課程設(shè)計(jì)---有源負(fù)載ce放大電路的設(shè)計(jì)與仿真

1、<p>　　集成電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　　有源負(fù)載CE放大電路的設(shè)計(jì)與仿真</p><p>　　院 系： 材料與光電物理學(xué)院</p><p>　　報(bào)告提交日期： 2010 年 9 月</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘

2、 要1</b></p><p><b>　　關(guān)鍵詞1</b></p><p>　　Abstract1</p><p>　　Keywords1</p><p><b>　　1.引言2</b></p><p><b>　　2.仿真6</b

3、></p><p>　　2.1 電路介紹6</p><p>　　2.2 直流分析7</p><p>　　2.21 直流掃描分析7</p><p>　　2.22 靜態(tài)工作點(diǎn)選擇8</p><p>　　2.23 電流、功耗分析8</p><p>　　2.24 傳輸函數(shù)、輸入/輸出阻抗

4、9</p><p>　　2.3 小信號(hào)分析9</p><p>　　2.4 傅里葉分析10</p><p>　　2.5 靈敏度分析13</p><p>　　2.6 溫度分析13</p><p>　　2.7 噪聲分析14</p><p>　　3 有源負(fù)載電路的分析16</p>

5、;<p><b>　　4 總結(jié)17</b></p><p><b>　　5 致謝18</b></p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)19</p><p>　　附錄一：網(wǎng)表輸出文件20</p><p>　　附錄二：靈敏度分析輸出文件22</p><p>　　

6、有源負(fù)載CE放大電路</p><p>　　摘 要：本文對(duì)有源負(fù)載CE放大電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真。首先，本文介紹了有源負(fù)載CE放大電路的設(shè)計(jì)方法。然后，針對(duì)模擬電路的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求，本文通過(guò)PSPICE軟件仿真系統(tǒng)對(duì)有源負(fù)載CE放大電路進(jìn)行了仿真，包括直流分析、交流分析、瞬態(tài)分析、噪聲分析、傅里葉分析等仿真內(nèi)容，并簡(jiǎn)要介紹了各種仿真分析的概念，以及參數(shù)及波形圖的含義的說(shuō)明，并針對(duì)仿真內(nèi)容的不同進(jìn)行了簡(jiǎn)略和或詳細(xì)的說(shuō)

7、明。最后，本文對(duì)本次課程設(shè)計(jì)做了總結(jié)，并提到了另外一種具有優(yōu)越性的電路。</p><p>　　關(guān)鍵詞：有源負(fù)載CE放大電路 直流分析 交流分析 瞬態(tài)分析 噪聲分析 傅里葉分析PSPICE</p><p>　　The Design and Simulation of Active Load CE Amplifier</p><p>　　Abstract: This p

8、aper introduced the design and simulation of active load CE amplifier. Firstly, the design method of active load CE amplifier has introduced. Then some kinds of simulations including DC analysis, AC analysis, transient a

9、nalysis, noise analysis and Fourier analysis have been analyzed by Pspice simulation system under the characters and design require of analog circuits. In addition, the definition of each analysis the meaning of paramete

10、rs and waveforms are also mentioned in this </p><p>　　Keywords: Active load CE amplifier; DC analysis; AC analysis, Transient analysis Noise analysis Fourier analysis</p><p><b>　　1.引言<

11、;/b></p><p>　　放大現(xiàn)象存在于各種場(chǎng)合。例如：利用放大鏡放大微小物體，這是光學(xué)中的放大；利用杠桿原理?yè)硇×σ苿?dòng)重物，這是力學(xué)中的放大；利用變壓器將低電壓變換為高電壓，這是電學(xué)中的放大。研究他們的共同點(diǎn)，一是都將原物形狀或大小的差異按一定比例放大了，而是放大前后能量守恒，例如，杠桿原理中前后端做功相同，理想變壓器的原、副邊功率相同等。利用擴(kuò)音機(jī)放大聲音原理來(lái)說(shuō)明電學(xué)中的放大，如圖1所示，話筒將微

12、弱的聲音轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大電路放大成足夠強(qiáng)的電信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器使其發(fā)出較原來(lái)強(qiáng)得多的聲音。</p><p>　　圖1 擴(kuò)音機(jī)示意圖</p><p>　　放大是模擬電路最重要的一種功能，放大電路是模擬電路的一種基本形式，電子學(xué)中的放大的本質(zhì)是能量的控制和轉(zhuǎn)換，是在輸入信號(hào)下，通過(guò)放大電路將直流電源的能量轉(zhuǎn)換成負(fù)載所獲得的能量，使負(fù)載從電源獲得的能量大于信號(hào)源所提供的能量。因此，電子電路

13、放大的基本特征使功率放大。即負(fù)載總是獲得比輸入信號(hào)大得多的電壓或電流，有時(shí)兼而有之[1]。</p><p>　　工程上常用的放大電路大多是由若干基本放大電路級(jí)聯(lián)構(gòu)成的?；痉糯箅娐穾缀跏撬心M集成電路與系統(tǒng)的基本單元。其中，以電流源取代電阻作放大電路的負(fù)載的電路，稱為有源負(fù)載，由于電流源具有直流電阻小，交流電阻大的特性，用電流源作負(fù)載可以在不提高電源電壓的條件下，獲得很高的電壓增益和較寬的動(dòng)態(tài)范圍。</p

