords:

differentialamplifier;transistor;simulation;PCB

1绪论

差分放大电路利用电路参数的对称性和负反馈作用，有效地稳定静态工作点，以放大差模信号抑制共模信号为显著特征，广泛应用于直接耦合电路和测量电路的输入级。

但是差分放大电路结构复杂、分析繁琐，特别是其对差模输入和共模输入信号有不同的分析方法，难以理解，因而一直是模拟电子技术中的难点。

差分放大电路：

按输入输出方式分：

有双端输入双端输出、双端输入单端输出、单端输入双端输出和单端输入单端输出四种类型。

按共模负反馈的形式分：

有典型电路和射极带恒流源的电路两种。

运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。

在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。

由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。

运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。

随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。

运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。

本次所设计的差分放大器的主要器件为极性晶体三极管，整体电路中总共采用了9个极性晶体三极管。

在设计过程中利用Orcad软件来进行电路图的绘制和模拟仿真，并用Protel软件绘制PCB电路印制板图，最后制作实物，并对实物进行调试，使其实现相应的功能。

2电路原理

2.1晶体三极管

晶体三极管是本次设计的运算放大器的主要放大器件，所以在此首先简单介绍一下晶体三极管。

晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。

三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把正块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。

晶体三极管按材料分有两种：

锗管和硅管。

而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是硅NPN和PNP两种三极管，两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的。

晶体三极管由两个PN结组成，PN结的正向电阻很小，反向电阻很大，根据三个电极之间的电阻关系，可以确定三极管的基极。

由于三极管的发射结与集电结的结构上的差别，当把集电极当发射极使用时，其电流放大系数β较小，反之β值较大。

在确定基极后，比较三极管的β值大小，可以确定集电极和发射极。

使三极管基极开路，在发射极和集电极之间加一小电压，使发射结承受正向电压，集电结承受反向电压，这时集电极之间加一偏流电流（如用欧姆表，反映出来是电阻很大）。

在基极和集电极之间加一偏流电阻，集电极电流显著增大（因有了一定的基极电流），这时集电极和发射极之间电阻仅为偏流电阻的十几分之一。

从集电极电流墙的幅度可判断β值的大小（用欧姆表时，如果表针偏角较基极开路时增加的幅度大，则β值就大）。

2.2放大器的整体设计

　集成运算放大器（以后简称集成运放）是一种高电压增益、高输入电阻和低输出电阻的多级直接耦合放大电路。

它的类型很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，如图所示为集成运放的内部电路组成框图。

图中输入级一般是由BJT、JFET或MOSFET组成的差动放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能，它的两个输人端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。

电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成。

输出级∵般由电压跟随器或互补电压跟随器构成，以降低输出电阻，提高带负载能力。

偏置电路是为各级提供合适的工作电流。

此外还有一些辅助环节。

如电平移动电路，过载保护电路以及高频补偿电路等。

一般集成运放原理框图如图：

2.3放大电路各模块设计

2.3.1差分输入级

从电路结构上说，差动放大电路由两个完全对称的单管放大电路组成。

由于电路具有许多突出优点，因而成为集成运算放大器的基本组成单元。

最简单的差动放大电路如图所示，它由两个完全对称的单管放大电路拼接而成。

在该电路中，晶体管T1、T2型号一样、特性相同，RB1为输入回路限流电阻，RB2为基极偏流电阻，RC为集电极负载电阻。

输入信号电压由两管的基极输入，输出电压从两管的集电极之间提取（也称双端输出），由于电路的对称性，在理想情况下，它们的静态工作点必然一一对应相等。

由于电路的对称性，无论是温度的变化还是电源电压的波动，都会引起两个三极管集电极电流和电压的相同变化，即

U01=

U02，因此，其中相同的变化量互相抵消，使输出电压不变，从而抑制了零点漂移。

当然，实际情况是：

为了克服电路不完全对称引起的零点漂移及减小每个三极管集电极对地的漂移电压，电路中增加了发射极公共电阻RE，它具有电流负反馈作用，可以稳定静态工作点。

2.3.2中间放大级

中间放大级一般由多级直接耦合放大器组成，以获得足够高的电压增益。

本次设计中电压放大级由两个晶体管组成复合管共射极电路。

如图

2.3.3输出级

由VT5、VT6组成两级电压跟随器而构成电路的输出级，它不仅可以提高带负载的能力，而且可进一步使直流电位下降，以达到输入信号电压·uid=ui1-ui2为零时，输出电压uo＝0和二极管VD组成低电压稳压电路以供给VT9的基准电压，它与VT9一起构成电流源电路以提高VT5的电压跟随能力。

