模電仿真實驗報告

1、模電仿真實驗報告張明一 2014302540027實驗一 晶體三極管共射放大電路一、實驗目的1、學習共射放大電路的參數(shù)選取方法。2、學習放大電路靜態(tài)工作點的測量與調(diào)整，了解靜態(tài)工作點對放大電路性能的影響。3、學習放大電路的電壓放大倍數(shù)和最大不失真輸出電壓的分析方法。4、學習放大電路輸入、輸出電阻的測量方法以及頻率特性的分析方法。二、實驗準備已知條件和設計要求如下：1、電源電壓 =12V；2、靜態(tài)工作電流 =1.5mA；3、當Rc=3K, RL =時，要求Vo(max)>=3V(峰值)，Av >=100；4、根據(jù)要求選取三極管，=100200， = =10F, =100F；三、實驗內(nèi)

2、容1、三極管在BIPOLAR庫中，元件名稱：Q2N2222參數(shù)設置方法：激活三極管，右鍵打開Editpspice model文本框，修改電流放大系數(shù)Bf=100(默認值為255.9)，修改 =0.7V（默認值為0.75 V），修改基區(qū)電阻 =300(默認值為10)。修改完成后，存盤退出。電容參數(shù)為 = =10F， =100F;電阻參數(shù) =3K，其他阻值根據(jù)參數(shù)計算得出。根據(jù)計算及 =1.5mA得實驗電路如下：直流通路2、共射放大電路的靜態(tài)分析 V(Q1:c) - V(Q1:e)1.0V2.0V3.0V4.0V5.0V6.0V7.0VIC(Q1)0.8mA1.2mA1.6mA2.0mA(3.69

3、80,1.5010m)由各節(jié)點電壓和各支路電流可知，電路基本符合實驗設計要求。電路工作在放大區(qū)。3、觀察輸入與輸出波形，測量電壓放大倍數(shù)。輸入端加交流信號源 vsin(交流信號頻率：3.5KHz，幅值：10mv)。交流通路當RL=3K，交流掃描分析如下： Frequency1.0Hz10Hz100Hz1.0KHz10KHz100KHz1.0MHz10MHzV(Us:+)V(RL:2)0V200mV400mV600mV(9.822K,482.585m)(9.822K,7.0700m)對比輸入和輸出電壓容易知道，共射放大電路接3千歐負載時電壓放大倍數(shù)少于100，不滿足要求。當RL開路時，交流掃描分

4、析如下：對比輸入和輸出電壓容易知道，共射放大電路負載開路時電壓放大倍數(shù)大于100，滿足要求。當RL=3K時，瞬態(tài)分析，放大電路輸入、輸出電壓波形。觀察輸入輸出波形容易知道，電壓之間的相位關(guān)系為反相。4、觀察飽和、截止失真當RL=3K時觀察可知波形先出現(xiàn)截止失真。當負載開路時觀察可知波形先出現(xiàn)飽和失真。5、輸入電阻測量利用交流掃描，得出輸入電壓和電流在3.5k時的值如下：從圖上看出，輸入電阻值約為1.67K，接近rbe的阻值6、輸出電阻測量把交流電壓源改接至負載位置，并設置交流分析，得出輸出電壓與輸出電流的比值曲線如下：由圖上標記可知，輸出電阻值3 K，等于RC的阻值，符合理論計算。7、放大器的

5、幅頻特性，測量放大器的上限截止頻率和下限截止頻率幅頻特性：由圖中可以看出：共射放大電路的上限截止頻率為82.204Hz，下限截止頻率為1.444MHz。8、相頻特性四、實驗報告要求：1.、單擊共射基本放大電路是放大電路的基本形式，為了獲得不失真的放大輸出，需設置合適的靜態(tài)工作點，靜態(tài)工作點過高或過低都會引起輸出信號的失真。本實驗確定實驗參數(shù)比較困難，首先根據(jù)公式Re=VB/ICQ及VB=(510)VBE=(35)V，那么Re=(23.33)k;由公式I1=(510)ICQ/min，取min=100,那么I1=(0.0750.15)A;易知Rb1=VB/I1(2066.67)k，Rb2(VCC-

