模擬電子電路仿真

1、模擬電子電路仿真1.1 晶體管基本放大電路共射極，共集電極和共基極三種組態(tài)的基本放大電路是模擬電子技術(shù)的基礎(chǔ)，通過(guò)EWB對(duì)其進(jìn)行仿真分析，進(jìn)一步熟悉三種電路在靜態(tài)工作點(diǎn)，電壓放大倍數(shù)，頻率特性以及輸入， 輸出電阻等方面各自的不同特點(diǎn)。1.1.1 共射極基本放大電路按圖7.1-1搭建共射極基本放大電路，選擇電路菜單電路圖選項(xiàng)(Circuit/SchematicOption )中的顯示/隱藏(Show/Hide)按鈕，設(shè)置并顯示 元件的標(biāo)號(hào)與數(shù)值等C2JC1R1/R1500 kOhiR3/R22 kOhr102 口 rF2 k dim* Q1/Q1VCC/V112 V1 .靜態(tài)工作點(diǎn)分析選擇分析菜

2、單中的直流工作點(diǎn)分析選項(xiàng)(Analysis/DC Operating Point)(當(dāng)然，也可以使用儀器庫(kù)中的數(shù)字多用表直接測(cè)量)分析結(jié)果表明晶體管Q1工作在放大狀態(tài)。2 .動(dòng)態(tài)分析用儀器庫(kù)的函數(shù)發(fā)生器為電路提供正弦輸入信號(hào)Vi(幅值為5mV,頻率為10kH),用示波器觀察到輸入，輸出波形。由波形圖可觀察到電路的輸入，輸出電壓信號(hào)反相位關(guān)系。再一種直接測(cè)量電壓放大倍數(shù)的簡(jiǎn)便方法是用儀器庫(kù)中的數(shù)字多用表直接測(cè)得。3 .參數(shù)掃描分析在圖7 .1-1所示的共射極基本放大電路中，偏置電阻R1的阻值大小直接決定了靜態(tài)電流IC的大小，保持輸入信號(hào)不變，改變R1的阻值，可以觀察到輸出電壓波形的失真情況。選擇

3、分析菜單中的參數(shù)掃描選項(xiàng)(Analysis/Parameter Sweep Analysis),在參數(shù)掃描設(shè)置對(duì)話框中將掃描元件設(shè)為R1,參數(shù)為電阻，掃描起始值為10 0K,終值為9 0 0 K, 掃描方式為線性，步長(zhǎng)增量為4 0 0 K，輸出節(jié)點(diǎn)5,掃描用于暫態(tài)分析。4 .頻率響應(yīng)分析選擇分析菜單中的交流頻率分析項(xiàng)(Analysis/AC Frequency Analysis )在交流頻率分析參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中設(shè)定：掃描起始頻率為1Hz，終止頻率為1 GHz，掃描形式為十進(jìn)制，縱向刻度為線性，節(jié)點(diǎn)5做輸出節(jié)點(diǎn)。由圖分析可得：當(dāng)共射極基本放大電路輸入信號(hào)電壓VI為幅值5mV的變頻電壓時(shí)，電路輸出

4、中頻電壓幅值約為0.5V，中頻電壓放大倍數(shù)約為一10 0倍，下限頻率（XI）為14 .22 Hz，上限頻率（X2）為25. 12 MHz，放大器的通頻帶約為25.12 MHz。由理論分析可得，上述共射極基本放大電路的輸入電阻由晶體管的輸入電阻rbe限定，輸出電阻由集電極電阻R3限定。1.1 .2共集電極基本放大電路（射極輸出器）圖7 .1-7為一共集電極基本放大電路，用儀器庫(kù)的函數(shù)發(fā)生器為電路提供正弦輸入信號(hào)VI （幅值為1V,頻率為 10 kHz ）采用與共射極基本放大電路相同的分析方法獲得電路 的靜態(tài)工作點(diǎn)分析結(jié)果。用示波器測(cè)得電路的輸出，輸入電壓波形，選用交流頻率分析項(xiàng)分 析 出 電 路

5、 的 頻 率 響應(yīng) 曲 線 及相 關(guān) 參數(shù)。由圖所示共集電極基本放大電路的頻率響應(yīng)曲線可求得：電路的上限頻率（X2）為4.5 0 GHz，下限頻率（X1）為2.7 3 Hz，通頻帶約為4.5 0 GHz。1.1.3 共基極基本放大電路圖7 .1- 11為一共基極基本放大電路，用儀器庫(kù)的函數(shù)發(fā)生器為電路提供正弦輸 入信號(hào)Vi（幅值為5mV,頻率為10kHz），采用與共射極基本放大電路相同的分析方法獲得電 路的靜態(tài)工作點(diǎn)分析結(jié)果。用示波器測(cè)得電路的輸出，輸入電壓波形，選用交流頻率分析項(xiàng) 分析出 電路的頻率響應(yīng)曲線及相關(guān)參數(shù)。C1/D1sa ufR1/R233 k Ohm+Q1/L1丄一+rx-$

