模電仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、模電仿真實(shí)驗(yàn)報(bào)告張明一 2014302540027實(shí)驗(yàn)一 晶體三極管共射放大電路一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)共射放大電路的參數(shù)選取方法。2、學(xué)習(xí)放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的測量與調(diào)整，了解靜態(tài)工作點(diǎn)對放大電路性能的影響。3、學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)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(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備已知條件和設(shè)計(jì)要求如下：1、電源電壓 =12V；2、靜態(tài)工作電流 =1.5mA；3、當(dāng)Rc=3K, RL =時(shí)，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(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、三極管在B

2、IPOLAR庫中，元件名稱：Q2N2222參數(shù)設(shè)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(rèn)值為255.9)，修改 =0.7V（默認(rèn)值為0.75 V），修改基區(qū)電阻 =300(默認(rèn)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(jì)算得出。根據(jù)計(jì)算及 =1.5mA得實(shí)驗(yàn)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(3.6980,1.501

3、0m)由各節(jié)點(diǎn)電壓和各支路電流可知，電路基本符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(hào)源 vsin(交流信號(hào)頻率：3.5KHz，幅值：10mv)。交流通路當(dāng)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(fù)載時(shí)電壓放大倍數(shù)少于100，不滿足要求。當(dāng)RL開路時(shí)，交流掃描分析如下：對比輸入

4、和輸出電壓容易知道，共射放大電路負(fù)載開路時(shí)電壓放大倍數(shù)大于100，滿足要求。當(dāng)RL=3K時(shí)，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(dāng)RL=3K時(shí)觀察可知波形先出現(xiàn)截止失真。當(dāng)負(fù)載開路時(shí)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(shí)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(fù)載位置，并設(shè)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(biāo)記可知，輸出電阻值3 K，等于RC的阻值，符合理論計(jì)算。7、放大器的幅頻特性，測量放

5、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(shí)驗(yàn)報(bào)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(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，靜態(tài)工作點(diǎn)過高或過低都會(huì)引起輸出信號(hào)的失真。本實(shí)驗(yàn)確定實(shí)驗(yàn)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-VB)/I1=(

6、46.67120)k。2、將上面的計(jì)算的參數(shù)填入剛剛完成的電路圖中，將交流源短接，進(jìn)行靜態(tài)工作點(diǎn)分析。通過調(diào)整各個(gè)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(diǎn)了。3、總結(jié)靜態(tài)工作點(diǎn)的選取方法，降低三極管功耗，提高放大器倍數(shù)以及擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍該如何選取靜態(tài)工作點(diǎn)。為了減小和避免非線性失真，必須合理設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)Q的位置。當(dāng)輸入信號(hào)Vs較大時(shí)應(yīng)把Q點(diǎn)設(shè)在輸出交流負(fù)載線的中點(diǎn)，這時(shí)可得到輸出電壓的最大動(dòng)態(tài)范圍。當(dāng)Vs較小時(shí)，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(diǎn)選的低一些。4、具體的實(shí)驗(yàn)過程包括：對電路進(jìn)行直流分析得到了它的靜態(tài)工

7、作點(diǎn)；通過對它的調(diào)整掌握了靜態(tài)工作點(diǎn)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(shí)驗(yàn)二 差分放大電路一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)差分放大電路的設(shè)計(jì)方法。2、學(xué)習(xí)差分放大電路靜態(tài)工作點(diǎn)的測量和調(diào)整方法。3、學(xué)習(xí)差分放大電路差模和共模性能指標(biāo)的測試方法。二、實(shí)驗(yàn)原理與內(nèi)容1、差分放大電路的調(diào)零及靜態(tài)工作點(diǎn)的測量當(dāng)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(shí)，兩個(gè)三極管集電極上的直流電位相同。但在實(shí)驗(yàn)過程中，由于三極管特性和電路參數(shù)不可能完全對稱，導(dǎo)致差分放大電路在沒有輸入時(shí)雙端輸出卻不為零。因此需要對差分放大電路進(jìn)行

8、零點(diǎn)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(hào)，很方便的測出差分放大電路點(diǎn)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(hào)作為輸入信號(hào)來測量差分放大電路的電壓放大倍數(shù)，這時(shí)應(yīng)該注意下列幾個(gè)方面：（1）對于雙輸入的差分放大電路，其信號(hào)源應(yīng)該是差模信號(hào)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，而只能測出輸出端對地電壓v

