模电课设.docx

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模电课设

沈阳工程学院

课程设计

设计题目：

负反馈放大电路

系别电力学院班级电本125

学生姓名富佳杰学号2012210512

指导教师　张玉梅／秦宏职称讲师／教授

起止日期：

2014年6月23日起——至2014年6月27日止

沈阳工程学院

课程设计任务书

课程设计题目：

负反馈放大电路

系别电力学院班级电本125

学生姓名富佳杰学号2012210512

指导教师张玉梅/秦宏职称　讲师／教授

课程设计进行地点：

F座203

任务下达时间：

2014年6月20日

起止日期：

2014年6月23日起——至2014年6月27日止

教研室主任曲延华2014年6月20日批准

负反馈放大电路

1设计过程及论文的基本要求

1.1设计过程的基本要求

（1）基本部分必须完成，发挥部分可任选2个方向：

（2）符合设计要求的报告一份，其中包括逻辑电路图、印刷电路板图各一份；

（3）设计过程的资料、草稿要求保留并随设计报告一起上交；报告的电子档需在规定时间内在单独在网络教学平台上交。

1.2课程设计论文的基本要求

（1）参照毕业设计论文规范打印，文字中的小图需打印。

项目齐全、不许涂改，不少于3000字。

图纸为A3，附录中的大图可以手绘，所有插图不允许复印。

（2）装订顺序：

封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及参数计算（重要）、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结（致谢）、参考文献、附录（电路图）。

1.3时间进度安排

顺序

阶段日期

计划完成内容

备注

1

2014.6.23

内容讲解，绘制流程图

打分

2

2014.6.24

原理图绘制

打分

3

2014.6.25

软件介绍

打分

4

2014.6.26

虚拟电路绘制及仿真

打分

5

2014.6.27

报告书写及上交

打分

2014.6.20

沈阳工程学院

模拟电子技术课程设计成绩评定表

系（部）：

电力学院班级：

电本125学生姓名：

富佳杰

指导教师评审意见

评价

内容

具体要求

权重

评分

加权分

调研

论证

能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排。

0.1

5

4

3

2

工作能力

态度

工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作，

0.2

5

4

3

2

工作量

按期圆满完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。

0.2

5

4

3

2

说明书的质量

说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。

0.5

5

4

3

2

指导教师评审成绩

（加权分合计乘以12）

分

加权分合计

指导教师签名：

年月日

评阅教师评审意见

评价

内容

具体要求

权重

评分

加权分

查阅

文献

查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力

0.2

5

4

3

2

工作量

工作量饱满，难度适中。

0.5

5

4

3

2

说明书的质量

说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范。

0.3

5

4

3

2

评阅教师评审成绩

（加权分合计乘以8）

分

加权分合计

评阅教师签名：

年月日

课程设计总评成绩

分

摘要

根据我们所学的理论知识可知，FET有两种主要类型，即：

MOSFET（metal-oxide-semiconductorfieldeffecttransistor），是金属---氧化物---半导体场效应晶体管。

还有一种是结型场效应管。

由于MOSFET制造工艺的成熟使它的体积可以做得很小，从而可以制造高密度的超大规模集成（VLSI）电路和大容量的可编程器件或存储器。

场效应管是一种利用电场效应来控制其电流大小的半导体器件。

这种期间按不仅兼有体积小、重量轻、耗电省、寿命长等特点，而且还有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、抗辐射能力强和制造工艺简单等特点，因而获得了广泛应用。