2.4整体电路图

3元器件及其参数的选择

由于电源电压是+15V，故在该电路中使用的所有晶体管只要选定集电极—发射极的最大额定值VCEm与集电极—基极间的最大额定值VCBm在30V以上的器件即可。

如果从性能方面来考虑，对于所有晶体管，都有对称选择的考虑，对称使得电路有稳定的静态工作点和工作电压，对输出有很大影响，从后面波形图可以观察到。

经过选择，选择NPN型硅管2N2369，因为对称缘故，选择了相同的九个相同的NPN管。

4电路的仿真

4.1仿真软件的介绍

本次课程设计采用Proteus软件进行仿真，检测所设计的电路原理图是否正确。

Proteus软件是英国Labcenterelectronics公司出版的EDA工具软件（该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司）。

它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。

它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。

虽然目前国内推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台

4.2仿真结果

4.2.1仿真电路的搭建

根据原理图使用proteus绘制出电路图，加入正负电源，输入信号和示波器，然后就得到了仿真的电路图：

4.2.2仿真结果与分析

信号源设置为10mv10hz的正弦波，用示波器同时观察输出和输出波形如图：

由图可知，B通道输入信号幅值10mv，A通道输出信号幅值2V,可知放大倍数β为200

5PCB印制电路板图的绘制

打开ORCADCadenceCIS进入绘制电路原理图的界面，把绘图区适当放大，在元件库中选中所需的元件，或利用查找快速找出所需的元件。

把选中的元件按电路图摆放，元件摆放好后，用电气连线按电路图连接好元件，完成所设计的运算放大器的电路原理图的绘制，原理图如图所示

绘制完原理图后，进行设计规则检查。

经过检查无误后就填写元件封装，然后选中生成网络表，生成网络表后，进入绘制PCB界面，在绘图区中圈出制板区域后，选中“设计”中的“网络表”，显示网络表没错误后，点击弹出的对话框的执行按钮，绘图区中出现用“飞线”连接的相应元件的封装号。

同时也可以摆放好元器件之后选择自动布线，最终得到的PCB原理图如图所示：

6个人小结

通过本次晶体管器件课程设计，我对Proteus仿真软件的操作能力得到了进一步的提高，但还只是仅仅学会了其中的一些简单的使用方法，作为一个电子专业的学生，学会熟练使用Proteus软件对以后的学习和工作都是很必要的，所以一定要多学多练Proteus仿真软件。

本次课程设计中我所设计的是一个差分运算放大电路，其主要涉及晶体管方面的知识，这是以前学过的《模拟电子技术基础》课程的主要知识点之一，大二时在此课程中已学过运算放大器的相关知识，通过本次课程设计，我对运算放大器的内部工作原理有了进一步的了解，对晶体三极管的类型、型号、工作参数的有了更多的了解，也能更熟悉地运用晶体三极管进行相关电子线路的设计，同时也巩固了在《模拟电子技术基础》课本上所学的相关的理论知识，并培养了自己把理论知识应用于实践的能力。

课程设计是培养学生综合运用所学知识，是发现、提出、分析和解决实际问题、锻炼实践能力的重要环节，是考察学生理论基础知识是否夯实和动手制作调试能力的过程。

经过本次晶体管器件课程设计，发现自己对模拟电子技术相关方面的理论知识的掌握程度还有待进一步的提高，很多方面的知识都不懂，这都是平时学习不认真不用功的结果。

要想熟练掌握使用理论知识，就必须认真努力地去不断学习、实践，夯实自己的理论知识基础，培养自己的动手实践能力。

参考文献

[1]贾新章.电子电路CAD技术—基于OrCAD9.2西安：

西安电子科技大学出版社，2002.3

[2]吴友宇主编.模拟电子技术基础.北京：

清华大学出版社，2009.5

[3]铃木雅臣（日）著，周南生译.晶体管电路设计.北京：

科学出版社,2004.9

[4]高吉祥主编.电子技术基础实验与课程设计.北京：

电子工业出版社，2002.5

[5]李银华编著.电子线路课程设计指导.北京：

北京航空航天大学出版社，2005.5

本科生课程设计成绩评定表

姓名

蒋建峰

性别

男

专业、班级

电子科学与技术1001班

课程设计题目：

差动运算放大电路的设计

课程设计答辩或质疑记录：

成绩评定依据：

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日