14、><p>　　如圖2所示為有源負(fù)載 CE 放大電路。電路圖中 Q2和 Q3 組成的電流源作為Q1的集電極負(fù)載，V2是信號(hào)源，VBB為Q1提供合適的偏置電壓，Q1的集電極和發(fā)射極之間電壓是輸出電壓。設(shè)晶體管Q2，Q3特性完全相同，因而</p><p>　　………………………………(1)</p><p>　　…………………………………(2)</p><p

15、>　　基準(zhǔn)電流： </p><p>　　…………………… (3)</p><p>　　根據(jù)鏡像電流源的關(guān)系式： ………………………(4)</p><p><b>　　……………(5)</b></p><p>　　可見，電路中并不需要很高的電源電壓，只要 VCC 與 R相配合

16、，就可設(shè)置合適的集電極電流。實(shí)際上，VBB所提供的直流分量，為Q3提供靜態(tài)基極電流 應(yīng)等于/β,而不應(yīng)有與鏡像電流源提供的沖突。由于Q3管的集電極有源負(fù)載交流電阻很大，Q1 管的基極電流經(jīng)放大后，全部流向負(fù)載，所以有源負(fù)載使電路的電壓放大倍數(shù)增大[2]。</p><p>　　圖2 有源負(fù)載放大電路</p><p>　　有源CE負(fù)載放大電路由于其獨(dú)特的優(yōu)越性，已經(jīng)有很多研究人員以其為基本單

17、元進(jìn)行了一些開發(fā)。如自偏置有源負(fù)載運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了低功耗，高開環(huán)增益，低輸入失調(diào)性能等特點(diǎn)[3]。能吸收和提供電流的雙向有源負(fù)載電路的設(shè)計(jì)[4]。以CE放大電路基極和集電極之間的寄生電容做負(fù)載的寬帶微波主動(dòng)電感電路的設(shè)計(jì)。[5]基于有源負(fù)載CE放大器的線性對(duì)寸差分放大器。[6]主要由有源負(fù)載差分放大器組成的VHF頻段的振蕩器[7]以及一些如解決有源負(fù)載CE放大器諧波失真[8]等方法。</p><p>　　

18、用于模擬電路仿真的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）軟件于1972年由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)小組利用FORTR AN語(yǔ)言開發(fā)而成，主要用于大規(guī)模集成電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。SPICE的正式版SPICE 2G在1975年正式推出，但是該程序的運(yùn)行環(huán)境至少為小型機(jī)。1985年，加州大學(xué)伯克利分校用C語(yǔ)言對(duì)SPICE軟件進(jìn)行了改寫， 并由MICRO

19、SIM公司推出。1988年SPICE被定為美國(guó)國(guó)家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，各種以SPICE為核心的商用模擬電路仿真軟件，在SPICE的基礎(chǔ)上做了大量實(shí)用化工作，從而使SPICE成為最為流行的電子電路仿真軟件。</p><p>　　PSPICE軟件具有強(qiáng)大的電路圖繪制功能、電路模擬仿真功能、圖形后處理功能和元器件符號(hào)制作功能，以圖形方式輸入，自動(dòng)進(jìn)行電路檢查，生成圖表，模擬和計(jì)算電路。它的用途非常廣泛，不僅可以用于電路

20、分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可用于電子線路、電路和信號(hào)與系統(tǒng)等課程的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)。與印制版設(shè)計(jì)軟件配合使用，還可實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化。被公認(rèn)是通用電路 </p><p>　　模擬程序中最優(yōu)秀的軟件，具有廣闊的應(yīng)用前景。這些特點(diǎn)使得PSPICE受到廣大電子設(shè)計(jì)工作者、科研人員和高校師生的熱烈歡迎，國(guó)內(nèi)許多高校已將其列入電子類本科生和碩士生的輔修課程。 </p><p>　　圖形界面友好，易學(xué)易用，操

21、作簡(jiǎn)單。由Dos版本的PSPICE到Windows版本的PSPICE，使得該軟件由原來(lái)單一的文本輸入方式而更新升級(jí)為輸入原理圖方式，使電路設(shè)計(jì)更加直觀形象。PSPICE 6.0以上版本全部采用菜單式結(jié)構(gòu)，只要熟悉Windows操作系統(tǒng)就很容易學(xué)，利用鼠標(biāo)和熱鍵一起操作，既提高了工作效率，又縮短了設(shè)計(jì)周期。即使沒(méi)有參考書，用戶只要具備一定的英語(yǔ)基礎(chǔ)就可以通過(guò)實(shí)際操作很快掌握該軟件。 </p><p>　　實(shí)用性強(qiáng)，

22、仿真效果好在PSPICE中，對(duì)元件參數(shù)的修改很容易，它只需存一次盤、創(chuàng)建一次連接表，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜電路的仿真。如果用Protel等軟件進(jìn)行參數(shù)修改仿真，則過(guò)程十分繁瑣。在改變一個(gè)參數(shù)時(shí)，哪怕是一個(gè)電阻阻值的大小都需要重新建立網(wǎng)絡(luò)表的連接，設(shè)置其他參數(shù)更為復(fù)雜。 </p><p>　　功能強(qiáng)大，集成度高在PSPICE內(nèi)集成了許多仿真功能，如：直流分析、交流分析、噪聲分析、溫度分析等 ，用戶只需在所要觀察的節(jié)點(diǎn)放

