相位鉴频器电路设计与仿真.doc

高频电子线路论文课题：相位鉴频器电路设计与仿真专业：电子信息工程 班级：电信14-1BF姓名：贺红运 学号日期：2016-06-12摘 要本文介绍作品采用Multisim14对四输入或非门电路进行绘制电路图及仿真工作以及Altium Designer进行绘制电路图制作PCB 板。主要介绍了四输入或非门电路的制作原理以及Multisim14和Altium Designer的一些基本的操作和用法。例如，原理图sch的绘制，当然其中也包括元件的制作；印刷电路板PCB的制作；对电路原理图进行仿真。电路分块清晰，PCB板美观、模块清晰。经仿真电路原理正确。达到任务要求。运用PROTEL软件绘制最小系统原理图及部分外围扩展，在使用该软件当中，学会创建设计文档管理库，加载元件库，绘制电路图，放置电源部件，修改元件参数，生成网络表文件，同时还要将自己设计的电路原理图生成PCB电路板图等方法。在此基础之上将自己设计的电路进行仿真，并对其波形及数据进行分析。关键词：Multisim，Altium Designer，或非门，PCBAbstractThis paper introduces the Multisim14 works to four input or circuit diagram and draw nor simulation work and draw a circuit diagram Altium Designer making PCB. Mainly introduced the four input or making principle and the longest-serving outfield circuit Multisim14, Altium Designer and some of the basic operation and usage. For example, drawing the principle diagram SCH, of course, including making of component; Printed circuit board PCB production; The circuit principle diagram of simulation. Circuit block is clear, the PCB is beautiful, module is clear. The simulation circuit principle correct. Task to requirements.Use of PROTEL software rendering minimum system diagram and part of the peripheral expansion, in the use of the software, learn to create design of document management library, loading element database, draw a circuit diagram, placed the power components, modify, generating network device parameters, and also list document will of their own design of the circuit principle diagram generation PCB chart method. On the basis of their own design will circuit simulation, and the waveform and data analysis.Key words: Multisim, Altium Designer, or not gate, PCB目录1 绪论12 设计内容及要求22.1 设计目的及主要任务22.1.1 设计目的22.1.2 设计任务及要求22.2 设计思想23 晶体管简介33.1 三极管简介33.2 三极管工作原理43.3 二极管简介64 电路设计原理84.1 设计原理图84.2 基本放大电路的原理及特点84.2.1 基本放大电路的原理84.2.2 三极管放大电路特点94.3 发射极耦合电路94.3.1 ECL门电路94.3.2 ECL门电路工作原理104.3.3 ECL门电路的主要特点114.4 ECL门电路的实用125 软件仿真与硬件调试135.1 multisim10仿真135.1.1 仿真图示135.1.2 仿真结果145.2 Protel绘制PCB版图165.3 硬件调试186 设计总结197 参考文献201 绪论晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。