6、R2/R1 1 kOhm11 k Ohm丄 C3/C2-50uFR4/R4IOuFZOPIR5JR52 k OhmVC1由圖所示共基極基本放大電路的頻率響應(yīng)曲線可求得：電路的上限頻率(X2)為27 . 9 4M Hz，下限頻率(XI)為261. 01 Hz ,通頻帶約為2 7. 9 4 M Hz。1.2 場(chǎng)效應(yīng)管基本放大電路1.2.1共源極放大電路共源極放大電路如圖7.2-1所示，Q1選用三端式增強(qiáng)型N溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管。按圖7.2-1在EWB主界面內(nèi)搭建電路后，雙擊Q1,出現(xiàn)三端式增強(qiáng)型 N-MOSFET參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，選模型(Model)項(xiàng)，將庫(kù)元件設(shè)置為默認(rèn)(default)，理想(id

7、eal)模式，然后點(diǎn)擊對(duì)話框右側(cè)編輯(Edit)按鈕，在 Sheet 1 中將跨導(dǎo)系數(shù)(Transconductanee coefficient (KP) 設(shè)置為0.001A/V。分析共源極放大電路可參照7.1節(jié)中共射極放大電路的分析過(guò)程進(jìn)行，可根據(jù)圖7.2-1電路參數(shù)和共源極放大器的電壓放大倍數(shù)表達(dá)式求得AV的理論計(jì)算值，然后與仿真實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。122共漏極放大電路d IVO共漏極放大電路如圖 7.2-2所示，按圖在EWB主界面內(nèi)搭建電路后，選Q1為理想三端式增強(qiáng)型N溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管，并將跨導(dǎo)值設(shè)置為0.001A/V。電路仿真分析過(guò)程可參見(jiàn)7.1節(jié)中共集電極放大電路的分析過(guò)程進(jìn)行?？筛鶕?jù)

8、圖7.2-2電路參數(shù)和共源極放大器的電壓放大倍數(shù)表達(dá)式求得A的理論計(jì)算值，然后與仿真實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。1.2.3共柵極放大電路d L共柵極放大電路如圖 7.2-3所示，按圖在EWB主界面內(nèi)搭建電路后，選 Q1為理想三 端式增強(qiáng)型N溝道絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管，并將跨導(dǎo)值設(shè)置為0.001A/V。電路仿真分析過(guò)程可參見(jiàn)7.1節(jié)中共基極放大電路的分析過(guò)程進(jìn)行?？筛鶕?jù)圖7.2-2電路參數(shù)和共源極放大器的電壓放大倍數(shù)表達(dá)式求得A的理論計(jì)算值，然后與仿真實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。1.3場(chǎng)效應(yīng)管與晶體管組合放大電路場(chǎng)效應(yīng)管具有輸入阻抗高，噪聲小等顯著特點(diǎn)，但放大能力較弱（?。雽?dǎo)體三極管具有較強(qiáng)的放大能力（高）和負(fù)載能力。若

9、將場(chǎng)效應(yīng)管與半導(dǎo)體三極管組合使用，就可大 大提高和改善放大電路的某些性能指標(biāo)，擴(kuò)展場(chǎng)效應(yīng)管的應(yīng)用范圍。50 leuR7證IknRt；51-2 U 3MJ CMrr CM圖7.3-1是由場(chǎng)效應(yīng)管共源極放大電路和晶體管共射極放大電路組成的兩極組合放大電路，圖中三端式增強(qiáng)型絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管Q1選用理想模型，將跨導(dǎo) gm設(shè)置為O.OO1A/V，晶體管Q2選用N2222A，其電流放大系數(shù)為 255.9。先隊(duì)該電路進(jìn)行靜態(tài)分析，再進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，頻率特性分析以及關(guān)鍵元件的參數(shù)掃描分析等。1. 靜態(tài)分析。選擇分析菜單中的直流工作點(diǎn)分析項(xiàng)，獲得電路靜態(tài)分析結(jié)果。2. 動(dòng)態(tài)分析。（1）理論分析。（2）仿真測(cè)試分析。

10、用儀器庫(kù)的函數(shù)發(fā)生器為電路提供正弦輸入信號(hào)（Vi的幅值為5mV,頻率為10kHz），用示波器測(cè)得電路的輸出，輸入電壓。再計(jì)算出電路的放大倍數(shù)。3. 頻率特性分析。4. 元件參數(shù)掃描分析。1.4差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路是模擬集成電路中使用最廣泛的單元電路，它幾乎是所有集成運(yùn)放，數(shù) 據(jù)放大器，模擬乘法器，電壓比較器等電路的輸入級(jí)，又幾乎完全決定著這些電路的差模輸入特性。共模輸入特性，輸入失調(diào)特性和噪聲特性。以下僅對(duì)晶體管構(gòu)成的射極耦合差放和恒流源差放進(jìn)行仿真分析，對(duì)用場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的差放電路可采用相同方法進(jìn)行分析。在圖7.4-1所示差放電路中，晶體管Q1和Q2的發(fā)射極通過(guò)開關(guān) S1與射極電阻R3和Q

