有源负载CE放大器集成电路课程设计报告有源负载CE放大电路的设计与仿真院 系： 材料与光电物理学院报告提交日期： 2010 年 9 月2目 录摘 要1关键词1Abstract1Keywords11.引言22.仿真62.1 电路介绍62.2 直流分析72.21 直流扫描分析72.22 静态工作点选择82.23 电流、功耗分析82.24 传输函数、输入/输出阻抗92.3 小信号分析92.4 傅里叶分析102.5 灵敏度分析132.6 温度分析132.7 噪声分析143 有源负载电路的分析164 总结175 致谢18参 考 文 献19附录一：网表输出文件20附录二：灵敏度分析输出文件22有源负载CE放大电路摘 要：本文对有源负载CE放大电路进行了设计与仿真。首先，本文介绍了有源负载CE放大电路的设计方法。然后，针对模拟电路的特点及设计要求，本文通过PSPICE软件仿真系统对有源负载CE放大电路进行了仿真，包括直流分析、交流分析、瞬态分析、噪声分析、傅里叶分析等仿真内容，并简要介绍了各种仿真分析的概念，以及参数及波形图的含义的说明，并针对仿真内容的不同进行了简略和或详细的说明。最后，本文对本次课程设计做了总结，并提到了另外一种具有优越性的电路。关键词：有源负载CE放大电路 直流分析 交流分析 瞬态分析 噪声分析 傅里叶分析PSPICEThe Design and Simulation of Active Load CE AmplifierAbstract: This paper 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 analysis, 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 parameters and waveforms are also mentioned in this paper. Whats more, some explanation of each simulation are mentioned simply or detailed. At last, a conclusion about this course design is made are a circuit which have advantages than this circuit has referred.Keywords: Active load CE amplifier; DC analysis; AC analysis, Transient analysis Noise analysis Fourier analysis1.引言放大现象存在于各种场合。例如：利用放大镜放大微小物体，这是光学中的放大；利用杠杆原理拥小力移动重物，这是力学中的放大；利用变压器将低电压变换为高电压，这是电学中的放大。研究他们的共同点，一是都将原物形状或大小的差异按一定比例放大了，而是放大前后能量守恒，例如，杠杆原理中前后端做功相同，理想变压器的原、副边功率相同等。利用扩音机放大声音原理来说明电学中的放大，如图1所示，话筒将微弱的声音转换成电信号，经放大电路放大成足够强的电信号后，驱动扬声器使其发出较原来强得多的声音。图1 扩音机示意图放大是模拟电路最重要的一种功能，放大电路是模拟电路的一种基本形式，电子学中的放大的本质是能量的控制和转换，是在输入信号下，通过放大电路将直流电源的能量转换成负载所获得的能量，使负载从电源获得的能量大于信号源所提供的能量。因此，电子电路放大的基本特征使功率放大。即负载总是获得比输入信号大得多的电压或电流，有时兼而有之1。工程上常用的放大电路大多是由若干基本放大电路级联构成的。基本放大电路几乎是所有模拟集成电路与系统的基本单元。其中，以电流源取代电阻作放大电路的负载的电路，称为有源负载，由于电流源具有直流电阻小，交流电阻大的特性，用电流源作负载可以在不提高电源电压的条件下，获得很高的电压增益和较宽的动态范围。如图2所示为有源负载 CE 放大电路。电路图中 Q2和 Q3 组成的电流源作为Q1的集电极负载，V2是信号源，VBB为Q1提供合适的偏置电压，Q1的集电极和发射极之间电压是输出电压。设晶体管Q2，Q3特性完全相同，因而 (1) (2)基准电流： (3)根据镜像电流源的关系式： (4) (5)可见，电路中并不需要很高的电源电压，只要 VCC 与 R相配合，就可设置合适的集电极电流。实际上，VBB所提供的直流分量，为Q3提供静态基极电流 应等于/,而不应有与镜像电流源提供的冲突。由于Q3管的集电极有源负载交流电阻很大，Q1 管的基极电流经放大后，全部流向负载，所以有源负载使电路的电压放大倍数增大2。图2 有源负载放大电路有源CE负载放大电路由于其独特的优越性，已经有很多研究人员以其为基本单元进行了一些开发。如自偏置有源负载运算放大器的设计，实现了低功耗，高开环增益，低输入失调性能等特点3。能吸收和提供电流的双向有源负载电路的设计4。以CE放大电路基极和集电极之间的寄生电容做负载的宽带微波主动电感电路的设计。