南京理工大学EDA(1)实验报告

EDA（一）实验报告实验一单级放大电路的设计与仿真一.实验要求设计一个分压偏置的单管电压放大电路，要求信号源频率5kHz(峰值10mV)，负载电阻5.1kΩ，电压增益大于50。调节电路静态工作点(调节电位计)，观察电路出现饱和失真和截止失真的输出信号波形，并测试对应的静态工作点值。调节电路静态工作点(调节电位计)，使电路输出信号不失真，并且幅度最大。在此状态下测试：1、电路静态工作点值；2、三极管的输入、输出特性曲线和、Rbe、Rce值；3、电路的输入电阻、输出电阻和电压增益；4、电路的频率响应曲线和fL、fH值。二.实验原理三极管在工作正常放大区时，可以起到放大的作用。但三极管工作在放大区的前提是直流电源为三极管提供合适的静态工作点。如果三极管的静态工作点不合适，则会导致放大出现饱和或截至失真，而不能正常放大。当三极管工作在合适的静态点时，三极管有电压放大的作用。此时表征放大电路的交流参数为输入电阻，输出电阻以及电压放大倍数。由于电路中有电抗元件电容，另外三极管PN结也有等效电容的作用，所以，对于不同频率的交流输入信号，电路的电压放大倍数是不同的。电压放大倍数与频率的关系定义为频率特性。三.单级放大电路原理图四.实验步骤1.调节电路静态工作点(调节电位计Rw)，用示波器观察电路出现饱和失真、截止失真和使电路输出信号不失真（并且幅度最大）时输出信号波形，并测试对应的静态工作点值。（1）当电位计Rw为0%时（即滑动变阻器取0欧姆时）电路出现饱和失真；饱和失真波形为下图：由波形图可以看出波形的下部明显被削平，波形处于失真状态，因此可得到饱和失真有削底现象。此时，电路饱和失真时的静态工作点值为：即管压降=0.1V，=0.659V，基极电流=0.13mA，集电极电流=3mA。根据以上数据可分析得<是满足三极管饱和失真条件的，所以此时电路是处于饱和失真的。（2）当电位计Rw为60%时(即滑动变阻器调为120千欧姆),电路出现截止失真，波形如下图:根据波形图可看出波形的上半部分被削平了，与下面波形不对称。所以得到截止失真有削顶现象。此时，电路截至失真时的静态工作点值为：即管压降=11V，=0.61V，基极电流=1.7474uA，集电极电流=0.39mA。而此时<，所以Ubc<0，说明截止区内集电结反偏，发射结反偏或正偏电压非常小，此时满足截止失真条件，所以电路此时处于截止失真。（3）当电位计Rw为10%时（即滑动变阻器调至20千欧姆），电路输出信号不失真，并且幅度最大，波形如下图：此时，电路不失真时的静态工作点值为：即管压降=6V，=0.64V，基极电流=7.0817uA，集电极电流=1.5326mA。因为实验电路中的Vcc=12V,为Vcc的一半，这符合静态工作点的最大不失真要求。从中还可以求得三极管的放大倍数(=/=216.42．测试三极管输入、输出特性曲线和，和（1）三极管的输入特性曲线测试电路图如下：利用直流扫描分析（DCsweep）作出输入特性曲线如下：由不失真时的静态工作点可知，将V1，V2调至Vbe=0.62019V时,从曲线及所得数据，可得=dx/dy=2.4631mV/410.3374nA=6.02kΩ（2）三极管的输出特性曲线：测试电路如下：利用直流扫描分析（DCsweep）作出输出特性曲线如下：由不失真时的静态工作点可知，将V1，V2调至Vce=6时,从曲线及所得数据，可得=dx/dy=32.7225mV/538.6126nA=70.63KΩ，显然rce的值是非常大的，所以在理论计算时经常考虑其为开路。（3）三极管的参数测试电路仍旧用测试输出特性的电路。利用直流扫描分析（DCsweep）作出随变化的输出特性曲线如下：由最大不失真的静态工作点可知，IbQ=8.17uA,且UceQ=6V。所以，在输出特性曲线上把标线1移到Uce=6V附近，其与ib=8uA的输出特性曲线的交点即为静态工作点Q点。选取Q点上下方的两个点，通过(=dic/dib来计算(。(=(1.7141-1.2826)mA/2uA=215.75而(理论值为216.4,误差为|215.75-216.4|/216.4=0.41%3.测量输入电阻，输出电阻和电压增益（1）电路的输入电阻电路图如下：由交流电压电流表可得：Ri=7.07mV/2.761uA=2.85kΩ而输入电阻理论值为Rb'//rbe=7.5kΩ//6.02kΩ=3.1kΩ,误差为|3.1-2.85|/3.1=8.09%（2）电路的输出电阻电路图如下：由交流电压电流表可得：Ro=2mV/861nA=2.32kΩ而输出电阻理论值为//=2.31kΩ,误差为0.2%.（3）电路的电压增益实验电路图：由交流电压表可得：电压增益Au=0.720V/7.071mV=101.8理论值为β（Rc∥RL)/rbe=94.05，则误差为|101.8-94.05|/101.8=6.9%4.