11、3 構(gòu)成的恒流源有選擇的連接（通過(guò)敲擊”K”鍵，選擇連接點(diǎn)9或11）,完成射極耦合差放和恒流源差放兩種電路的轉(zhuǎn)換1.4.1 射極耦合差放仿真分析按圖7.4-1搭建電路，選擇晶體管Q1，Q2和Q3均為2N2222A，電流 放大系數(shù)為200。 將開關(guān)S1和R3相連，構(gòu)成射極偶合差放電路。1. 靜態(tài)分析。選擇分析菜單中的直流工作點(diǎn)分析項(xiàng)，獲得電路靜態(tài)分析結(jié)果。2. 動(dòng)態(tài)分析。（1）理論分析。（2）差模輸入仿真測(cè)試分析。A。用示波器測(cè)量差模電壓放大倍數(shù)，觀察波形相位關(guān)系。按單端輸入方式（見(jiàn)圖7.4-1）用儀器庫(kù)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器為電路提供正弦輸入信號(hào)（Vi的幅值為10mV,頻率為1kHz）。用示波器測(cè)得

12、電路的兩輸出端輸 出電壓波形。B。差模輸入頻率響應(yīng)分析。選擇分析菜單中的交流頻率分析項(xiàng)（Analysis/AC Frequency Analysis ），在交流頻率分析參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中設(shè)定： 掃描起始頻率為1Hz，中指頻率為10GHz，掃描形式為十進(jìn)制461戸匸0綢3 kO10 VM（3），縱向刻度為線性，節(jié)點(diǎn) 2為輸出點(diǎn)。C。 差模輸入傳遞函數(shù)分析。從 EWB信號(hào)源 庫(kù)中選擇直流電壓源（并將其設(shè)置為0.001V），替代儀器庫(kù)中的函數(shù)發(fā)生器，做差放電路的輸入信號(hào)源，以滿足進(jìn)行傳遞函數(shù)分析時(shí)對(duì)輸入源的要求。射極耦合電路進(jìn)行差模輸入傳遞函數(shù)分析時(shí)的電路連接方式如圖7.4-5所示。分析方法同上。 D

13、。 共模輸入仿真分析。按共模輸入方式（見(jiàn)圖7.4-8）用儀器庫(kù)的函數(shù)發(fā)生器為電路提供正弦輸入信號(hào)。用示波器測(cè)得電路的兩輸出端輸出電壓波形。142恒流源差放仿真分析差放電路引入恒流源替代射極偏置電阻，對(duì)差動(dòng)放大倍數(shù)沒(méi)有影響，主要是為了進(jìn)一步降低共模放大倍數(shù)，提高共模抑制比。因此，這里僅對(duì)恒流源差放的共模放大倍數(shù)進(jìn)行仿真分析。對(duì) EWB主界面內(nèi)所建圖7.4-1所示電路，通過(guò)敲擊“ K”鍵，將 Q1與Q2的射極通過(guò)開關(guān) S與節(jié)點(diǎn)11連接，使其成為恒流源差放電路。調(diào)整R6電阻,使恒流源差放的靜態(tài)電流與射極耦合差放電路性同，便于兩者進(jìn)行比較。調(diào)整函數(shù)發(fā) 生器，使輸入正弦波 VI的幅值為100，頻率為1,

14、輸入信號(hào)以共模方式接入。示波器 接輸入電壓，接輸出電壓。最終完成的恒流源差放電路共模放大倍數(shù)測(cè)試電路如圖7.4-10 所示。分析方法同上?？梢?jiàn)引入恒流源后，差放電路的共模放大倍數(shù)大大降低，共模抑制比大大提高，力口強(qiáng)了抑制零點(diǎn)漂移的能力。1.5集成運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器的類型很多，電路也不盡相同，但在電路結(jié)構(gòu)上有共同之處。一般可分為三部分，即差動(dòng)輸入級(jí)，電壓放大中間級(jí)和輸出級(jí)。輸入級(jí)一般是有晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管組成的差動(dòng)式放大電路，利用差放電路的對(duì)稱性可以提高整個(gè)電路的共模抑制比和其他方面的性能，它的兩個(gè)輸入端構(gòu)成整個(gè)電路的反相輸入端和同相輸入端。電壓放大級(jí)主要作用是提高電壓放大倍數(shù)，它可由一級(jí)或多級(jí)

15、放大電路組成。輸出級(jí)一般由射極跟隨器或互補(bǔ)射極跟隨器組成，主要作用是提高輸出功率。11圖7.5-1是在EWB主界面內(nèi)搭建的一個(gè)簡(jiǎn)單的集成運(yùn)算放大器，Q1, Q2組成差動(dòng)式放大器，信號(hào)由雙端輸入，單端輸出。Q3, Q4組成復(fù)合管共射極放大電路，以提高整個(gè)電路的電壓放大倍數(shù)。輸出極由Q5，Q6組成的兩極射極跟隨器構(gòu)成，不僅可以提高帶負(fù)載能力，而且與 R5配合，可使直流電位步步降低，實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)電壓Vi為零時(shí)，輸出電壓Vo=0。輸入端Vi-運(yùn)放的反相輸入端， Vi+是同相輸入端。集成運(yùn)放的仿真分析：1. 靜態(tài)分析令輸入信號(hào)電壓為零（兩輸入端接地），選擇分析菜單中的直流工作點(diǎn)分析項(xiàng)（Analysis/