23、置電壓（電流）探針，就可以在仿真結(jié)果圖中觀察到其“電壓（(或電流)）-時(shí)間圖”。而且該軟件還集成了諸多數(shù)學(xué)運(yùn)算，不僅為用戶提供了加、減、乘、除等基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算，還提供了正弦、余弦、絕對(duì)值、對(duì)數(shù)、指數(shù)等基本的函數(shù)運(yùn)算，這些都是其他軟件所無(wú)法比擬的。 </p><p>　　另外，用戶還可以對(duì)仿真結(jié)果窗口進(jìn)行編輯，如添加窗口、修改坐標(biāo)、疊加圖形等 ，還具有保存和打印圖形的功能，這些功能都給用戶提供了制作所需圖形的一種快

24、捷、簡(jiǎn)便的方法。因此，Windows版本的PSPICE更優(yōu)于Dos版本的PSPICE，它不但可以輸入原理圖方式，而且也可以輸入文本方式。無(wú)疑是廣大電子電路設(shè)計(jì)師的好幫手。</p><p>　　PSPICE是計(jì)算機(jī)輔助分析設(shè)計(jì)中的電路模擬軟件。它主要用于所設(shè)計(jì)的電路硬件實(shí)現(xiàn)之前，先對(duì)電路進(jìn)行模擬分析，就如同對(duì)所設(shè)計(jì)的電路用各種儀器進(jìn)行組裝、調(diào)試和測(cè)試一樣，這些工作完全由計(jì)算機(jī)來(lái)完成。用戶根據(jù)要求來(lái)設(shè)置不同的參數(shù)，計(jì)

25、算機(jī)就像掃描儀一樣，分析電路的頻率響應(yīng)，像示波器一樣，測(cè)試電路的瞬態(tài)響應(yīng)，還可以對(duì)電路進(jìn)行交直流分析、噪聲分析、Monte Carlo統(tǒng)計(jì)分析、最壞情況分析等，使用戶的設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)效果。以往一個(gè)新產(chǎn)品的研制過(guò)程需要經(jīng)過(guò)工程估算，試驗(yàn)板搭試、調(diào)整，印刷板排版與制作，裝配與調(diào)試，性能測(cè)試，測(cè)試指標(biāo)不合格，再?gòu)恼{(diào)整開始循環(huán)，直至指標(biāo)合格為止。這樣往往需要反復(fù)實(shí)驗(yàn)和修改。而仿真技術(shù)可將“實(shí)驗(yàn)”與“修改”合二為一。為確定元件參數(shù)提供了科學(xué)的依據(jù)。

26、它的優(yōu)點(diǎn)主要有： </p><p>　　(1)為電路設(shè)計(jì)人員節(jié)省了大量的時(shí)間。 </p><p>　　(2)節(jié)省了各種儀器設(shè)備。 </p><p>　　(3)生產(chǎn)產(chǎn)品一致性好、可靠性高。 </p><p>　　(4)產(chǎn)品的更新率高、新產(chǎn)品投放市場(chǎng)快等。 </p><p>　　PSPICE程序采用改進(jìn)節(jié)點(diǎn)法列電路方程，用

27、牛頓-萊普生方法的改進(jìn)算法進(jìn)行非線性分析，用變節(jié)步長(zhǎng)的隱式積分法進(jìn)行瞬態(tài)分析，在求解線性代數(shù)方程組時(shí)，采用了稀疏矩陣技術(shù)。[9]</p><p>　　本文將分析計(jì)算有源負(fù)載 CE放大電路的基本特性，討論他的主要特點(diǎn).并通過(guò)Pspice軟件對(duì)有源CE放大電路進(jìn)行仿真。</p><p><b>　　2.仿真</b></p><p>　　本文中利用的

28、是 PSpice（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）進(jìn)行仿真。Pspice是美國(guó)MicroSim公司于20世紀(jì)80年代開發(fā)的電路模擬軟件。它以圖形方式輸入，自動(dòng)進(jìn)行電路檢測(cè)，生成網(wǎng)表文件，具有模擬和計(jì)算電路的功能。它是一個(gè)多功能的電路模擬試驗(yàn)平臺(tái)，PSPICE軟件由于收斂性好，適于做系統(tǒng)及電路級(jí)仿真，具有快速、準(zhǔn)確的仿真能力。[10]</p><p

29、>　　本文將對(duì)有源CE負(fù)載放大電路進(jìn)行直流分析，交流分析，傅里葉分析，靈敏度分析，溫度分析，噪聲分析等。</p><p><b>　　2.1 電路介紹</b></p><p>　　有源CE放大電路的電路圖如圖2所示，其中 Q2和 Q3 組成的電流源作為Q1的集電極負(fù)載，V2是信號(hào)源，VBB為Q1提供合適的偏置電壓，Q1的集電極和發(fā)射極之間電壓是輸出電壓。圖3是電

30、路的輸入網(wǎng)單文件，他是PSpice中的除圖形輸入方式之外的另一種輸入方式。</p><p>　　圖3 電路的輸入網(wǎng)單文件</p><p>　　2.2 直流分析 </p><p>　　非線性直流分析功能簡(jiǎn)稱直流分析。它是計(jì)算直流電壓源或直流電流源作用于電路時(shí)電路的工作狀態(tài)。對(duì)電路進(jìn)行的直流分析主要包括直流工作點(diǎn)分析、直流掃描分析和轉(zhuǎn)移函數(shù)分析。</p>