晶体管作为一种可变开关，基于输入的电压，控制流出的电流，因此晶体管可做为电流的开关，和一般机械开关（如Relay、switch）不同处在于晶体管是利用电讯号来控制，而且开关速度可以非常之快，在实验室中的切换速度可达100GHz以上。严格意义上讲，晶体管泛指一切以半导体材料为基础的单一元件，包括各种半导体材料制成的二极管、三极管、场效应管、可控硅等，不过从国内的习惯上讲，晶体管有时多指晶体三极管，中国脱离电子管的时代不长，在1970S后至1980S早期，当时习惯以晶体管特指晶体三极管，语境的歧义就是那时留下的或非就是或的非的意思,也就是对或取反.或非的功能是将或功能的结果取反而得到的.所以如果或逻辑输出为1,或非逻辑则变为0,或逻辑输出为0,或非逻辑则变为1.这样就得到了或非门.2 设计内容及要求2.1 设计目的及主要任务2.1.1 设计目的提高电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；学习晶体管电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测；使用适当的软件进行仿真和制作PCB板图。2.1.2 设计任务及要求根据已知条件，完成通过基于晶体管的声控灯的设计、连接与仿真。须符合以下要求：1.采用晶体管设计电路完成一个简易声控灯的设计；2.利用仿真软件Pspice或Multisim仿真电路，并学习PROTEL软件，并用其绘制电路的原理图和PCB图，要求图纸绘制清晰，布线合理，符合绘图规范；3.完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结）。2.2 设计思想本次设计要求完成基于晶体管的或非门电路的设计、连接与仿真。而整个设计的核心部分就在采用了三极管等分立元件,通过电路中三极管发射极耦合实现或非门电路。的随后运用Multisim14中的仿真功能对其予以仿真，从仿真的结果中分析程序的正确性。然后运用Altium Designer画出电路图待所有模块的功能正确之后，然后制作相应的PCB板。最后照着原理图进行整机电路的连接。3 晶体管简介3.1 三极管简介三极管的基本结构是两个反向连结的PN接面，如图3.1所示，可有PNP和NPN 两种组合。三个接出来的端点依序称为发射极（emitter, E）、基极（base, B）和集电极（collector, C），名称来源和它们在三极管操作时的功能有关。图3.1中也显示出 NPN与PNP三极管的电路符号，发射极特别被标出，箭号所指的极为N型半导体， 和二极体的符号一致。在没接外加偏压时，两个PN接面都会形成耗尽区，将中性的P型区和N型区隔开。 图3.1 三极管基本结构三极管的电特性和两个PN接面的偏压有关，工作区间也依偏压方式来分类，这里 我们先讨论最常用的所谓”正向活性区”(forward active)，在此区EB极间的PN接 面维持在正向偏压，而BC极间的PN接面则在反向偏压，通常用作放大器的三极管 都以此方式偏压。图3.1(a)为一PNP三极管在此偏压区的示意图。 EB接面的空乏 区由于在正向偏压会变窄，载体看到的位障变小，射极的电洞会注入到基极，基极的电子也会注入到射极；而BC接面的耗尽区则会变宽，载体看到的位障变大， 故本身是不导通的。图3.1(b)画的是没外加偏压，和偏压在正向活性区两种情形下，电洞和电子的电位能的分布图。 三极管和两个反向相接的PN二极管有什么差别呢？其间最大的不同部分就在 于三极管的两个接面相当接近。以上述之偏压在正向活性区之PNP三极管为例， 射极的电洞注入基极的N型中性区，马上被多数载体电子包围遮蔽，然后朝集电极 方向扩散，同时也被电子复合。当没有被复合的电洞到达BC接面的耗尽区时,会被此区内的电场加速扫入集电极，电洞在集电极中为多数载体，很快藉由漂移电流 到达连结外部的欧姆接点，形成集电极电流IC。 IC的大小和BC间反向偏压的大小 关系不大。基极外部仅需提供与注入电洞复合部分的电子流IBrec，与由基极注入 射极的电子流InBE（这部分是三极管作用不需要的部分）。 InB E在射极与与电 洞复合，即InB E=IErec。射极注入基极的电洞流大小是由EB接面间的正向偏压大小来控制，和二极体的情形类似，在启动电压附近，微小的偏压变化，即可造成很大的注入电流变化。更精确的说，三极管是利用VEB（或VBE）的变化来控制IC，而且提供之IB远比IC小。NPN三极管的操作原理和PNP三极管是一样的，只是偏压方向，电流方 向均相反，电子和电洞的角色互易。