16、DC Operating Point ），分析結(jié)果后，觀察輸出端 Vo（節(jié)點(diǎn)19）直流電位 是否為零？若不為零，則調(diào)整 R5的阻值，使輸出端電位為零。3.動(dòng)態(tài)分析（1） 傳函數(shù)分析將簡(jiǎn)單集成運(yùn)放的同相和反相輸入端分別接入信號(hào)源庫(kù)中的直流電壓源，并將其電壓值設(shè)置為 1mV ， 其連接方式如圖 7.5-3 所示。11 i*. I 產(chǎn) urrn嗎 .vp mm |I1 d. Os. LA同相輸入方式下的傳遞函數(shù)分析選擇分析菜單中的傳遞函數(shù)分析項(xiàng)（Analysis/Transfer Function Analysis），在隨后出現(xiàn)的傳遞函數(shù)分析設(shè)置對(duì)話框中設(shè)置輸入源為V4，分別設(shè)置輸出端為節(jié)點(diǎn) 15，

17、10和19。每重設(shè)一次仿真按鈕（Simulate），進(jìn)行一次傳遞函數(shù)仿真分析。B反相輸入方式下的傳遞函數(shù)分析選擇分析菜單中的傳遞函數(shù)分析相（Analysis/Transfer Function Analysis），在隨后出現(xiàn)的傳遞函數(shù)分析設(shè)置對(duì)話框中設(shè)置輸入源為 V3，設(shè)置輸出端為節(jié)點(diǎn) 19。（2）工作電壓波形測(cè)試。A反相輸入方式波形測(cè)試。按差模單端輸入方式，將儀器庫(kù)的函數(shù)發(fā)生器為電路提供的正弦輸入信號(hào)（VI的幅值為2mV，頻率為1kHz）接在反相與同相端之間， 并將同相輸入端接地，其連接方式如圖7.5-6 所示。用示波器測(cè)得電路的反相輸入端（V-）和輸出端（Vo）電壓波形。B 同相輸入方式波

18、形測(cè)試。按差模單端輸入方式，將儀器庫(kù)的函數(shù)發(fā)生器為電路提供的正弦輸入信號(hào)（VI的幅值為2mV，頻率為1kHz）接在同相與反相端之間，并將反相輸入端接地。用示波器測(cè)得電路 的同相輸入端（V+ ）和輸出端（Vo）電壓波形。對(duì)簡(jiǎn)單集成運(yùn)放波形測(cè)試的結(jié)果與傳遞函數(shù)分析結(jié)果完全一致，通過(guò)示波器對(duì)輸入， 輸出波形的觀測(cè)，直觀的反映出運(yùn)放同相輸入端和反相輸入端與輸出端之間的相位關(guān)系。1.6功率放大電路在電子電路中，人們對(duì)電壓放大器的主要要求是使負(fù)載得到不失真的電壓信號(hào)， 其考核的 主要指標(biāo)是電壓放大倍數(shù)， 輸入和輸出電阻等， 對(duì)輸出功率基本沒(méi)有較高要求。 而功率放 大器則不同，對(duì)它的主要要求是具有一定的不失

19、真 （或失真較小）的輸出功率，通常是在 大信號(hào)下工作，因此著重要解決好輸出功率大， 效率高和非線性失真之間的矛盾。 以下分 別對(duì)雙電源和單電源互補(bǔ)對(duì)稱功放電路進(jìn)行仿真分析。1.6.1雙電源互補(bǔ)對(duì)稱（OCL ）功放電路圖7.6-1為采用雙電源的互補(bǔ)對(duì)稱功放電路（也稱 OCL電路），調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器，令輸 入正弦波電壓 V峰值為10V，頻率為1kHz圖中D1，D2和RW為T1，T2提供適當(dāng)靜 態(tài)偏置，克服由晶體管門坎電壓造成的交越失真。用示波器同時(shí)觀察輸入，輸出波形， 敲擊R鍵，調(diào)節(jié)RW的大小，改變T1，T2的偏置電壓，直至消除交越失真為止。敲擊 A鍵，改變開關(guān)S1的通斷，可以觀察到交越失真現(xiàn)象。1

20、.6.2單電源互補(bǔ)對(duì)稱（OTL ）功放電路圖7.6-4為一帶自舉電路的單電源互補(bǔ)對(duì)稱功放電路 （也稱OTL電路），按圖連 接好電路之后，敲擊R鍵，調(diào)節(jié)RW2使K點(diǎn)直流電位為1/2VCC。調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā) 生器使輸入正弦電壓（Vi）峰值10mV，頻率為1kHz。用示波器同時(shí)觀察輸入（VA），輸出（VB ）電壓波形，敲擊 W鍵，調(diào)節(jié)RW1可以克服交越失真。圖中電阻R與電容C組成自舉電路，用來(lái)提高輸出電壓正半周的峰值?？赏ㄟ^(guò)電容 C斷開與接入時(shí)輸出電壓正半周的變化來(lái)觀察自舉電路的作用。用示波器測(cè)得單電源互補(bǔ)對(duì)稱功放電路輸入（VA ），輸出（VB ）工作電壓波形。與上一個(gè)波形相比，可見(jiàn)，單電源互補(bǔ)對(duì)稱功放