31、<p>　　2.21 直流掃描分析</p><p>　　直流掃描分析是指輸入變量在限制范圍內(nèi)以遞增或遞減方式執(zhí)行電路的直流分析。它主要是將電路中的直流電源、工作溫度、元件參數(shù)作為掃描變量，讓這些參量以特定的規(guī)律進(jìn)行掃描，從而獲取這些參量變化對(duì)電路各種性能參數(shù)的影響。[11]</p><p>　　如圖4是電路的直線傳輸特性曲線。由圖4可知，當(dāng)VBB<0.676V時(shí)，Vout

32、=V(4)≈12V，此時(shí)Q1截止，Q2飽和（CE之間壓降很?。?；當(dāng)VBB>0.684V時(shí)，Vout=V(4)<0.2912V,此時(shí)Q1工作在飽和狀態(tài)，Q2工作在放大狀態(tài)；當(dāng)0.676<VBB<0.684V時(shí)，傳輸特性接近于直線，電路處于放大狀態(tài)，這一段直線很陡峭，因?yàn)殡妷涸鲆婧芨?。這是因?yàn)镼2、Q3組成的電流源電阻R0很大，使放大電路總的交流負(fù)載很大。</p><p>　　圖4 電路的直線

33、傳輸特性曲線</p><p>　　2.22 靜態(tài)工作點(diǎn)選擇</p><p>　　靜態(tài)工作點(diǎn)是電路正常工作的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)的分析，可以知道電路中各元件的電壓和電流，從而知道電路是否正常工作以及工作的狀態(tài)。一般在對(duì)電路進(jìn)行仿真的過(guò)程中，首先要對(duì)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)行分析和計(jì)算。</p><p>　　由圖4 的傳輸特性曲線可以看出，為了使Vout的動(dòng)態(tài)范圍最

34、大，應(yīng)使輸出接點(diǎn)的靜態(tài)電壓Vout ≈ Vcc/2，此時(shí)對(duì)應(yīng)的基極偏置電壓為0.6802V，在此情況下，對(duì)電路進(jìn)行工作點(diǎn)分析，電路的網(wǎng)表文件屬性見附錄一?？傻酶鞴?jié)點(diǎn)電壓如表1所示。晶體管的參數(shù)模型參見附錄一。</p><p>　　表1 電路各節(jié)點(diǎn)電壓</p><p>　　2.23 電流、功耗分析</p><p>　　由附錄一中的以下文件（表2）：</p>

35、<p>　　表2 電壓源的電流值</p><p>　　可以知道電壓源 VBB 的電流值為 5.114uA,Vcc 的電流值為1.053mA，電壓源Vs的電流值為5.114uA。該電路的總功耗為1.26E-02W。</p><p>　　2.24 傳輸函數(shù)、輸入/輸出阻抗</p><p>　　線性系統(tǒng)（或元件）在初始條件0時(shí)，輸出量的拉式變換與輸入量的拉式

36、變換之比，稱為該系統(tǒng)（或元件）的傳輸函數(shù)。[12]</p><p>　　因?yàn)橹绷鱾鬏敽瘮?shù)并沒(méi)有計(jì)算圖形數(shù)據(jù)，所以不會(huì)產(chǎn)生圖形文件，所以分析</p><p>　　結(jié)果都在文字文件中[13]，如表3所示：</p><p><b>　　表3 小信號(hào)特性</b></p><p>　　可以知道電路的傳遞函數(shù)為1.511E+03，輸

37、入電阻為5.217KΩ，輸出電阻為74.85KΩ。</p><p><b>　　2.3 小信號(hào)分析</b></p><p>　　交流小信號(hào)的主要功能是計(jì)算電路的頻率響應(yīng)（包括幅頻特性和相頻特性），以及計(jì)算電路的輸入阻抗和輸出阻抗。</p><p>　　對(duì)電路進(jìn)行小信號(hào)分析，得到電壓增益A的幅頻特性如圖5中紅色的曲線所示。其低頻增益為1511（約

38、為63.6dB），上限截至頻率87.1kHz。圖中藍(lán)色的曲線是Q1基極（即借點(diǎn)（3））電壓的幅頻特性曲線（擴(kuò)大1000倍即1000*V（3）），很明顯其上限截止頻率遠(yuǎn)大于10MHz。</p><p>　　圖5 電壓增益的幅頻特性</p><p>　　由圖2可以看出，他的高頻率等效電路存在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)——輸入節(jié)點(diǎn)（3）和輸出借點(diǎn)（4）。每個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)高頻極點(diǎn)，其頻率與該節(jié)點(diǎn)對(duì)地等效電阻和等效電

39、容的乘積（即時(shí)間常數(shù)）成正比。由于輸出節(jié)點(diǎn)（4）是高阻節(jié)點(diǎn)，其對(duì)地等效電阻很大，該節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的極點(diǎn)是主極點(diǎn)，所以整個(gè)電路的高頻響應(yīng)特性主要由輸出節(jié)點(diǎn)的時(shí)間常數(shù)決定。圖5所示的兩條頻率特性曲線充分地說(shuō)明了這一點(diǎn)。</p><p>　　使用外加電壓法計(jì)算電路的輸出阻抗（語(yǔ)句為 COUT 4 7 10U和VOUT 7 0 AC 1）。由此而得出輸出阻抗特性如圖6所示。由圖可見輸出阻抗74.9K。</p>&

40、lt;p><b>　　2.4 傅里葉分析</b></p><p>　　傅里葉分析是在大信號(hào)正弦瞬態(tài)分析時(shí)，對(duì)輸出的最后一個(gè)周期波形進(jìn)行諧波分析，計(jì)算出直流分量，基波，第2到第9次諧波分量以及失真度，從輸出文本文件（*OUT）中可以讀到傅里葉分析的結(jié)果，在probe在Probe界面下也可以觀察到諧波分布圖。</p><p><b>　　圖6 輸出阻抗特性