5基于有源负载CE放大器的线性对寸差分放大器。6主要由有源负载差分放大器组成的VHF频段的振荡器7以及一些如解决有源负载CE放大器谐波失真8等方法。用于模拟电路仿真的SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）软件于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTR AN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。SPICE的正式版SPICE 2G在1975年正式推出，但是该程序的运行环境至少为小型机。1985年，加州大学伯克利分校用C语言对SPICE软件进行了改写， 并由MICROSIM公司推出。1988年SPICE被定为美国国家工业标准。与此同时，各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件，在SPICE的基础上做了大量实用化工作，从而使SPICE成为最为流行的电子电路仿真软件。 PSPICE软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成图表，模拟和计算电路。它的用途非常广泛，不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化。被公认是通用电路 模拟程序中最优秀的软件，具有广阔的应用前景。这些特点使得PSPICE受到广大电子设计工作者、科研人员和高校师生的热烈欢迎，国内许多高校已将其列入电子类本科生和硕士生的辅修课程。 图形界面友好，易学易用，操作简单。由Dos版本的PSPICE到Windows版本的PSPICE，使得该软件由原来单一的文本输入方式而更新升级为输入原理图方式，使电路设计更加直观形象。PSPICE 6.0以上版本全部采用菜单式结构，只要熟悉Windows操作系统就很容易学，利用鼠标和热键一起操作，既提高了工作效率，又缩短了设计周期。即使没有参考书，用户只要具备一定的英语基础就可以通过实际操作很快掌握该软件。 实用性强，仿真效果好在PSPICE中，对元件参数的修改很容易，它只需存一次盘、创建一次连接表，就可以实现一个复杂电路的仿真。如果用Protel等软件进行参数修改仿真，则过程十分繁琐。在改变一个参数时，哪怕是一个电阻阻值的大小都需要重新建立网络表的连接，设置其他参数更为复杂。 功能强大，集成度高在PSPICE内集成了许多仿真功能，如：直流分析、交流分析、噪声分析、温度分析等 ，用户只需在所要观察的节点放置电压（电流）探针，就可以在仿真结果图中观察到其“电压（(或电流)）-时间图”。而且该软件还集成了诸多数学运算，不仅为用户提供了加、减、乘、除等基本的数学运算，还提供了正弦、余弦、绝对值、对数、指数等基本的函数运算，这些都是其他软件所无法比拟的。 另外，用户还可以对仿真结果窗口进行编辑，如添加窗口、修改坐标、叠加图形等 ，还具有保存和打印图形的功能，这些功能都给用户提供了制作所需图形的一种快捷、简便的方法。因此，Windows版本的PSPICE更优于Dos版本的PSPICE，它不但可以输入原理图方式，而且也可以输入文本方式。无疑是广大电子电路设计师的好帮手。PSPICE是计算机辅助分析设计中的电路模拟软件。它主要用于所设计的电路硬件实现之前，先对电路进行模拟分析，就如同对所设计的电路用各种仪器进行组装、调试和测试一样，这些工作完全由计算机来完成。用户根据要求来设置不同的参数，计算机就像扫描仪一样，分析电路的频率响应，像示波器一样，测试电路的瞬态响应，还可以对电路进行交直流分析、噪声分析、Monte Carlo统计分析、最坏情况分析等，使用户的设计达到最优效果。以往一个新产品的研制过程需要经过工程估算，试验板搭试、调整，印刷板排版与制作，装配与调试，性能测试，测试指标不合格，再从调整开始循环，直至指标合格为止。这样往往需要反复实验和修改。而仿真技术可将“实验”与“修改”合二为一。为确定元件参数提供了科学的依据。它的优点主要有： (1)为电路设计人员节省了大量的时间。 (2)节省了各种仪器设备。 (3)生产产品一致性好、可靠性高。 (4)产品的更新率高、新产品投放市场快等。 PSPICE程序采用改进节点法列电路方程，用牛顿-莱普生方法的改进算法进行非线性分析，用变节步长的隐式积分法进行瞬态分析，在求解线性代数方程组时，采用了稀疏矩阵技术。9本文将分析计算有源负载 CE放大电路的基本特性，讨论他的主要特点.并通过Pspice软件对有源CE放大电路进行仿真。2.仿真本文中利用的是 PSpice（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）进行仿真。Pspice是美国MicroSim公司于20世纪80年代开发的电路模拟软件。它以图形方式输入，自动进行电路检测，生成网表文件，具有模拟和计算电路的功能。它是一个多功能的电路模拟试验平台，PSPICE软件由于收敛性好，适于做系统及电路级仿真，具有快速、准确的仿真能力。10