21、電路與雙電源功放電路相比，輸出電壓正，負(fù)兩半周對(duì)稱性稍差。1.7負(fù)反饋放大器圖7.7-1為一分立元件構(gòu)成的兩級(jí)共射放大電路，電路引入交流電壓串聯(lián)負(fù)反饋，反 饋網(wǎng)絡(luò)由REF，RF和CF組成。通過(guò)開關(guān) SO的通斷，控制反饋網(wǎng)絡(luò)的接入與斷開。開關(guān) S1的通斷，控制著負(fù)載電阻（RL）的接入與通斷。以下通過(guò)對(duì)該電路的仿真分析，驗(yàn)證負(fù) 反饋的基本理論，并進(jìn)一步加深對(duì)這些基本理論的理解。電路的反饋系數(shù)：FV=0.071. 測(cè)量開環(huán)電壓放大倍數(shù)敲擊C鍵，將開關(guān)SO斷開，輸入正弦電壓（VI ）峰值為20MV，頻率為1KHZ。用示 波器測(cè)量輸入，輸出電壓的峰值VO （將示波器面板展開，拖曳讀數(shù)指針讀?。?。2. 測(cè)

22、量閉電壓放大倍數(shù)敲擊C鍵，將開關(guān)SO閉合，將輸入電壓幅值調(diào)整為200MV ,重復(fù)上述過(guò)程，測(cè)得引入反饋后的輸入，輸出電壓波形。3. 測(cè)量反饋放大器開環(huán)時(shí)的輸出電阻在放大器開環(huán)時(shí)通過(guò)敲擊 B鍵，控制開關(guān)S1的斷開與閉合。打開數(shù)字多用表，置于正 弦電壓有效值測(cè)試檔，分別測(cè)得負(fù)載開路時(shí)輸出電壓和負(fù)載接入時(shí)輸出電壓，并算出RO4. 測(cè)量反饋放大器閉環(huán)時(shí)的輸出電阻在放大器閉環(huán)工作時(shí)通過(guò)敲擊B鍵，控制開關(guān)S1的斷開與閉合。打開數(shù)字多用表，置于正弦電壓有效值測(cè)試檔，分別測(cè)得負(fù)載開路時(shí)輸出電壓和負(fù)載接入時(shí)輸出電壓，并 算出RO5. 測(cè)量反饋放大器開環(huán)時(shí)的頻率響應(yīng)令放大器工作在開環(huán)狀態(tài)，選擇EWB分析菜單中的交

23、流頻率分析項(xiàng)，將交流頻率分析設(shè)置對(duì)話框中掃描的起始和終止頻率分別設(shè)置為1HZ和1GHZ，掃描形式選擇十進(jìn)制，顯示點(diǎn)數(shù)按缺省設(shè)置，縱向標(biāo)度選擇線性，選擇節(jié)點(diǎn)8作輸出節(jié)點(diǎn)。按仿真鍵后，得到反饋放大器開環(huán)頻率響應(yīng)曲線。6. 測(cè)量反饋放大器閉環(huán)時(shí)的頻率響應(yīng)令放大器工作在閉環(huán)狀態(tài)，選擇EWB分析菜單中的交流頻率分析項(xiàng)，對(duì)話框參數(shù)設(shè)置與開環(huán)時(shí)的設(shè)置相同。按仿真鍵后，得到放大器閉環(huán)頻率響應(yīng)曲線。7. 觀察引入負(fù)反饋和無(wú)反饋對(duì)放大器非線性失真的改善在有負(fù)反饋和無(wú)反饋兩種情況下，分別增加輸入正弦信號(hào)電壓的幅值，是輸出電壓峰 值均達(dá)到4.5V左右，對(duì)比有，無(wú)負(fù)反饋情況下的輸出波形，可看到引入負(fù)反饋后，非 線性失真

24、得到明顯改善（波形正，負(fù)兩半周的對(duì)稱性明顯提高）。1.8 RC正弦波振蕩電路RC正弦波振蕩主要討論以下電路：二極管穩(wěn)幅的RC橋式振蕩器，RC移相式振蕩器，場(chǎng)效應(yīng)管穩(wěn)幅的橋式振蕩器和 RC雙T反饋式振蕩器，只要按圖示元件參數(shù)連接好電路，將儀器庫(kù)中的示波器連接到振蕩器的輸出端V0 ,打開電源開關(guān)，即可觀察到振蕩器的輸出正弦電壓波形，通過(guò)這些電路，我們可以對(duì)RC振蕩器的振蕩條件，起振過(guò)程，穩(wěn)幅措施以及選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性等做較深入研究。另外，還可以由示波器測(cè)出電路的振蕩周期和振蕩頻率，然后與理論值加以比較，從而加深對(duì)基本理論的理解。1.8.1二極管穩(wěn)幅的RC橋式振蕩器RJH1D*O2RR210 kAf

25、imcrcio.i ur31s|RHOOkOhm/3e13 kOhni圖7.8-1是一個(gè)二極管穩(wěn)幅的 RC橋式振蕩電路，電路中 R1，R2，C1，C2構(gòu)成R，C串, 并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)。我們首先對(duì)選頻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行選頻特性分析，在EWB主界面內(nèi)重建選頻網(wǎng)絡(luò)電RTR1010 kOhmVIC/CSOd uF 血R/R910 kOhrnC/C70.1 uF路如圖7.8-2所示。規(guī)定好電路的輸入，輸出節(jié)點(diǎn)，用儀器庫(kù)的函數(shù)發(fā)生器在輸入端加交流正弦電壓（Vi幅值為5V，頻率為10KHZ。選擇分析菜單中交流頻率分析項(xiàng)分析選頻網(wǎng)絡(luò)后得幅頻響應(yīng)和相頻響 應(yīng)曲線。振蕩電路中二極管 D1，D2構(gòu)成穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，調(diào)節(jié) R4可觀察幅度