41、</b></p><p>　　設(shè)輸入信號(hào)為正弦波，，對(duì)電路進(jìn)行瞬態(tài)分析和傅里葉分析，響應(yīng)的語(yǔ)句為</p><p>　　VS 2 1 AC 1 SIN(0 4.4M 1K)</p><p>　　.TRAN 10U 2MS</p><p>　　.FOUR 1K V(4)</p><p>　　當(dāng)輸入信號(hào)為4.4m

42、V時(shí)，輸出電壓V0的波形如圖7所示，已經(jīng)出現(xiàn)了“切頂”失真，此時(shí)總譜波失真洗數(shù)D≈4.83%?？梢姖M足小信號(hào)條件的最大輸入幅度約為4.4mV。</p><p>　　圖7 輸入為4.4mV時(shí)輸出波形</p><p>　　在輸出文本中可以看到輸出電壓V(4)的傅里葉分析結(jié)果如表4所示：</p><p>　　表4 傅里葉分析輸出結(jié)果</p><p>

43、;　　上述結(jié)果除了給出直流分量是5.975997V以外，還給出了基波和2至9次諧波的幅度、相位值以及歸一化的幅度、相位值、最后給出了總的諧波失真系數(shù)4.28%，失真系數(shù)的計(jì)算公式是</p><p><b>　　………………（6）</b></p><p>　　其中Vout1是基波幅度（1kHz），而Vout2……Vout9分別代表2~9次諧波的幅度。</p>

44、<p>　　通過(guò)上面的計(jì)算結(jié)果可以看出：</p><p>　　由于電流源具有直流電阻小，交流電阻大的特性，顧以電流源作負(fù)載可以在不提高直流電流電壓的條件下獲得很高的電壓增益。</p><p>　　電路的直流傳輸特性曲線很陡，表明輸入直流偏壓VBB的微小變化或晶體管參數(shù)的變化會(huì)引起輸出靜</p><p>　　態(tài)電壓有很大的漂移，其工作點(diǎn)的穩(wěn)定性很差。&l

45、t;/p><p>　　3.電路的輸出電阻很大，帶負(fù)載能力弱，因此他要求負(fù)載電阻RL盡可能大一些。</p><p>　　4.由于電阻增益很高，輸入信號(hào)幅度很小時(shí)其輸出電壓即可能產(chǎn)生明顯的非線性失真，這也與以一般電阻作負(fù)載的放大電路有所不同。</p><p><b>　　2.5 靈敏度分析</b></p><p>　　靈敏度分析

46、是在工作點(diǎn)附近將所有的元件線性化后，計(jì)算各元器件參數(shù)值變化時(shí)對(duì)電路性能影響的敏感程度。通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行靈敏度分析，可以預(yù)先知道電路中的各個(gè)元件對(duì)電路的性能影響的重要程度。對(duì)于那些對(duì)電路性能有重要影響的元件，要在電路的生產(chǎn)或元件的選擇時(shí)給予特別的關(guān)注。絕對(duì)靈敏度（element sensitivity）是指元器件參數(shù)變化單位值時(shí)，輸出變量的相應(yīng)變化量，公式是</p><p>　　………………………………（7）<

47、/p><p>　　其中 p為元件參數(shù)，V。為輸出變量。</p><p>　　相對(duì)靈敏度又成為歸一化靈敏度（normalized sensitivity），是指元器件參數(shù)變化1%時(shí)，輸出變量的相對(duì)變化量，公式是</p><p>　　……………………（8）</p><p>　　各個(gè)元件靈敏度分析的輸出文本文件見附錄二，我們可以看出，電阻RS的靈敏度要

48、相對(duì)較高，我們可以通過(guò)調(diào)節(jié)電阻的值來(lái)調(diào)節(jié)電阻的靈敏度。RS的靈敏度是正的，我們可以通過(guò)增大RS來(lái)提高Vout的值。</p><p><b>　　2.6 溫度分析</b></p><p>　　眾所周知，電阻的值以及晶體管的許多模型參數(shù)值與溫度的關(guān)系非常密切。如果改變溫度，必然通過(guò)這些元件參數(shù)值的變化導(dǎo)致電路特性的變化。PSpice中所有的原器件參數(shù)和模型參數(shù)都假定是其常

49、溫下的值（常溫的隱含值為27oC）。</p><p>　　溫度分析過(guò)程中，將電路的溫度作為掃描變量進(jìn)行分析。因?yàn)殡娐返闹饕骷奶匦远际桥c溫度有關(guān)的，所以這就為分析電路在環(huán)境變化是的工作情況提供了一種非常有用的工具。特別重要的是，通過(guò)這種分析，我們可以預(yù)測(cè)電路在某些特殊環(huán)境如極端溫度條件或極端電源電壓條件或元件開路短路條件下電路的工作情況，從而在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)采取必要的預(yù)防措施。</p><p

50、>　　如圖8所示為溫度分析時(shí)，輸出V（4）對(duì)VBB變化的波形圖，其中紅色、藍(lán)色黃色分別代表0°C、50°C、100°C溫度下的特征曲線。</p><p>　　圖8 電路圖的溫度分析</p><p><b>　　2.7 噪聲分析</b></p><p>　　電阻和半導(dǎo)體元件在電路操作過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生噪聲。他的主要