小信号MOSFET主要用于模拟电路的信号放大和阻

抗变换，近年来，功率MOSFET广泛地应用于电源、计算机及外设（软、硬盘驱动器、打印机、

扫描器等）、消费类电子产品、通信装置、汽车电子及工业控制等领域。

我要设计的MOSFET负反馈放大电路，是由三个MOSFET构成的负反馈放大电路。

共源极放大电路具有输入输出电压反相，输入电阻大等特点，采用MOSFET共源极放大电路作为MOSFET负反馈放大电路的输入级。

再利用MOSFET的其它性质构造中间级，最后用BJT做输出级。

这样设计比较容易满足空载放大增益为10倍，带宽大于10kHz等要求。

关键词：

MOSFET，共源极放大电路，负反馈，BJT

目录

课程设计任务书I

负反馈放大电路II

1设计过程及论文的基本要求III

模拟电子技术课程设计成绩评定表IV

摘要V

1设计任务描述VII

1.1设计题目：

负反馈放大电路VII

1.2设计要求：

VII

2设计思路VIII

3设计方框图IX

4各部分电路设计及参数计算X

4.1各部分电路设计X

4.1.1输入级的电路设计X

4.1.2中间级的电路设计XI

4.1.3输出级的电路设计XII

4.2各部分参数计算XIII

4.2.1输入级电路的参数计算：

XIII

4.2.2中间级电路的参数计算：

XV

4.2.3输出级电路的参数计算：

XVIII

4.2.4负反馈放大电路带宽的参数计算：

XIX

5工作过程分析:

XXI

5.1输入级的直流工作点进行分析：

XXI

5.2中间级的直流工作点进行分析：

XXIII

5.3对输出级的直流工作点进行分析：

XXVI

5.4对负反馈放大电路带宽分析：

XXVII

6元器件清单XXVIII

7主要元器件介绍XXIX

小结XXX

致谢XXXI

参考文献XXXII

附录A1负反馈放大电路XXXIII

1设计任务描述

1.1设计题目：

负反馈放大电路

1.2设计要求：

1.2.1设计目的:

（1）掌握MOSFET及BJT负反馈放大电路的构成、原理与设计方法；

（2）熟悉模拟元件的选择、使用方法。

1.2.2基本要求

（1）空载放大增益10倍，带宽>10kHz

（2）输入电阻>1MΩ，输出电阻<60Ω；

（3）两级以上的放大环节

1.2.3发挥部分

（1）带宽>100kHz。

（2）各部分直流限制电压相同，便于集成。

2设计思路

我做的课设项目是负反馈放大电路，题目要求使用MOSFET元件和BJT元件对输入的信号进行空载10倍的放大，并要求带宽；输入电阻故而我的具体设计思路如下

输入级：

这部分我采用了N沟道增强型MOSFET的共源极放大电路作为整个电路的输入级，因为共漏极放大电路虽然同样具有很高的输入电阻，但是它的电压增益还不到1，所以这并不适合对信号进行放大，然而共源极放大电路相比于共漏极放大电路具有很高的电压增益，同时还具有很高的输入电阻，虽然共栅极放大电路的电压增益也很高但是其输入电阻却很低，综合分析只有共源极放大电路最适合作为整个电路的输入级，通过将选择出来的特定型号的N沟道增强型MOSFET与输入级电路的电阻进行合理的匹配最终实现了初步放大增益的效果。

中间级：

在整个电路的中间级这部分我采用与输入级相同的N沟道增强型MOSFET共源极放大电路，这样就可以利用它的很好的放大效果对第一级输出来的信号进一步的进行放大，由于共源极放大电路会使得输出来的电压反相，这样让输出的电压又经过相同的放大这就使得第二级输出电压又经过一次反相，流入第三极的电压的相位就与流入整个电路的电压信号的相位相同。

输出级：

流入到这一级的电压基本上是完成了10倍的放大，所以就不需要在进行电压的放大了，在这一级就只需要将流入的电压保持住，同时不能将电压再一次变相，因此在这一级我采用了NPN型的三极管，它具有电压增益小于1，但接近于1，输入输出电压同相，输入电阻高，输出电阻低等特点，既满足输出级的需要有满足课设的题目要求所以很合适。

负反馈：

这部分我使用电阻值为9:

1的两个定值电阻，组成电压串联负反馈，这样就可以保持电路的稳定最终实现10倍电压放大的目的。

3设计方框图

MOSFET共源极放大电路

输入级

负反馈

MOSFET共源极放大电路

中间级

BJT_NPN放大电路

输出级

4各部分电路设计及参数计算

4.1各部分电路设计

4.1.1输入级的电路设计

由于共源极放大电路的电压增益高、输入电阻大的特点，所以将N沟道增强型MOSFET的共源极放大电路作为整个电路的输入级。

<输入级的电路图如图所示>：

图4.1.1N沟道增强型MOSFET的共源极放大电路

4.1.2中间级的电路设计

中间级采用同输入级一样的共源极放大电路，对输入的电压在一次的进行放大，同时将改变了的电压相位又再一次的变回来。

<中间级的电路图如图所示>：

图4.1.2N沟道增强型MOSFET的共源极放大电路

4.1.3输出级的电路设计

这一级我采用了NPN型的三极管放大电路，它具有电压增益小于1，但接近于1，输入输出电压同相，输入电阻高，输出电阻低等特点，所以很适合。

同时在输出级接入负反馈来维持电路的稳定。

输出级的电路图如图所示：

图4.1.3BJT_NPN放大电路

4.2各部分参数计算

4.2.1输入级电路的参数计算：

共源极放大电路的静态分析：

<静态分析的电路图如下>:

图4.2.1共源极放大电路的静态分析电路图

根据查NMOSFET的资料得知参数Kn=0.01039mA/

;Vt=0.1V;据图可得：

设NMOSFET处于管工作于饱和区:

 则  IDQ=KnVGSQ−VT2

故 

VGSQ=6.62585V 

其漏极电流:

IDQ=KnVGSQ−VT2

=0.4426mA 

其漏源电压为：

VDSQ=VDD−IDR2+R6=20−0.4426 30+0.159V=6.6502V 

由于VDSQ>VGSQ−VT=6.625−0.1V=6.525V,说明NMOS管的确工作在饱和区，前面的分析是正确的。

共源极放大电路的动态分析：

根据上面静态分析，得知数据：

ID=0.4426mA,VGSQ=6.6258V,VDSQ=6.65029V 

故小信号互导为：

gm=2Kn VGSQ−VT =2×0.4426 6.65029−0.1 mS=0.135mS 

通过查阅资料，该MOS管的参数λ=0.所以场效应管的输出电阻：

rds=1/（λKn（VGSQ−VT）2）=∞ 

输出电压为：

vo=−gmvgsR6 

而 

vi=vgs+ gmvgs R2=vgs（1+gmR2） 

故电压增益:

AV1=vovi=−gmR61+gmR2=−0.135×301+0.135×0.159≈−3.9 

输入电阻：

Ri=R2+R3∥R1≈3.03MΩ 

输出电阻：

 Ro=R5∥rds=30KΩ 

源电压增益：

Avs=VoVs=AV∙RiRi+Rs=3.9×3.03×1063.03×106+10≈−3.9

仿真结果如下：

图4.2.2左图为第一级单独作用时放大电压中图为输入电流右图为源电压

从图中可以看出第一级的放大增益

4.2.2中间级电路的参数计算：

共源极放大电路的静态分析:

<静态分析的电路图如下>:

图4.2.3  共源极放大电路的静态分析电路图

由于这一部分的电路是同输入级的完全一样所以有些数据是相同的参数Kn=0.01039mA∕V

VT=0.1V;据图可得：

设NMOSFET处于管工作于饱和区，其漏极电流:

IDQ=Kn VGSQ−VT 2

 故 

VGSQ=6.62585V 

IDQ=Kn VGSQ−VT 2=0.4426mA 

其漏源电压为：

VDSQ=VDD−IDQ R7+R9 = 20−0.4426 30+0.159  V=6.6502V 

由于VDSQ> VGSQ−VT = 6.625−0.1 V=6.525V,说明NMOS管的确工作在饱和区，上面的分析是正确的。

根据上面静态分析，得知数据：

ID=0.4426mA,VGSQ=6.6258V,VDSQ=6.65029V 

故小信号互导为：

gm=2KN VGSQ−VT =2×0.4426 6.65029−0.1 mS=0.135mS 

通过查阅资料，该MOS管的参数λ=0.所以场效应管的输出电阻：

rds=1/（λKn（VGSQ−VT）2）=∞ 

输出电压为：

vo=−gmvgsR7 

而 

vi=vgs+ gmvgs R2=vgs（1+gmR9） 

故电压增益:

AV2=vo/vi=−gmR7/（1+gmR9）=−0.135×30/（1+0.135×0.159）≈−3.9

 输入电阻：

Ri=R10+R6∥R8≈2.03MΩ 

输出电阻：

Ro=R7∥rds=30KΩ 

源电压增益：

Avs=Vo/Vs=AV2∙Ri/（Ri+Rs）=−3.9×（2.03×

）/（2.03×106+10）≈−3.9 

仿真结果如下：

图4.2.4左图为中间级实际的放大电压右图为第一级实际的输入电压

从图中可以看出第二级实际的放大增益

4.2.3输出级电路的参数计算：

<静态分析的电路图如下>:

图4.2.5输出级电路的静态分析电路图

Ri=R12║R13=1.4MΩ

rds=∞

输出电阻：

R0=1/（1/R14+1/Rds+gm）=21.6Ω

仿真结果如下：

图4.2.6左图为中间级实际的放大电压右图为第一级实际的输入电压

从图中可以看出第三级实际的放大增益：

AV3=70.714mV/102.985mV≈0.69

实际电路的电压增益为：

Av=AV1×AV2×AV3=3.85×3.86×0.69≈10

4.2.4负反馈放大电路带宽的参数计算：

通过查阅输入级，中间级的NMOSFET管得知参数：

Cgd=5pf;；Cgs=5pf;；Cgd1=5pf；Cgs1=5pf

R5=R1=R3=5KΩ、R8=R13=R16=3.03MΩ、R2=3.335Ω

输入级的等效电容：

C1=Cgd+Cgs=10pf

等效电阻：

R0=R5∥R8≈R5=5KΩ 

故第一级的上限频率：

fH1=12πR0C1=12π×5×103Ω×10pf≈3.18MHz 

对该电路进行分析可知，输入级的等效电容：

C1=Cgd+Cgs=10pf 

等效电阻：

R0=R5∥R8≈R5=5KΩ 

故第一级的上限频率：

fH1=12πR0C1=12π×5×103Ω×5pf≈3.18MHz

中间级的等效电容：

C2=Cgd1+Cgs1=10pf 

等效电阻：

RL=R1∥R13≈R1=5KΩ 

故第二级的上限频率：

fH2=12πRLC2=12π×5×103Ω×5pf≈3.18MHz 

输出级的上限频率：

C3=Cgd2+Cgs2=147pf 

等效电阻：

Rm=R3+（R16∥R2）≈5KΩ 

故输出级的上限频率：

fH3=12πR0C1=12π×5×103Ω×147pf≈216.8KHz 

由于fH3远小于fH1和fH2，所以总的上限频率：

fH≈fH3=216.8KHz 

由于电路的下限频率fL≈0HZ；所以带宽：

BW=fH−fL≈216.8KHz

5工作过程分析:

5.1输入级的直流工作点进行分析：

图5.1.1   输入级的直流工作点分析

从图中可知：

VDSQ=V5−V6=（6.72068−0.07038）V=6.6502V 

VGSQ=V22−V19=6.6258V 

由于   VDSQ> VGSQ−VT = 6.625−0.1 V=6.525V,说明NMOS管的确工作在饱和区，上面的分析是正确的。

对输入级的工作情况进行分析：

源电压信号流入第一级输出经万用表测得的图像为：

图5.1.2  左图为经第一级输出后的电压  右图为源电压

电压实际增益：

Av1

=27.358mV/7.071mV

≈3.86

源电压信号流入第一级输出经示波器测得的图像为：

图5.1.3源电压经第一级后的波形图

从两个图像中都可以看出用NMOSFET共源极放大电路作为输入级电压的增益接近4倍，从示波器中又可以清晰地看到经过放大后输入信号的电压的相位与原来的相位反相。

5.2中间级的直流工作点进行分析：

图5.2.1中间级的直流工作点分析

从图中可知：

VDSQ=V9−V10=6.65030V VGSQ=V27−V10=6.626V 

由于VDSQ> VGSQ−VT =6.526V,说明NMOS管的确工作在饱和区，上面的分析是正确的。

对中间级的工作情况进行分析：

第一级流出信号流入第二级输出经万用表测得的图像为：

图5.2.2左图为第一级输出电压右图为第二级输出电压

电压实际增益：

Av2=102.985mV/27.358mV≈3.76

经两级放大后的电压增益：

Av=Av1∙∙Av2=3.86×3.76≈14.5

源电压信号流入第二级输出经示波器测得的图像为：

图5.2.3  源电压信号波形（红色）  第二级输出电压的波形（黄色） 

在万用表的图中看到了输入级的电压增益与第一级的电压增益几乎相同，经过公式：

Av=Av1∙∙Av2=3.86×3.76≈14.5

可以知道源电压信号经过第二级时电压共增大了14.5倍。

从示波器中又可以清晰地看到经过两次放大后输入信号的电压的相位与原来的相位同相了大小也为14倍左右。

5.3对输出级的直流工作点进行分析：

图5.3.1输出级的直流工作点分析

从图中可知：

VDSQ=Vvdd−V12=17.78828V VGSQ=V10−V12=0.6923V 

由于VDSQ> VGSQ−VT =2.92V,说明工作在饱和区，上面的分析是正确的。

对输出级的工作情况进行分析：

第二级输出信号流入输出级输出经万用表测得的图像为：

图5.3.2  左图为第二级输出电压  右图为第三级输出电压

 电压实际增益：

Av3=70.714mV/102.985mV≈0.68

经三级放大后总的电压增益：

Av=Av1∙Av2∙Av3=3.86×3.76×0.68≈10

源电压信号流入第三级输出信号经示波器测得的图像为：

图5.3.3源电压信号波形（红色）第三级输出电压的波形（黄色）

可以知道源电压信号在经过这一级后电压反而减小了，这正好满足我要将源电压信号经过前两级放大的电压14倍的增益降到10倍增益的目的。

从示波器中又可以清晰地看到经过三次放大后输入信号的电压的相位与原来的相位同相，其增益几乎为10倍。

5.4对负反馈放大电路带宽分析：

经过对带宽的参数计算求得带宽：

BW=fH−fL≈216.8KHz 

仿真分析：

实际的带宽图像为：

5.4.1  实际带宽图像A 

从图5.4.1中可知负反馈放大电路下限频率为：

fL=24.06mHz

图5.4.2   实际带宽图像B

从图5.4.2中可知负反馈放大电路上限频率为：

fH=236.647KHz 

故实际的带宽：

BW=fH−fL≈236.647KHz

6元器件清单

序号

名称

型号

数量

1

定值电阻

16

2

信号源

1

3

电容

5

4

MOSFET

MOS_3TEN

3

5

BJT

NPN_VIRTUAL

1

6

万用表

XMM

2

7

示波器

XSC1

1

8

图示仪

XBP1

1

7主要元器件介绍

:

数据库名称:

主数据库

系列组:

Transistors

系列:

MOS_3TEN

名称:

2N6659

作者:

TL

日期:

October07,1998

功能:

描述:

Vdss=35

:

Vdgr=35

:

Id=1.4

:

Rds=3.6

:

gFS=0.170

:

Ft=

:

Pd=6.25

:

Package=TO-39

热敏电阻连接：

:

170.00

热敏电阻状况：

:

20.00

功耗:

6.25

降值拐点：

:

25.00

最低工作温度:

-55.00

最高工作温度:

150.00

静电放电：

:

0.00

<信号发生器>：

数据库名称:

主数据库

系列组:

Sources

系列:

POWER_SOURCES

名称:

AC_POWER

作者:

DMN

日期:

July15,2002

功能:

ACPowerSource

热敏电阻连接：

:

0.00

热敏电阻状况：

:

0.00

功耗:

0.00

降值拐点：

:

0.00

最低工作温度:

0.00

最高工作温度:

0.00

静电放电：

:

0.00

小结

为期一周的模电课设结束了，虽然一周时间很长但是我却感觉很短，因为在这一周里我过的真的很累，以前我学到的几乎都是书本上的知识，就是有问题也可以简单的查一本相关问题的参考书就解决了，以前我就认为这就叫做查资料，但是自从上了模电可是之后我才清楚地认识以前的查阅能力是非常不够的，当我接到课设题目的时候认为很简单，因为MOSFET和BJT很像嘛，可以借鉴的，可是后来我就越来越迷茫了，看到题目的要求比如带宽的输入输出电阻的，以及整体电路的构成，我瞬间就失去方向了，就是不知从何下手，后来我就上网查一些资料，又上图书馆接一些相关的书籍，以及不断地翻阅我们的重要资料，《模电电子技术基础》，可以说这个过程是很辛苦的，因为我们的这个题目涉及到了很多不是我们考试要求的内容，所以有很多的知识需要自己现学，再有就是和我们组的组员进行讨论分析，最终我设计出了完整的电路图。

有了完整的的电路图之后就是比较重要的部分相关的参数计算，就是为了让电路中的元件匹配的可以满足题目的要求我就不断地计算各元件的参数，可以说这个过程是辛苦的，每当想要改变一个参数时，还的需要改变其他的参数，真可谓是动一发而牵全身啊！

总之经过我这周不断地查阅，分析，计算，以及老师和同学的帮助。

我总算是完成了这次课设的任务。

课程虽然结束了，但是我知道学习仍在继续，我需要更