PNP三极管是利用VEB控制由射极经基极,入射到集电极的电洞，而NPN三极管则是利用VBE控制由射极经基极、入射到集电极的电子。三极管在数字电路中的用途其实就是开关，利用电信号使三极管在正向活性区（或饱和区）与截止区间切换，就开关而言，对应开与关的状态，就数字电路而言则代表0与1（或1与0）两个二进位数字。若三极管一直维持偏压在正向活性区，在射极与基极间微小的电信号（可以是电压或电流）变化，会造成射极与集电极间电流相对上很大的变化，故可用作信号放大器。3.2 三极管工作原理晶体三极管（以下简称三极管）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和锗PNP两种三极管，（其中，N表示在高纯度硅中加入磷，是指取代一些硅原子，在电压刺激下产生自由电子导电，而p是加入硼取代硅，产生大量空穴利于导电）。两者除了电源极性不同外，其工作原理都是相同的，下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。 对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。 当b点电位高于e点电位零点几伏时，发射结处于正偏状态，而C点电位高于b点电位几伏时，集电结处于反偏状态，集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。 在制造三极管时，有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的，同时基区做得很薄，而且，要严格控制杂质含量，这样，一旦接通电源后，由于发射结正偏，发射区的多数载流子（电子）及基区的多数载流子（空穴）很容易地越过发射结互相向对方扩散，但因前者的浓度基大于后者，所以通过发射结的电流基本上是电子流，这股电子流称为发射极电流了。 由于基区很薄,加上集电结的反偏，注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic，只剩下很少（1-10%）的电子在基区的空穴进行复合，被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给，从而形成了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得： Ie=Ib+Ic 这就是说，在基极补充一个很小的Ib，就可以在集电极上得到一个较大的Ic，这就是所谓电流放大作用，Ic与Ib是维持一定的比例关系，即： 1=Ic/Ib 式中：1-称为直流放大倍数， 集电极电流的变化量Ic与基极电流的变化量Ib之比为： = Ic/Ib 式中-称为交流电流放大倍数，由于低频时1和的数值相差不大，所以有时为了方便起见，对两者不作严格区分，值约为几十至一百多。 三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。 三极管放大时管子内部的工作原理 1、发射区向基区发射电子 电源Ub经过电阻Rb加在发射结上，发射结正偏，发射区的多数载流子(自由电子）不断地越过发射结进入基区，形成发射极电流Ie。同时基区多数载流子也向发射区扩散，但由于多数载流子浓度远低于发射区载流子浓度，可以不考虑这个电流，因此可以认为发射结主要是电子流。 2、基区中电子的扩散与复合 电子进入基区后，先在靠近发射结的附近密集，渐渐形成电子浓度差，在浓度差的作用下，促使电子流在基区中向集电结扩散，被集电结电场拉入集电区形成集电极电流Ic。也有很小一部分电子（因为基区很薄）与基区的空穴复合，扩散的电子流与复合电子流之比例决定了三极管的放大能力。 3、集电区收集电子 由于集电结外加反向电压很大，这个反向电压产生的电场力将阻止集电区电子向基区扩散，同时将扩散到集电结附近的电子拉入集电区从而形成集电极主电流Icn。另外集电区的少数载流子（空穴）也会产生漂移运动，流向基区形成反向饱和电流，用Icbo来表示，其数值很小，但对温度却异常敏感。3.3 二极管简介二极管又称晶体二极管,简称二极管(diode);它只往一个方向传送电流的电子零件。它是一种具有1个零件号接合的2个端子的器件，具有按照外加电压的方向，使电流流动或不流动的性质。晶体二极管为一个由P型半导体和N型半导体形成的P-N结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于P-N 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。与PN结一样，二极管具有单向导电性。硅二极管典型伏安特性曲线如图3.2所示。