6、VB)/I1=(46.67120)k。2、將上面的計算的參數(shù)填入剛剛完成的電路圖中，將交流源短接，進行靜態(tài)工作點分析。通過調(diào)整各個元件參數(shù)使得ICQ=1.5mA。要多次嘗試下，這樣才可以確定合適的靜態(tài)工作點了。3、總結(jié)靜態(tài)工作點的選取方法，降低三極管功耗，提高放大器倍數(shù)以及擴大動態(tài)范圍該如何選取靜態(tài)工作點。為了減小和避免非線性失真，必須合理設置靜態(tài)工作點Q的位置。當輸入信號Vs較大時應把Q點設在輸出交流負載線的中點，這時可得到輸出電壓的最大動態(tài)范圍。當Vs較小時，為了降低電路的功率損耗，在不產(chǎn)生截止失真和保證一定得電壓增益的前提下，可把Q點選的低一些。4、具體的實驗過程包括：對電路進行直流分析

7、得到了它的靜態(tài)工作點；通過對它的調(diào)整掌握了靜態(tài)工作點的變化對放大電路的影響；最后測得了放大電路的放大倍數(shù)和最大不失真輸出電壓的分析方法，并測定放大電路輸入、輸出電阻以及頻率特性曲線。實驗二 差分放大電路一、實驗目的1、學習差分放大電路的設計方法。2、學習差分放大電路靜態(tài)工作點的測量和調(diào)整方法。3、學習差分放大電路差模和共模性能指標的測試方法。二、實驗原理與內(nèi)容1、差分放大電路的調(diào)零及靜態(tài)工作點的測量當差分放大電路的電路結(jié)構(gòu)對稱，元件參數(shù)和特性相同時，兩個三極管集電極上的直流電位相同。但在實驗過程中，由于三極管特性和電路參數(shù)不可能完全對稱，導致差分放大電路在沒有輸入時雙端輸出卻不為零。因此需要對

8、差分放大電路進行零點調(diào)節(jié)。 如圖，靜態(tài)工作電流Ic1q=Ic2q=750.2uA ,Ic3q=1.517mA,Id=3mA.2、差分放大電路電壓放大倍數(shù)的測量根據(jù)直接耦合電路的特性，可以采用直流電壓作為差分放大電路的輸入信號，很方便的測出差分放大電路點電壓傳輸特性曲線。由電壓傳輸特性曲線可以求出差分放大電路的差模放大倍數(shù)和線性工作范圍。差分放大電路也可以采用交流新號作為輸入信號來測量差分放大電路的電壓放大倍數(shù)，這時應該注意下列幾個方面：（1）對于雙輸入的差分放大電路，其信號源應該是差模信號輸出。（2）由于常用的測試儀器通常有一端接地，因而不能用來直接測試差分放大電路雙端輸出電壓v0，而只能測出

9、輸出端對地電壓vo1和vo2，然后求出雙端輸出電壓。（3）用交流信號測量電壓放大倍數(shù)時，信號頻率應選在差分放大電路的通頻帶內(nèi)，且輸入信號幅度不能太大，否則將導致輸出波形出現(xiàn)失真。（4）同時觀察放大電路輸入和輸出信號的波形，分析他們的相位關(guān)系和輸出失真情況。差模電壓放大倍數(shù)的測量差傳輸特性曲線：如圖，,當輸入為零使，輸出為14v，很好的抑制了零點漂移，同時結(jié)算線性區(qū)的線段斜率得Ad1=-（14.950v-13.049v）/（100mV+100mV）=-9.5VBVEVO的輸出波形比較：傳輸特性曲線：觀察所得，VE與VB的電壓波形同相位，而與VC的波形反相位，驗證了BJT 中Vbc反相偏置的特性。