26、條件改變對(duì)振蕩的影響。 控制開關(guān)S1的通，斷（或者通斷電源）可由示波器觀察振蕩器起振與穩(wěn)幅過(guò)程。1.8.2場(chǎng)效應(yīng)管穩(wěn)幅的RC橋式振蕩器圖7.8-5為一采用場(chǎng)效應(yīng)管穩(wěn)幅的 RC橋式振蕩器，在此電路中，由 Q1，R3, R6構(gòu)成穩(wěn)幅 環(huán)節(jié)。C3，R5，R7，R4，D1各元件組成輸出電壓負(fù)半波整流濾波電路，為N溝道結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管Q1提供一可調(diào)的直流負(fù)偏壓，以調(diào)整場(chǎng)效應(yīng)管的溝道電阻。當(dāng)電路連接完畢進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，可先調(diào)R5使Q1的柵偏壓為零（柵極接地），再調(diào)整R6使電路產(chǎn)生振蕩（此時(shí)輸出電壓波形失真較嚴(yán)重），此時(shí)再調(diào)節(jié) R5增加Q1的柵極負(fù)偏壓值，輸出電壓波形失真會(huì)得到明顯改善，直到滿意為止。電路的起振

27、與穩(wěn)幅過(guò)程說(shuō)明如下：電路起振時(shí)，輸出電壓為零，二極管D1截止，Q1柵偏壓為零，溝道電阻小，放大器電壓放大倍數(shù)大，因?yàn)殡娐窛M足振蕩條件，所以輸出電壓波形幅值將由零開始急劇增大。隨著輸出電壓幅值的增大，二極管D1導(dǎo)通，Q1的負(fù)柵壓伴隨著輸出電壓幅值增大而增大。受不斷增大的負(fù)柵壓影響，Q1的溝道電阻也在不斷增大，與此同時(shí)受 Q1溝道電阻增大的影響放大器的電壓放大倍數(shù)也在不斷減小。如果R6和R5參數(shù)調(diào)整合適，在輸出電壓峰值產(chǎn)生非線性失真之前，電路的環(huán)路放大倍數(shù)：AF由大于1減小到等于1。此時(shí)輸出電壓穩(wěn)定，整個(gè)振蕩電路的起振與穩(wěn)幅過(guò)程結(jié)束。1.8.3 RC移相式振蕩器RC 移 相 式 正 弦 振 蕩 如

28、 圖 7.8-6 所 示 ，R +35 k OhmvtwR11 kOhn-J-3hFkc該電路是由反相放大器與三節(jié) RC移相網(wǎng)絡(luò)組成，因?yàn)槲床扇》€(wěn)幅措施， 所以輸出波形頂部 有明顯的非線性失真。要滿足振蕩相位條件，要求 RC移相網(wǎng)絡(luò)完成180度相移。因?yàn)橐还?jié) RC移相網(wǎng)絡(luò)的極限為 90度。因此，必須采用三節(jié)（或三節(jié)以上） RC移相網(wǎng)絡(luò)，才能實(shí)現(xiàn) 180度相移。1.8.4 RC雙T反饋式振蕩器圖7.8-7為一 RC雙T反饋式振蕩器，其中 C1, C2, C3 , R3, R4, R5組成雙T負(fù)反饋網(wǎng) 絡(luò)（完成選頻作用）。電路中兩穩(wěn)壓管 Dz1,Dz2具有穩(wěn)幅的功能，用來(lái)改善輸出波形。我們首先對(duì)雙

29、 T負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)的選頻特性進(jìn)行分析，在EWB主界面內(nèi)重建雙 T網(wǎng)絡(luò)電路如圖7.8-8所示。CJC1O1 uFR/R121 k OhmR/R11i kOhm AAA_R130.5 K Ohm規(guī)定好電路的輸入，輸出節(jié)點(diǎn)，用儀器庫(kù)的函數(shù)發(fā)生器在輸入端加交流正弦電壓（VI的幅值為5V，頻率為10KHZ ）。以節(jié)點(diǎn)8為輸出端。選擇分析菜單中交流頻率分析項(xiàng)分析雙T網(wǎng)絡(luò)后得幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)曲線。1.9 LC正弦波振蕩器LC振蕩器主要用來(lái)產(chǎn)生高頻正弦信號(hào)。振蕩器的選頻網(wǎng)絡(luò)是由電感和電容組成，一般可 分為變壓器反饋式和三點(diǎn)式等類型。1.9.1 LC并聯(lián)諧振回路的選頻特性LC并聯(lián)諧振回路決定了LC振蕩器的振蕩頻率