在二极管加有正向电压，当电压值较小时，电流极小；当电压超过0.6V时，电流开始按指数规律增大，通常称此为二极管的开启电压；当电压达到约0.7V时，二极管处于完全导通状态，通常称此电压为二极管的导通电压，用符号UD表示。 图3.2 硅二极管典型伏安特性曲线在二极管加有反向电压，当电压值较小时，电流极小，其电流值为反向饱和电流IS。当反向电压超过某个值时，电流开始急剧增大，称之为反向击穿，称此电压为二极管的反向击穿电压，用符号UBR表示。不同型号的二极管的击穿电压UBR值差别很大，从几十伏到几千伏。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到一定程度时，P-N结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。P-N结的反向击穿有齐纳击穿和雪崩击穿之分。4 电路设计原理4.1 设计原理图图4.1 四输入或非门原理图4.2 基本放大电路的原理及特点4.2.1 基本放大电路的原理基本放大电路的组成要素有哪些？如图4.2所示，第一，要有放大器件，放大电路的“心脏”是三极管，他是实现放大的核心部件；第二，要有合适的外偏置，为保证放大不失真，三极管需要合适的直流偏置，发射结正偏，集电极反偏，保证三极管工作在放大状态，保证三极管的安全工作的偏置，在发射结回路有合适的偏置电阻，不加偏置电阻三极管将烧坏；第三，要有电流转化电压电路，由于三极管是一个电流控制器件，三极管输出控制量是电流，为了将电流转化成输出电压，添加集电极电阻Rc；第四，要保证交流信号能顺畅的输入输出回路；第五，要有直流电源Vcc，为放大电路提供工作电源，给三极管放大信号提供能量。图4.2 基本放大电路如图4.2所示为共射基本放大电路，在该电路中，输入信号加在基极和发射极之间，耦合电容器C1和C2视为对交流信号短路。输出信号从集电极对地取出，经耦合电容C2将直流量隔除，仅将交流信号加到负载电阻RL之上。4.2.2 三极管放大电路特点综上所述三极管放大电路具有以下两个显著特点：交直流共存。直流偏置是使放大电路有合适的工作状态，是保证其不失真放大的基础或前提条件；而交流分量则是放大的对象和放大的结果。在分析放大电路时，应先分析其静态工作情况，然后再分析其动态工作情况。非线性电路和近似分析方法。由于放大电路使用的三极管是非线性元件，从而使电路成为非线性电路；由于三极管的特性方程属于超越方程，在分析计算时它可通过与回路方程联立求解，得到其精确的静态工作点和动态工作参数；但由于元器件参数的分散性，精确求解比较麻烦且没有必要，所以在工程应用中，静态和动态分析常采用近似分析方法，寻求其近似解。如静态分析常用估算法和图解法，动态分析常采用图解法和小信号模型分析法。4.3 发射极耦合电路4.3.1 ECL门电路逻辑门电路是数字电路中最基本的逻辑元件，逻辑门可以组合使用实现更为复杂的逻辑运算。常见的逻辑门有TTL逻辑门电路、COMS逻辑门电路和TTl逻辑门电路。ECL(Emitter Coupled Logic)即发射极耦合逻辑电路，也称电流开关型逻辑电路。它以多个晶体管的发射极相互耦合加上射极跟随器组成的电路,简称ECL电路。其基本单元电路由提供“或”、“或非”逻辑功能的电流开关和完成电平位移与级联的射极跟随器两部分组成。逻辑功能的灵活性。使用ECL电路的互补输入输出,同相集电极的“点与”,跟随器输出的“线或”，以及多层逻辑门的“串联与”等，可以扩充电路的逻辑功能，节省电路功耗和元件数，为电路的逻辑设计和逻辑运用带来灵活性和方便性。ECL 电路的缺点是电路功耗大、电平阈值电压随温度而漂移等。4.3.2 ECL门电路工作原理ECL门的基本电路如图4.1所示，硅晶体管T1、T2、T3、T4、T5组成发射极耦合电路，T6基准电压产生多电路，T7、T8组成输出电路。电路的基本工作原理为，当电路输入端全为低电平输入（规定为-1.7V左右）时，T1T4全部截止，可以计算出电路的输出端电压为，由于VBE1VBE4=ViL-VE5=-1.75+1.985=0.285V，保证T1T4截止，所以或非门输出端的输出电压低于-0.7V。当输入中有一个是高电平（规定为-0.9V左右）时，如T4的输入为高电平，T1T3输入低电平，根据电路给定的参数可以计算出电路的输出电压为（1） T4输入高电平，T4导通，。（2） 流经T5管发射极外接电阻的电流为。（3） 临界饱和状态时T4集电极电位为，则T4管集电极外接电阻的临界饱和电流为，这一临界饱和电流大于高电平输入情况下，以及基准电压作用下T5发射极外接电阻流过的最大电流，所以输出T4进不了饱和，T5处于截止状态，忽略IB8的影响，可以得到,电路的输出电压，即发射极输出电压为-0.7V以下。（4） 或非输出端的输出电压，即就是发射极输出电压为。