10、共模電壓放大倍數(shù)的測量傳輸特性曲線：觀察輸出特性曲線，發(fā)現(xiàn)當輸入為零時，靜態(tài)點略微下漂，但是下漂幅度很小，約為0.0004v，可以忽略，故此時的共模電壓增益Avc1=-（14.006-13.995）/（10+10）=0.00055VEVBVO的波形比較觀察波形可知，VE與VB同相位，而與VO亦VC反相位，如此說明VCB的反相偏置的特性3、計算共模抑制比由于單端輸出Avd1與雙端輸出時Avd為兩倍關(guān)系，故可得雙端輸出的Avd=19，所以只需測量共模電壓增益Avc。觀察共模信號的輸出情況：由轉(zhuǎn)移特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，共模增益為零，所以共模抑制比KCMR=,與理論值相同。三、實驗分析1.當輸入為零時，輸

11、出為14v，很好的抑制了零點漂移，同時結(jié)算線性區(qū)的線段斜率得Ad1=-（14.950v-13.049v）/（100mV+100mV）=-9.5。VE與VB的電壓波形同相位，而與VC的波形反相位，驗證了BJT 中Vbc反相偏置的特性。2.觀察輸出特性曲線，發(fā)現(xiàn)當輸入為零時，靜態(tài)點略微下漂，但是下漂幅度很小，約為0.0004v，可以忽略，故此時的共模電壓增益Avc1=-（14.006-13.995）/（10+10）=0.00055。VE與VB同相位，而與VO亦VC反相位，如此說明VCB的反相偏置的特性。3.由轉(zhuǎn)移特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，共模增益為零，所以共模抑制比KCMR=,與理論值相同四、問題討論：答

12、：（1）T3,R3，R4，D1，D2等元件在電路中起電流源的作用，提供靜態(tài)工作電流，對Avd1無影響，由于電流源內(nèi)阻很大，很好的抑制了共模信號，即大大減小了Avc1,增大了KcmR （2） 將毫伏表的另一端接一個輸出端，則雙端輸出電壓幅值為此示數(shù)的兩倍；直接將示波器兩端接輸出的兩端，便得到雙端輸出波形。 （3）為提高共模抑制比，可用內(nèi)阻大的電流源提供靜態(tài)電流，增大差模增益，減小共模增益。 為減小零點漂移，電路要對稱且電流源內(nèi)阻要大，抑制共模增益實驗三 互補對稱功放電路一、實驗目的1、觀察乙類互補對稱功放電路輸出波形，學習克服輸出中交越失真的方法。2、學習

13、求最大輸出電壓范圍的方法。二、實驗內(nèi)容和要求實驗電路圖如圖3-1所示：1、仿真設置瞬態(tài)仿真，同時觀察輸出波形和輸入波形，觀察在輸入Vi過零點時，輸出V0發(fā)生的現(xiàn)象。為了求出交越失真發(fā)生的范圍，設置直流掃描分析功能，仿真后得到電壓傳輸特性曲線，在圖上標出交越失真發(fā)生的范圍。從圖中讀出發(fā)生交越失真的輸入電壓的范圍為（-624.161m，583.693m）2、克服交越失真為了克服交越失真將圖3-1的電路修改為圖3-4所示的甲乙類互補對稱功放電路。重新設置瞬態(tài)分析，仿真觀察輸出、輸入波形，判斷交越失真情況。由上圖可知，克服了交越失真。設置直流掃描分析功能，設掃描電壓源為V4，掃描范圍為-2V到+2V，

14、掃描步長為0.01。仿真觀察電壓傳輸特性曲線。重新設置直流掃描分析功能，設掃描電壓為V4，掃描范圍為-10V到+10V，掃描步長為0.01.仿真觀察電壓傳輸特性曲線，標出最大輸出電壓范圍。讀出最大不失真輸出電壓范圍為（-4.7103，4.6779）3、甲乙類互補對稱功放電路的輸出功率設置瞬態(tài)仿真，得到如圖3-5所示的波形：功率利用Po=Vom*Vom/(2*Rl)，計算、仿真，得到輸出功率特性曲線。如圖3-6所示：游標顯示的y1值即為輸出功率Po的值，可知Po=532.463mW.（2）利用Pv=2*Vcc*Vo/(3.14*Rl)，得到功率Pv的特性曲線，啟動游標可知直流電源提供的功率Pv=