51、來(lái)源是電阻上產(chǎn)生的熱噪聲，半導(dǎo)體器件產(chǎn)生的散粒噪聲和閃爍噪聲。這一節(jié)，本文將通過(guò)PSpice軟件對(duì)電路中電阻和晶體管所產(chǎn)生的噪聲對(duì)輸出的影響程度進(jìn)行分析。</p><p>　　噪聲分析的結(jié)果分為波形文檔和文字?jǐn)?shù)據(jù)文檔兩種， 如圖 6 是噪聲分析的波形圖，圖中V（INOISE）表示等效輸入噪聲波形，他是從輸入電壓源計(jì)算的到，V(ONOISE)時(shí)RMS噪聲，是通過(guò)輸出接點(diǎn)Out計(jì)算得到。如附錄一所示是噪聲分析輸出文本

52、文件，從中我們可以看出，頻率為1kHz,10kHz,100Khz,1MHz,10MHz和 100MHz 時(shí)的噪聲分析結(jié)果，表5列出頻率 =1KHz時(shí)的噪聲信息：</p><p>　　則由表5可以看出，晶體管Q3三個(gè)體電阻的熱噪聲電壓方值分別為：, ,, 散粒噪聲, 。晶體管總的噪聲電壓方值為。放大電路偏置電阻R2和電流鏡電阻R1的熱噪聲均方電壓值分別為, 。在輸出接點(diǎn)Out，輸出總噪聲電壓為或者對(duì)于晶體管Q1和Q

53、2，其各種噪聲也可以很清晰地從以上所列出的噪聲信息中看出。放大大電路等效輸入輸出噪聲電壓和的均方根信息如圖9所示。</p><p>　　表5 頻率為1KHz時(shí)的傅里葉分析輸出文件</p><p>　　圖9 等效噪聲電壓和的均方根信息</p><p>　　3 有源負(fù)載電路的分析</p><p>　　有源負(fù)載差分放大電路是其中的一種。其利用鏡像電

54、流源可以使單端輸出差分放大電路的差模放大倍數(shù)提高到接近雙端輸出時(shí)的情況，常見的電路形式如圖10所示。從圖10可看出，用鏡像電流源作有源負(fù)載，不但可將T1電極電流變化轉(zhuǎn)換為輸出電流，而且還將所有變化電流流向負(fù)載。可以看出，有源負(fù)載放大電路不僅單級(jí)電路電壓放大倍數(shù)高，還可以改善放大電路的其他性能。若 為恒流源輸出電阻ro與負(fù)載電阻RL的并聯(lián)值，只要RL足夠大，這種電路的電壓放大倍數(shù)可高達(dá)幾千倍。而且放大倍數(shù)與負(fù)載兩端直流壓降（或Ic）無(wú)關(guān)。

55、而對(duì)于有源差分放大電路，如圖10所示，這種差動(dòng)放大電路不僅電壓放大倍數(shù)大，而且共模輸入電壓范圍也大。T3 管集電極電流為IC3，T4 管集電極電流為 – IC4，且- IC4 = IC3 ；當(dāng)T3管集電極電流增加的同時(shí)，T2 管電流必然也增加，且IC3 = IC2；由于IC2與IC1 為鏡像關(guān)系，即IC2= IC1，這樣流過(guò)負(fù)載的電流IL = IC1 – IC4 = IC2- IC4= IC3- IC4 = 2 IC3；即負(fù)載中得到的是

56、單端輸出信號(hào)電流的兩倍，也就是等于雙端輸出時(shí)的信號(hào)電流。這表明恒流源負(fù)載差</p><p>　　圖10 有源差分放大電路</p><p><b>　　4 總結(jié)</b></p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)做的是有源負(fù)載CE放大電路的設(shè)計(jì)與仿真，通過(guò)上文中的分析，得到了有源負(fù)載CE放大電路的直流分析，噪聲分析，瞬態(tài)分析，傅里葉分析等的波形圖，而且可以

57、發(fā)現(xiàn)，各項(xiàng)的仿真結(jié)果與預(yù)想的結(jié)果基本相同。另外，通過(guò)兩種典型的有源負(fù)載電路對(duì)有源負(fù)載電路的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了分析。如：有源負(fù)載放大電路比單級(jí)電路電壓放大倍數(shù)高；恒流源負(fù)載差動(dòng)放大電路能在不降低放大倍數(shù)和共模抑制比的前提下，將雙端輸出變?yōu)閱味溯敵?，?shí)現(xiàn)單端化等。從而加深了對(duì)有源負(fù)載電路的理解。</p><p>　　從仿真結(jié)果及軟件的應(yīng)用中，可以發(fā)現(xiàn)PSPICE軟件的強(qiáng)大功能和特點(diǎn)。如圖形界面友好，易學(xué)易用，操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性

58、強(qiáng)，仿真效果好，集成度高等。用戶可以根據(jù)要求來(lái)設(shè)置不同的參數(shù)，計(jì)算機(jī)就像掃描儀一樣，分析電路的頻率響應(yīng)，像示波器一樣，測(cè)試電路的瞬態(tài)響應(yīng)，還可以對(duì)電路進(jìn)行交直流分析、噪聲分析、Monte Carlo統(tǒng)計(jì)分析、最壞情況分析等，使用戶的設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)效果。而且仿真技術(shù)可將“實(shí)驗(yàn)”與“修改”合二為一。為確定元件參數(shù)提供了科學(xué)的依據(jù)。它還有以下的一些主要優(yōu)點(diǎn)的，如：為電路設(shè)計(jì)人員節(jié)省了大量的時(shí)間。節(jié)省了各種儀器設(shè)備。生產(chǎn)產(chǎn)品一致性好、可靠性高。產(chǎn)