测试电路的幅频和相频特性曲线（1）实验原理图：（3）用Simulate菜单中中的ACAnalyses（交流分析）测试，可得如下图曲线：在幅频特性曲线中，最大幅度为103，从而可得103/1.414=72.84对应两个频率即为上限截止频率和下限截止频率，从数据中可看出，fL=977.1242Hz，fH=28.9942MHz.。5.实验结果的分析由上面实验仿真可以看出，所有测量结果与理论值误差都在10%以内，可以认为本次实验是基本成功的。在实验过程中发现，误差的产生主要有以下几个方面：1.静态工作点的合理选择。因为在本次实验中，静态工作点的选择是通过调节滑动变阻器来实现的，所以静态工作点本身就带有一定的误差。2.电容对于电路的影响。在本次实验中，我们认为电容起到阻直流通交流的作用，但在实际中电容对于交流并不是全通的，所以电容的存在也一定程度上对本次实验造成了误差。3.人为的误差。因为失真波形，最大不失真波形等工作点的判断是主观的，所以这方面的误差也就是不可避免的。实验二负反馈放大电路的设计与仿真一.实验要求1、设计一个阻容耦合两级电压放大电路，要求信号源频率10kHz(峰值1mv)，负载电阻1kΩ，电压增益大于100。2、给电路引入电压串联负反馈：测试负反馈接入前后电路放大倍数、输入、输出电阻和频率特性。改变输入信号幅度，观察负反馈对电路非线性失真的影响。二.多级放大电路原理图三.实验步骤1、调节电路静态工作点(调节电位计Rw)，用示波器观察电路波形，使得电路的一二级输出都不出现失真。波形如下图：2、测试负反馈接入前后电路放大倍数、输入、输出电阻（1）反馈引入前输入电阻Ri=0.707mV/86.952nA=8.13kΩ输出电阻Ro=2mV/0.41uA=4.88kΩ增益Au=98.829mv/0.707mv=139（2）反馈引入后输入电阻RIF=0.707mV/80.712nA=8.76kΩ输出电阻=2mV/53.661uA=38Ω增益Au=13.084mv/0.707mv=18.51（3）验证因为，。若想验证，即验证。实验电路图如下：从交流表的读数可看出，=665.532mV=707mV所以基本可得到EMBEDEquation.DSMT4EMBEDEquation.DSMT4，进而得到。当然也可以从证明该电路引入的反馈为深度负反馈来证明。二种方法都可以使用。3、测试负反馈接入前后电路频率特性和，值实验原理电路图如下：（1）反馈引入前由上表可得：在幅频特性曲线中，有最大幅度为141.7,可得141.7/1.414=99.89，对应两个频率即为上限截止频率和下限截止频率，从数据中可看出，fL=731.6807Hz，fH=212.2145kHz.。（2）反馈引入后由上表可得：在幅频特性曲线中，有最大幅度为18.5,可得18.5/1.414=12.7279，对应两个频率即为上限截止频率和下限截止频率，从数据中可看出，fL=307.2113Hz，fH=7.2326MHz.。4、测试负反馈接入前后电路输出开始出现失真时的输入信号幅度（1）反馈引入前通过对信号幅值的改变观察输出信号波形图，可得到当输入信号幅值为2.7mV时,输出信号开始出现失真，且失真为截至失真。（2）反馈引入后通过对信号幅值的改变观察输出信号波形图，可得到当输入信号幅值为12mV时,输出信号开始出现失真，且失真为截至失真。四.实验结果分析1．根据验证实验仿真可得，当电路引入深度负反馈时，，放大倍数几乎仅决定于反馈网络，而反馈网络通常由电阻组成，因而可获得很好的稳定性。2．根据得到的引入串联负反馈前后输入电阻阻值的变化可得，引入串联负反馈后，将增大输入电阻。3．根据得到的引入串联负反馈前后输出电阻阻值的变化可得，引入电压负反馈可以减小输出电阻。4．根据实验电路仿真结果看，放大电路的输出电压在引入负反馈后减小了。这是因为电压增益与通频带的乘积为一常数，所以当引入串联负反馈后通频带会增宽，同时电压增益也将减小。5．根据改变输入信号幅值判断电路何时开始出现失真可得，当电路引入串联负反馈时，电路开始出现失真时的信号幅值要远大于不引入串联负反馈时电路开始出现失真时的信号幅度。这说明，引入反馈后电路更加稳定了。实验三阶梯波发生器的设计与仿真一.实验要求1.设计一个能产生周期性阶梯波的电路，要求阶梯波周期在20ms左右，输出电压范围10V，阶梯个数5个。(注意：电路中均采用模拟、真实器件，不可以选用计数器、555定时器、D/A转换器等数字器件，也不可选用虚拟器件。)2.对电路进行分段测试和调节，直至输出合适的阶梯波。3.改变电路元器件参数，观察输出波形的变化，确定影响阶梯波电压范围和周期的元器件。二、实验原理首先用方波发生器来产生方波信号，方波再经过微分电路输出得到上、下都有的尖脉冲，然后经过限幅电路，只留下所需的正脉冲，再通过积分电路，实现累加而输出一个负阶梯。对应一个尖脉冲就是一个阶梯，在没有尖脉冲时，积分器保持输出不变，在下一个尖脉冲到来时，积分器在原来的基础上进行积分，因此，积分器就起到了积分和累加的作用。当积分累加到比较器的比较电压时，比较器翻转，比较器输出正电压，使振荡控制电路其作用，方波停振。