15、1.7637W。利用函數(shù)n=Po/Pv=3.14*Vo/(4Vcc)，啟動游標可知功率放大電路的效率為30.19%。同理，輸入函數(shù)Pt=1/Rl*(Vcc*Vo/3.14-Vo*Vo/4)，可以得到每個功率管的管耗為615.622mW在使用后處理程序?qū)λ矐B(tài)分析進行后期處理時，要注意輸入正確的數(shù)學表達式。三、 實驗總結(jié)1、思考題（1）整理實驗數(shù)據(jù)和波形并將兩類電路得響應波形曲線進行比較。由實驗可知，乙類互補對稱電路會發(fā)生交越失真。為了消除此失真，將其更改為甲乙類雙電源互補對稱電路。靜態(tài)時，D1、D2上產(chǎn)生的壓降為T1、T2提供了一個適當?shù)钠珘菏怪幱谖顟B(tài)，由于電路對稱，靜態(tài)時，ic1=ic

16、2，il=0，Vo=0，而有信號時，由于電路工作在甲乙類，即使Vi很小，基本上可線性的進行放大。（2）比較兩類電路得最大輸出范圍。存在交越失真時，輸出電壓的放大范圍為（-967.551，979.327）消除交越失真時，輸出電壓的放大范圍為（-4.7103，4.6779）可見最大電壓輸出范圍增加了。（3）考慮如何求解功率放大電路的最大輸出功率和效率。當Vo=Vcc-Vces時，功率放大電路存在最大輸出功率和效率。實驗四 方波三角波發(fā)生電路 一、實驗目的1、學習用集成運算放大器構(gòu)成的方波和三角波發(fā)生電路的設計方法。2、學習方波和三角波發(fā)生電路主要性能指標的測試方法。二、實驗內(nèi)容1、用示波器觀察并測

17、量方波的幅值Vom、頻率f0及頻率調(diào)節(jié)范圍。2、測量三角波的幅值Vom及其調(diào)節(jié)范圍。注意觀察在調(diào)節(jié)過程中波形的變化，并分析其原因。三、實驗原理與說明1、方波和三角波發(fā)生電路形式的選擇 由集成運放構(gòu)成的方波和三角波發(fā)生器的電路形式較多，但通常他們均由滯回比較器和積分電路組成。按積分電路的不同，又可以分為兩種類型：一類是由普通RC積分電路和滯回比較器所組成，另一種由恒流充放電的積分電路和滯回比較器組成。 簡單的方波和三角波發(fā)生電路如圖4-1所示。其特點是線路簡單，但性能較差，尤其是三角波的線性度很差，負載能力不強。該電路主要用作方波發(fā)生器，當對三角波要求不高時，也可以選用這種電路。圖4-1 簡單的

18、方波和三角波發(fā)生器 圖4-1所示的電路所產(chǎn)生的三角波線性度差的原因是由于電路中采用了簡單的RC積分電路，因此電容C上的充放電是按指數(shù)規(guī)律進行的。為了改善三角波的線性度，可以用恒流源代替電阻R，使電容C充放電的電流恒定，從而使電容C上的電壓線性地上升或下降。圖4-2（a）是實現(xiàn)電容C恒流充放電的一種電路。圖4-2 恒流源構(gòu)成的三角波和方波發(fā)生器 從圖4-2（a）可以看出，它只是一個雙向恒流源代替了原電路中的積分電阻R。電路中，結(jié)型場效應管和源極電阻R4組成恒流源，4只二極管引導電流方向。當v0的極性為正時，v0經(jīng)過D2、JFET、D3對電容C充電；當v0得極性為負時，電容C上的電壓vc經(jīng)過D1、

19、JFET、D4放電。其等效電路如5-2（b）所示，因此，無論v0的極性是正還是負，電路都對電容C進行恒流充放電，電容C上將輸出線性度良好的三角波。 更常用的三角波和方波發(fā)生電路時由集成運放組成的積分器與滯回比較器組成，如圖4-3所示。由于采用了由集成運放組成的積分器，電容C始終處在恒流充放電狀態(tài)，使三角波和方波的性能大為改善，不僅能得到線性度理想的三角波，而且也便于調(diào)節(jié)振蕩頻率和幅度。圖4-3 方波和三角波發(fā)生電路 分析圖4-3電路可知，方波和三角波的振蕩頻率相同，其值為f=14RC· R2R1。方波的輸出幅度由穩(wěn)壓管Dz決定，方波經(jīng)積分器積分后得到三角波，因此三角波輸出的幅值（峰值