当全部输入端输入高电平时，由于的电位被三极管输入端的导通电压“钳位”而保持恒定，所以输出电压与一端输入高电平情况一样。可见，电路的空载输出高电平为-0.7V，有负载连接时，应考虑基极电流的影响，输出高电平约等于-0.9V；低电平输出电位约为-1.71V，所以电路的高电平与低电平的电压偏差不大（约为1V），这些有利于工作速度的提高。这主要是因为集电极外接电阻阻值较小所致，也是ECL门的特点之一。图4.1所示电路的逻辑功能有两种情况，从发射极输出的为或非门电路，从发射极输出的为或非门电路。4.3.3 ECL门电路的主要特点（1）速度快。ECL 门电路工作速度快的主要原因：开关管导通时工作在非饱和状态，消除了存储电荷的影响；逻辑摆幅小，仅为 0.8V。同时集电极负载电阻也很小，因而缩短了寄生电容的充放电时间。（2）带负载能力强。由于 ECL 门电路的射极耦合电阻较集电极电阻大得多，因而输入阻抗高；输出电路是工作在放大状态的射极跟随器，其输出阻抗很低，因而 ECL 门电路带负载能力强。（3）逻辑功能强。ECL 门电路具有互补输出的特点，它能同时实现或/或非功能，因而使用灵活。（4）功耗大。ECL 门电路的功耗包括电流开关、参考电源和射极跟随器输出三部分，因此功耗较大。（5）抗干扰能力差。因为 ECL 门电路的逻辑摆幅小，噪声容限低（约 0.3V），所以抗干扰能力较低。ECL 门电路属于双极型数字集成电路。TTL 门电路中，三极管工作于饱和、截止状态。三极管导通时工作在饱和状态，管内的存储电荷限制了电路的工作速度，尽管采取了一系列改进措施，但都不是提高工作速度的根本办法。ECL 门电路就是为了满足更高的速度要求而发展起来的一种高速逻辑电路。它采用了高速电流开关型电路，内部三极管工作在放大区或截止区，这就从根本上克服了因饱和而产生的存储电荷对速度的影响。ECL门电路的平均传输延迟时间可达2ns以下，是目前各类数字集成电路中速度最快的电路。它广泛用于高速大型电子计算机、数字通信系统和高精度测试设备等方面。4.4 ECL门电路的实用ECL电路主要用于构成超高速集成电路，如高速、大型、巨型计算机等。电路中,晶体管工作于非饱和区，Tb在共基极组态下工作。电路差动式结构的加速作用，使共发射极的输入管实际工作在准共基极状态下。小的逻辑幅度等条件保证了电路的高速度。电流开关在60年代即已用于计算机，使计算机的性能大大提高。发射极耦合逻辑是建立在一个多输入差分放大器来放大并结合数字信号，并发射追随者调节直流电压等级为基础。因此，晶体管的栅极在没有进入过饱和度，也没有得到过完全关闭。晶体管留在他们的积极经营区域完全在任何时候。作为一个结果，没有一个晶体管的电荷存储时间抗衡，并能更迅速地改变状态。因此，这种逻辑门的主要优点是非常高的速度。在此类型的电路中，电压这一变化很小，并且为V取决于上的BE时，涉及他们的晶体管。更重要的电路的工作是通过各种晶体管的电流流动量的，而不是涉及的精确电压。因此，发射极耦合逻辑也被称为电流模式逻辑（CML）。这是不是唯一的技术，实现以任何方式慢性粒细胞白血病，但它确实说明，一般到秋天。在任何情况下，这导致我们对这一门式的主要缺点：它描绘了一个从电源电流很大，因此往往浪费了大量的热量。为了减少这种问题，例如频率计数器使用某些设备在十年的ECL电路输入端的柜台，由TTL或高速CMOS计数器其次为后来的数字位置。这使得快速，昂贵的IC在那里是绝对必要的，并允许我们使用更便宜的地点集成电路其中信号不会在那么高的频率。5 软件仿真与硬件调试5.1 multisim14仿真5.1.1 仿真图示打开multisim14，文件-新建-原理图，在按照图5.1所示连接电路图。将T1T4输入端分别连接到电源上。通过控制所接到的电源的幅值，来控制输入端的高低电平。-0.9左右为高电平，-1.7左右为低电平。图5.1 仿真原理图5.1.2 仿真结果将T1T4输入低电平，即为-1.7V左右时，测试两个输出端口的电压值图5.1 输入全为低电平时或端口输出图5.2 输入全为低电平时或非端口输出将T1T4输入高电平，即为-1.7V左右时，测试两个输出端口的电压值图5.3 输入全为高电平时或端口输出图5.4 输入全为高电平时或非端口输出T1T4输入中有一个高电平时，测试辆输出端口电压值图5.5 输入中有一个高电平时或端口输出图5.6 输入中有一个高电平时或非端口输出通过对比理论计算所得的值与仿真所测得的实际值可以看出所设计的电路功能基本达到了预期要求。5.2 Altium Designer绘制PCB版图打开Altium Designer，新建一个设计，输入名称*.ddb，然后点击文件，新建一个Schematic Document文件，然后利用画图元件按照图4.1连接，连接完成，如图5.7所示。然后分别填写各个元件的封装号。图5.7 prot