30、， 下面通過(guò)交流頻率分析，說(shuō)明LC并聯(lián)1 kOhmV1 -10 v/1 kHo DegC10,1 uF諧振賄賂的選頻特性。在EWB主界面內(nèi)搭建一 LC并聯(lián)諧振測(cè)試電路如圖 7.9-1所示，在信號(hào)源庫(kù)內(nèi)選擇正弦 交流電壓源做其激勵(lì)信號(hào)， 選擇分析菜單中的交流頻率分析項(xiàng)， 在交流頻率分析參數(shù)設(shè)置對(duì) 話框中設(shè)置掃描的起始與終止頻率分別為200HZ和1GHZ，掃描形式為十進(jìn)制，顯示點(diǎn)數(shù)為缺省設(shè)置，縱向尺度為線性，分析輸出為節(jié)點(diǎn)1。點(diǎn)擊仿真按鈕得到交流頻率仿真結(jié)果。1.9.2變壓器反饋式LC振蕩器在 EWB主界面內(nèi)搭建變壓器反饋式振蕩電路如圖7.9-3所示，C31 uFR133 kOhmTl.I 0,0

31、01 uF12VR222kOhm5kohr5 1,5 k Ohm0.1 uF1 K21 kOhmbClWk OhmC4I- C30 1 uFT 0-01 UFL1 -L 創(chuàng)50 mH r o.-i uffl7.9-5為一三點(diǎn)式LC正弦波振蕩器，分析如下：（1）判斷該電路屬何種類型三點(diǎn)式電路（2）用分析菜單中的直流工作點(diǎn)分析項(xiàng)分析電路的靜態(tài)工作點(diǎn)。（3）用儀器庫(kù)中的示波器測(cè)量電路的振蕩頻率。（4）通過(guò)理論分析求得電路的振蕩頻率并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。1.10運(yùn)算放大器組成的信號(hào)運(yùn)算電路1.10.1反相比例運(yùn)算電路V1I V?1kOhm在EWB主界面內(nèi)搭建反相比例運(yùn)算電路如圖7.10-1所示，將輸入直

32、流電壓源設(shè)定為1V，在顯示器件庫(kù)內(nèi)選擇電壓表接于輸出端（接點(diǎn)2）。電路連接完畢，將電源開關(guān)閉合，電路運(yùn)算結(jié)果即顯示于電壓表內(nèi)（本例 內(nèi)輸出電壓為10V ）。運(yùn)算關(guān)系：VO= （ R1/R2）*V1= 10V1= 10V，反相比例系數(shù)為一10。選擇分析菜單中的傳遞函數(shù)分析選項(xiàng)，在傳遞函數(shù)分析參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中將輸入源設(shè)置 V1，輸出端設(shè)置為節(jié)點(diǎn) 2,點(diǎn)仿真按鈕后，得到傳遞函數(shù)分析結(jié)果。1.10.2同相比例運(yùn)算電路同 相 比 例 運(yùn) 算 電 路 如 圖 7.10-3 所 示R2R31k Ohm 210 kOhm1VvV-411 M1運(yùn)算關(guān)系式:VO= ( 1+R3/R2)*w= 11V1=11V，同

33、相比例系數(shù)為 11。選擇分析菜單中的傳遞函數(shù)分析選項(xiàng)，在傳遞函數(shù)分析參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中將輸入源設(shè)置 V1，輸出端設(shè)置為節(jié)點(diǎn) 4,點(diǎn)仿真按鈕后，得到傳遞函數(shù)分析結(jié)果。1.10.3加法運(yùn)算電路加 法 運(yùn) 算 電 路 如 圖 7.10-5R1R3100k0hm運(yùn)算關(guān)系式： VO= ( R3/R1)*V1+ ( R3/R2)*V2= ( 5)V1+ ( 4)V2= 7V。選擇分析菜單中的傳遞函數(shù)分析選項(xiàng)，在傳遞函數(shù)分析參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中將輸入源分別 設(shè)置為V1和V2，輸出端設(shè)置為節(jié)點(diǎn) 1，點(diǎn)兩次仿真按鈕后，得到傳遞函數(shù)分析結(jié)果。1.10.4減法運(yùn)算電路VIV2R12o kOhm -AW-尺220 k Oh

34、m-A/W-100 kOhrrR4100 k Ohm電路如圖7.10-7所示。運(yùn)算關(guān)系式： VO= （ R1+R4/R1）*（ R3/R2+R3） （ R4/R1）*V仁5V2 5V1=5V。選擇分析菜單中的傳遞函數(shù)分析選項(xiàng)，在傳遞函數(shù)分析參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中將輸入源分別 設(shè)置為V1和V2，輸出端設(shè)置為節(jié)點(diǎn) 1，點(diǎn)兩次仿真按鈕后，得到傳遞函數(shù)分析結(jié)果。1.10.5積分運(yùn)算電路7.10-981D20 kOhm-VW-S2 回7411 5 15V20 kOhm敲擊B鍵，撥動(dòng)開關(guān)S2，令積分電路輸入端接一1V直流電壓。敲擊 D鍵，通過(guò)開關(guān)S1 的通，斷，在示波器上觀察積分過(guò)程。積分關(guān)系式：VO= V1/

35、RC*t。設(shè)置函數(shù)發(fā)生器輸出（頻率5HZ，占空比50%,幅度1V）連續(xù)方波電壓，撥動(dòng)開關(guān)S2,將方波輸入積分器，由示波器同時(shí)觀察積分器的輸入（VA）和輸出（VB）電壓波形。由圖可知，積分器可以將連續(xù)的方波信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換為連續(xù)的三角波電壓。1.10.6微分運(yùn)算電路微分電路如圖7.10-12所示將函數(shù)發(fā)生器設(shè)置為連續(xù)方波（頻率 5HZ，占空比50%，幅度1V）輸出方式，將其連接到微分器的輸入端。由示波器同時(shí)觀察積分器的輸入（VA）和輸出（VB）電壓波形。由圖可知，積分器可以將連續(xù)的方波轉(zhuǎn)換為正負(fù)相間的連續(xù)尖脈沖。1.10.7儀用測(cè)量放大器圖7.10-14所示電路，是一個(gè)具有高輸入阻抗，低輸出阻抗的儀