59、品的更新率高、新產(chǎn)品投放市場(chǎng)快等。</p><p><b>　　5 致謝</b></p><p>　　首先感謝指導(dǎo)老師xx教授，xx老師對(duì)我們給予了悉心的教導(dǎo)，才使這次課程設(shè)計(jì)得以順利進(jìn)行。</p><p>　　同時(shí)，我要感謝班上的同學(xué)們，在做報(bào)告的過(guò)程中是他們跟我探討了不少問(wèn)題，在我遇到困難的時(shí)候是他們給予了我耐心的幫助。</p>

60、<p>　　特別感謝xx同學(xué)在全文排版上的指導(dǎo)。</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]華成英 童詩(shī)白 模擬電路技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）[M]北京：高等教育出版社 74-75</p><p><b>　　頁(yè)</b></p><p>　　[3]錢江 桑紅

61、石 陳嘉 一種新穎的自偏置有源負(fù)載放大[J] 微電子學(xué) 2008.10 684-687</p><p>　　[4]K.H.Kang 雙向有源負(fù)載[J] 電子產(chǎn)品世界 1995.07 57頁(yè)</p><p>　　[5]Campbell C.F Weber R.J Design of a broadband microwave BJT active inductor circuit[J

62、] Midwest Symposium on Circuits and Systems(Cat. No.91CH3143-5) Monterey, CA, USA, 14-17 May 1991</p><p>　　[6]Pavlovic V.D. Djordjevic S.D. A novel structure of the fully differential cmos amplifier with sy

63、mmetric active load[J] International Journal of Electronics 2009.04 331-349 </p><p>　　[7]Chershiung Tsai Mingyuan Guo A VHF oscillator design based on BJT active load differential amplifier[J] IEEE Confere

64、nce on Electron Devices and Solid-State Circuits-EDSSC 2007 917-920</p><p>　　[8]Ozcan S Kuntman H A new method aimed at reducing harmonic distortion in active-loader BJT amplifiers[J] Microelectronics Jo

65、urnal 2009.2 683-689</p><p>　　[10]汪建明 PSpice電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M] 北京：國(guó)防工業(yè)出版社 2007.9 3-5頁(yè)</p><p>　　[11]高文煥 汪蕙 模擬電路的計(jì)算機(jī)分析與設(shè)計(jì)—PSpice程序應(yīng)用[M] 北京：清華大學(xué)出版社 1999 20-25頁(yè)</p><p>　　[12]高國(guó)燊 余文烋 彭康擁 陳好來(lái) 自動(dòng)控

66、制原理（第二版）[M] 廣州：華南理工大學(xué)出版社 27-30頁(yè)</p><p>　　[13]盧勤庸 電子電路仿真——基于Pspice A/D[M] 北京：科學(xué)出版社，2009 50-52</p><p><b>　　附 錄</b></p><p>　　附錄一：網(wǎng)表輸出文件</p><p>　　A ACTIVE LOAD

67、 CE AMP</p><p>　　**** CIRCUIT DESCRIPTION</p><p>　　******************************************************************************</p><p>　　Q1 4 3 0 MOD1</p><p>　　Q2

68、 4 5 6 MOD2</p><p>　　Q3 5 5 6 MOD2</p><p>　　RS 2 3 100</p><p>　　R1 5 0 22K</p><p>　　VBB 1 0 0.6802</p><p>　　VCC 6 0 12</p><p>　　VS 2 1 AC 1 SI

69、N(0 4.4M 1K)</p><p><b>　　*VS 2 1</b></p><p>　　.MODEL MOD1 NPN BF=100 IS=2E-15 RB=60</p><p>　　+VAF=100 CJC=2P TF=0.35NS</p><p>　　.MODEL MOD2 PNP BF=50 IS=2E

70、-15 RB=100</p><p>　　+VAF=60 CJC=10P TF=7.4NS</p><p>　　*COUT 4 7 10U</p><p>　　*VOUT 7 0 AC 1</p><p><b>　　.OP</b></p><p>　　.DC VBB 0.64 0.72 0.00

71、1</p><p>　　*.AC DEC 10 10 10MEG</p><p>　　*.TRAN 10U 4MS</p><p>　　*.FOUR 1K V(4)</p><p><b>　　.PROBE </b></p><p><b>　　.END</b></p&

72、gt;<p>　　**** BJT MODEL PARAMETERS</p><p>　　******************************************************************************</p><p>　　MOD1 MOD2 </p><p&g

73、t;　　NPN PNP </p><p>　　IS 2.000000E-15 2.000000E-15 </p><p>　　BF 100 50 </p><p>　　NF 1 1 </p>

74、<p>　　VAF 100 60 </p><p>　　BR 1 1 </p><p>　　NR 1 1 </p><p>　　RB 60 100

75、 </p><p>　　CJC 2.000000E-12 10.000000E-12 </p><p>　　TF 350.000000E-12 7.400000E-09 </p><p>　　CN 2.42 2.2 </p><p>　　D .87

76、 .52 </p><p>　　**** SMALL SIGNAL BIAS SOLUTION TEMPERATURE = 27.000 DEG C</p><p>　　******************************************************************************</p>