20、）為V0m1=R1VzR2。2、電路中元件的選擇及參數(shù)確定（1）集成運算放大器的選擇由于方波的前后沿時間與滯回比較器的轉(zhuǎn)換速率有關(guān)，當方波頻率較高（幾十千赫茲以上）或?qū)Ψ讲ㄇ?、后沿要求較高時，應選擇高速集成運算放大器來組成滯回比較器。（2）穩(wěn)壓管的選擇穩(wěn)壓管的作用是限制和確定方波的幅值，此外方波的振幅和寬度的對稱性也與穩(wěn)壓管的對稱性有關(guān)，為了得到穩(wěn)定而且對稱的方波輸出，通常都選用高精度的雙向穩(wěn)壓二極管，如2DW7。R3是穩(wěn)壓管的限流電阻，其值根據(jù)所用穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓電流來確定。（3）分壓電阻R1和 R2阻值的確定 R1和 R2的作用是提供一個跟隨輸出方波電壓而變化的基準電壓，并由此決定三角波的輸出

21、幅度。所以R1和 R2的阻值應根據(jù)三角波輸出幅度的要求來確定。例如，已知Vz=6V，若要求三角波的峰值為V0m1=4V，則R1=1.5R2.若取R2=10k，則R2=15k。當要求三角波的幅值可以調(diào)節(jié)時，R1和 R2則可以用電位器來代替。（4） 積分電路R和C參數(shù)的確定R和C的值應根據(jù)方波和三角波發(fā)生器的振蕩頻率f0來確定。黨分壓電阻R1和 R2的組織確定后，先選擇電容C的值，然后確定R的阻值。 對于圖4-3所示的電路，為了減小積分漂移，應盡量將電容C選得大些。但是電容量大的電容，漏電也大，所以通常積分電容不超過1uf。方波和三角波發(fā)生電路的調(diào)試方法方波和三角波發(fā)生電路的調(diào)試應使其輸出電壓幅值

22、和振蕩頻率均能滿足設計要求。為此可以用示波器測量方波和三角波的頻率和幅值。調(diào)整電阻R的阻值，可以改變振蕩頻率f0；調(diào)整R1和 R2的阻值，可以改變?nèi)遣ǖ妮敵龇取?、在Pspice中輸入所設計的方波和三角波發(fā)生電路，進行如下仿真分析：實驗電路圖（1）仿真分析方波和三角波的輸出波形；所得的方波和三角波幅值為：Vom1=3.6392V Vo=7.9366V（2）仿真分析運放組成的滯回比較器的電壓傳輸特性。四、實驗總結(jié)1、在坐標紙上畫出所記錄的方波和三角波波形，并標明時間和幅值。 三角波幅值為：Vom1=3.6392V 方波幅值為：Vo=7.9366V 周期為T=1.3494mHz2、分析實驗中所遇到的現(xiàn)象。沒有用uA741，使得輸出波形是個過0的直線；運算放大器沒有接12V電源，使得輸出是不過原點的直線;頻率過高，調(diào)R減?。蝗遣ǖ姆颠^大，調(diào)R1減??；方波的幅值高，調(diào)穩(wěn)壓管，仍然高，調(diào)R3增大實驗五 正弦波振蕩電路一、實驗目的 1、加深理解正弦波振蕩電路的起振條件和穩(wěn)幅特性。 2、學習RC橋式正弦波振蕩電路的設計和調(diào)試方法。二、實驗內(nèi)容 1、由公式f01/（2RC）可知，當C0.047uF時，R6.8K。又R1（3.1/2.1）R10K，R310k，R221k。 2、根據(jù)1中的數(shù)據(jù)，在pspice軟件中繪制下面的電路圖并修改各元件的參數(shù)。設置瞬態(tài)仿真后可得到下圖所示的圖像一個周