36、用測(cè)量放大器。2R41D kOhrn理論分析得：基本運(yùn)算關(guān)系式為： V0=（ R4/R3）*（ 1+2R2/R1）*（ V2 V1）=110（ V2V1）放大倍數(shù)（傳遞函數(shù)）：AV=VO/ （ V2 V1）=110選擇分析菜單中的傳遞函數(shù)分析選項(xiàng)，在傳遞函數(shù)分析參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中將輸入源設(shè)置為V1，輸出端設(shè)置為節(jié)點(diǎn) 9,點(diǎn)仿真按鈕后，得到傳遞函數(shù)分析結(jié)果。1.11模擬乘法器及其應(yīng)用電路1.11.1模擬乘法器作乘法運(yùn)算在控制器件庫(kù)中選擇模擬乘法器，設(shè)置其參數(shù)1 V。圖7.11-2為利用乘法器實(shí)現(xiàn)乘法運(yùn) 算電路，驗(yàn)證運(yùn)算關(guān)系式：V0=K*V1*V2 。1.11.2除法運(yùn)算電路利用模擬乘法器與運(yùn)放構(gòu)成

37、的除法電路如圖7.11-3所示。1 VMUVR2R1R1lOkOhm-VvV-lOkOhniV1V15V6VF?210k0hm10k0hmAD OP-07AD OP-075 k OhmV0VO驗(yàn)證運(yùn)算關(guān)系式：V0= V1/V2 。1.11.3負(fù)電壓平方根運(yùn)算電路利用模擬乘法器與運(yùn)放構(gòu)成的負(fù)電壓平方根運(yùn)算電路如圖7.11-4所示。1 v/vrn vR10 kOhm驗(yàn)證運(yùn)算關(guān)系式：VO =V -V1。1.11.4 正電壓平方根運(yùn)算電路利用模擬乘法器與運(yùn)放構(gòu)成的正電壓平方根運(yùn)算電路如圖7.11-5 所示，1D kOhriA/V_10 k o hrri WAC OF-07R10 k Ohm5 k Oh

38、mAD OP-07R0 k OhnnAA/V-5 k OhrriVo試驗(yàn)證關(guān)系式：VO=/ VI。1.11.5立方根運(yùn)算電路利用模擬乘法器與運(yùn)放構(gòu)成的立方根運(yùn)算電路如圖7.11-6 所示。1 V/VJU VV2丫1 VjV/OV驗(yàn)證基本關(guān)系式：vo=1.12有源濾波電路濾波器是一種能使有用頻率信號(hào)通過(guò)而同時(shí)抑制（大為衰減）無(wú)用頻率信號(hào)的電子裝置。工程上常用它來(lái)作信號(hào)處理，數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等。利用運(yùn)算放大器與無(wú)源器件R, L, C構(gòu)成有源濾波器，由于運(yùn)算放大器具有高增益，高輸入阻抗和低輸出阻抗等特點(diǎn)，使有源濾波器具有一定的電壓放大和輸出緩沖作用。利用EW盼析菜單中的交流頻率分析項(xiàng)，可以方便地求

39、得濾波器的頻率響應(yīng)曲線，根據(jù)頻率響應(yīng)曲線，調(diào)整和確定濾波電路的元件參數(shù)，很容易獲得所需的濾波特性，省去了非常煩瑣的人工計(jì)算，充分體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的優(yōu)越性。以下僅就低通，高通，帶通和帶阻四種典型濾波電路加以討論。1.12.1 一階有源低通濾波器圖 7.12-1 為一一階有源低通濾波電路。RF電路的截止頻率：Fn=1/2 n RC=15.92kHz選擇分析菜單中的交流頻率分析項(xiàng)，在交流頻率分析參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中將掃描起始與終 止頻率設(shè)置為1Hz和1MHz，掃描形式為十進(jìn)制，縱向尺度為線性，輸出端為節(jié)點(diǎn) 3。點(diǎn)仿 真按鈕后，得一階有源低通濾波電路的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)曲線。改變圖7.12-1中R, C的參數(shù)值，可獲得不同的截止頻率。1.12.2二階有源低通濾波器一階濾波器電路簡(jiǎn)單，但當(dāng)輸入信號(hào)頻率高于截止頻率后，幅頻響應(yīng)衰減的速率較低， 有源低通濾波器。選擇分析菜單中的交流頻率分析項(xiàng)，在交流頻率分析參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中將掃描起始與終 止頻率設(shè)置為1Hz和1MHz，掃描形式為十進(jìn)制，縱向尺度為線性，輸出端為節(jié)點(diǎn)3。點(diǎn)仿真按鈕后，得二階有源低通濾波電路的幅頻響應(yīng)和相頻響應(yīng)曲線。當(dāng)輸入信號(hào)電壓高于截止頻率時(shí)，二階濾波器幅頻響應(yīng)下降速率明顯高