77、<p>　　NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE NODE VOLTAGE</p><p>　　( 1) .6802 ( 2) .6802 ( 3) .6797 ( 4) 6.0028 </p><p>　　( 5) 1

78、1.3200 ( 6) 12.0000 </p><p>　　VOLTAGE SOURCE CURRENTS</p><p>　　NAME CURRENT</p><p>　　VBB -5.114E-06</p><p>　　VCC -1.053E-03</p>&l

79、t;p>　　VS -5.114E-06</p><p>　　TOTAL POWER DISSIPATION 1.26E-02 WATTS</p><p>　　**** OPERATING POINT INFORMATION TEMPERATURE = 27.000 DEG C</p><p>　　*********

80、*********************************************************************</p><p>　　**** BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS</p><p>　　NAME Q1 Q2 Q3 </p><p>　　MO

81、DEL MOD1 MOD2 MOD2 </p><p>　　IB 5.11E-06 -9.90E-06 -9.90E-06 </p><p>　　IC 5.39E-04 -5.39E-04 -4.95E-04 </p><p>　　VBE 6

82、.80E-01 -6.80E-01 -6.80E-01 </p><p>　　VBC -5.32E+00 5.32E+00 0.00E+00 </p><p>　　VCE 6.00E+00 -6.00E+00 -6.80E-01 </p><p>　　BETADC 1.05E+02 5.

83、44E+01 5.00E+01 </p><p>　　GM 2.08E-02 2.08E-02 1.91E-02 </p><p>　　RPI 5.06E+03 2.61E+03 2.61E+03 </p><p>　　RX 6.00E+01 1.00E+02 1.0

84、0E+02 </p><p>　　RO 1.96E+05 1.21E+05 1.21E+05 </p><p>　　CBE 7.29E-12 1.54E-10 1.42E-10 </p><p>　　CBC 1.00E-12 5.02E-12 1.00E-11 </p&

85、gt;<p>　　CJS 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00 </p><p>　　BETAAC 1.05E+02 5.44E+01 5.00E+01 </p><p>　　CBX/CBX2 0.00E+00 0.00E+00 0.00E+00 </p><p>

86、;　　FT/FT2 4.00E+08 2.08E+07 2.01E+07 </p><p>　　附錄二：靈敏度分析輸出文件</p><p>　　DC SENSITIVITIES OF OUTPUT I(VBB)</p><p>　　ELEMENT ELEMENT ELEMENT NORMALIZED

87、</p><p>　　NAME VALUE SENSITIVITY SENSITIVITY</p><p>　　(AMPS/UNIT) (AMPS/PERCENT)</p><p>　　RS 1.000E+02 9.802E-10 9.802E-10</p>&l

88、t;p>　　R1 2.200E+04 -1.768E-15 -3.890E-13</p><p>　　VBB 6.802E-01 -1.917E-04 -1.304E-06</p><p>　　VCC 1.200E+01 4.034E-12 4.840E-13

89、</p><p>　　VS 0.000E+00 -1.917E-04 0.000E+00</p><p><b>　　Q1</b></p><p>　　RB 6.000E+01 9.802E-10 5.881E-10</p><p>

90、;　　RC 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00</p><p>　　RE 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00</p><p>　　BF 1.000E+02 4.957E-08 4.957E-08</p

91、><p>　　ISE 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00</p><p>　　BR 1.000E+00 -1.939E-15 -1.939E-17</p><p>　　ISC 0.000E+00 0.000E+00 0

92、.000E+00</p><p>　　IS 2.000E-15 -2.479E+09 -4.957E-08</p><p>　　NE 1.500E+00 0.000E+00 0.000E+00</p><p>　　NC 2.000E+00 0.0

93、00E+00 0.000E+00</p><p>　　IKF 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00</p><p>　　IKR 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00</p><p>　　VAF 1.000

94、E+02 1.972E-14 1.972E-14</p><p>　　VAR 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00</p><p><b>　　Q2</b></p><p>　　RB 1.000E+02 -1.409E-14

95、 -1.409E-14</p><p>　　RC 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00</p><p>　　RE 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00</p><p>　　BF 5.000E+01

96、 4.315E-14 2.157E-14</p><p>　　ISE 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00</p><p>　　BR 1.000E+00 -5.809E-22 -5.809E-24</p><p>　　ISC

97、 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00</p><p>　　IS 2.000E-15 1.843E+04 3.685E-13</p><p>　　NE 1.500E+00 0.000E+00 0.000E+00</p><p>

98、;　　NC 2.000E+00 0.000E+00 0.000E+00</p><p>　　IKF 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00</p><p>　　IKR 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00</p

99、><p>　　VAF 6.000E+01 -5.294E-14 -3.176E-14</p><p>　　VAR 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00</p><p><b>　　Q3</b></p><p>　　RB

100、 1.000E+02 1.405E-14 1.405E-14</p><p>　　RC 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00</p><p>　　RE 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00</p>

101、<p>　　BF 5.000E+01 -1.314E-14 -6.572E-15</p><p>　　ISE 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00</p><p>　　BR 1.000E+00 1.066E-23 1.066E-

102、25</p><p>　　ISC 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00</p><p>　　IS 2.000E-15 -1.837E+04 -3.675E-13</p><p>　　NE 1.500E+00 0.000E+00

103、 0.000E+00</p><p>　　NC 2.000E+00 0.000E+00 0.000E+00</p><p>　　IKF 0.000E+00 0.000E+00 0.000E+00</p><p>　　IKR 0.000E+00