同时，这个正电压使电子开关导通，积分电容放电，积分器输出对地短路，恢复到起始状态，完成一次阶梯波输出。积分器输出由负值向零跳变的过程，又使比较器发生翻转，比较器输出变为负值，这样振荡控制电路不起作用，方波输出，同时使电子开关断开，积分器进行积分累加，如此循环往复，就形成了一系列阶梯波。原理图三.实验步骤1．方波发生器采用运放电路实现方波发生器的设计。图中R2，R1组成正反馈电路，R3和C组成负反馈电路，实际上运放起着比较器作用，稳压管D1，D2起着输出限幅作用。当电容C上的电压等于R2/（R2+R1）V0时输出就发生翻转。如果当某时刻输出翻转为正电压，则电容C开始充电，充电到R2/（R2+R1）VZ时，即达到比较电压，运放输出发生翻转，输出V0等于-VZ，这是电容C又开始放电，放电到电容上的电压为-R2/（R2+R1）VZ时，运放输出又发生翻转，输出电压V0为+VZ值，如此循环输出V0。而此电路改进出在于通过两个二极管可以调充放电时间，也就可以调节占空比了。输出波形为：2．方波电路+微分电路由于电容两端电压不能发生突变，当方波发生器电压发生突变时，负载电阻两端也发生突变，当方波电压在下一段时间不发生突变时，电容开始放电，负载电阻两端电压开始减小，最终变为0，下一个阶段仍是方波发生器电压突变，电容充电，电阻两端电压增多，然后方波发生器持续，电容放电，电阻两端电压降低，如此往复。输出波形：3．方波电路+微分电路+限幅电路利用二极管的单向导电性来对波形进行限幅，只留下正向部分电压。输出波形如下：4．方波发生电路+微分电路+单向限幅电路+积分电路输出波形如下：5．阶梯波发生器在累加积分电路基础上加上电压比较器和控制开关就组成了完整的阶梯波发生电路。输出波形：从波形图可以看出，输出地阶梯波周期为21.803ms,输出电压为9.832V，阶梯个数为5，基本达到实验要求。四.实验结果分析1．调节电路中的哪些元器件值可以改变阶梯波的周期（1）首先改变R3，将R3阻值变大，波形图如下：通过波形图可看到周期变为30ms，得到结论在改变R3后T增大。（2）改变C1，将C1容值变大，波形图如下：通过波形图可看到周期变为43MS，得到结论在改变C1后T增大。同样，改变R1与R2的比值，一样可以得到T的变化。综上：改变R3、C1的值或R1与R2的比值能够改变阶梯波的周期，并且阶梯波的周期与R3、C1的值或R1与R2的比值成正比，具体关系式为.2．调节电路中的哪些元器件值可以改变阶梯波的输出电压范围（1）首先改变R8，将R8阻值变大，波形图如下：可以看到，输出电压范围变为-3.374V到-6.89V之间，可得到结论输出电压范围变小。（2）再改变，将C3容值变大，波形图如下：从输出波形看到，输出电压范围变为-0.28V到-9V之间，可得到结论输出电压范围变小。综上：R8和可以改变阶梯波每个阶梯的高度，也即可以改变两次输出电压跳变之间阶梯的个数，但周期跟幅度不变。且R8*与每个阶梯波的高度成反比。实验体会这次实验使我对上学期学过的《模拟电路》书本上的知识有了更深一层的了解，学会了如何利用给定的要求来设计放大电路，如何求放大倍数，也学会了如何给电路引入负反馈，还学会了如何设计阶梯波发生器电路。在实验过程中，学会了MULTISIM这一电路软件的使用方法，并能运用它来进行电路仿真。在仿真的过程中还锻炼了动手动脑能力，开拓了视野，培养了创新思维。经过了此次实验，我想我更明白了理论与实践的结合是多么重要，只有将理论应用到实践中，我们才能真正的掌握知识，利用知识。最后，在这里诚挚地感谢EDA实验室的老师在本次实验中对学生的悉心帮助与指导。�EMBEDWord.Picture.8���PAGE33_1377260325.unknown_1377262027.unknown_1377328249.unknown_1377330256.unknown_1377330851.unknown_1377342609.unknown_1377350726.unknown_1377330834.unknown_1377329580.unknown_1377329789.unknown_1377328135.unknown_1377328178.unknown_1377283831.unknown_1377327856.unknown_1377260851.unknown_1377259829.unknown_1377259830.unknown_1377258454.unknown_1377259828.unknown_1377258104.unknown_1377258197.unknown_1377258155.unknown_1313925654.unknown_1314016109.unknown_1313864693.unknown_1283592121.doc振荡控制电路方波发生微分电路积分累加电路限幅电路比较器电子开关电路电源