9、o1和vo2，然后求出雙端輸出電壓。（3）用交流信號(hào)測量電壓放大倍數(shù)時(shí)，信號(hào)頻率應(yīng)選在差分放大電路的通頻帶內(nèi)，且輸入信號(hào)幅度不能太大，否則將導(dǎo)致輸出波形出現(xiàn)失真。（4）同時(shí)觀察放大電路輸入和輸出信號(hào)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(dāng)輸入為零使，輸出為14v，很好的抑制了零點(diǎn)漂移，同時(shí)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(yàn)證了BJT 中Vbc反相偏置的特性。共模電壓放大倍數(shù)

10、的測量傳輸特性曲線：觀察輸出特性曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸入為零時(shí)，靜態(tài)點(diǎn)略微下漂，但是下漂幅度很小，約為0.0004v，可以忽略，故此時(shí)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(jì)算共模抑制比由于單端輸出Avd1與雙端輸出時(shí)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(hào)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(shí)驗(yàn)分析1.當(dāng)輸入為零時(shí)，輸出為14v，很好

11、的抑制了零點(diǎn)漂移，同時(shí)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(yàn)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(dāng)輸入為零時(shí)，靜態(tài)點(diǎn)略微下漂，但是下漂幅度很小，約為0.0004v，可以忽略，故此時(shí)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：（1）T3,R

12、3，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(hào)，即大大減小了Avc1,增大了KcmR（2）將毫伏表的另一端接一個(gè)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(diǎn)漂移，電路要對稱且電流源內(nèi)阻要大，抑制共模增益實(shí)驗(yàn)三 互補(bǔ)對稱功放電路一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、觀察乙類互補(bǔ)對稱功放電路輸出波形，學(xué)習(xí)克服輸出中交越失真的方法。2、學(xué)習(xí)求最大輸出電壓范圍的方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求實(shí)驗(yàn)電路圖如圖3-1

13、所示：1、仿真設(shè)置瞬態(tài)仿真，同時(shí)觀察輸出波形和輸入波形，觀察在輸入Vi過零點(diǎn)時(shí)，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(shè)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(biāo)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(bǔ)對稱功放電路。重新設(shè)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(shè)置直流掃描分析功能，設(shè)掃描電壓源為V4，掃描范圍為-2V到+2V，掃描步長為0.01。仿真觀察電壓傳輸特性曲線。重新設(shè)置直流掃描分

14、析功能，設(shè)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(biāo)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(bǔ)對稱功放電路的輸出功率設(shè)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(jì)算、仿真，得到輸出功率特性曲線。如圖3-6所示：游標(biāo)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(dòng)游標(biāo)可知直流電源提供的功率Pv=1.7637W。利用函數(shù)n=Po/Pv=3.14*Vo/(4Vc

15、c)，啟動(dòng)游標(biāo)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(gè)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(jìn)行后期處理時(shí)，要注意輸入正確的數(shù)學(xué)表達(dá)式。三、 實(shí)驗(yàn)總結(jié)1、思考題（1）整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和波形并將兩類電路得響應(yīng)波形曲線進(jìn)行比較。由實(shí)驗(yàn)可知，乙類互補(bǔ)對稱電路會(huì)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(bǔ)對稱電路。靜態(tài)時(shí)，D1、D2上產(chǎn)生的壓降為T1、T2提供了一個(gè)適當(dāng)?shù)钠珘菏怪幱谖?dǎo)通狀態(tài)，由于電路對稱，靜態(tài)時(shí)，ic1=ic2，il=0，Vo=0，而有信號(hào)時(shí)，由于電路工作在甲乙類，即使V

16、i很小，基本上可線性的進(jìn)行放大。（2）比較兩類電路得最大輸出范圍。存在交越失真時(shí)，輸出電壓的放大范圍為（-967.551，979.327）消除交越失真時(shí)，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(dāng)Vo=Vcc-Vces時(shí)，功率放大電路存在最大輸出功率和效率。實(shí)驗(yàn)四 方波三角波發(fā)生電路 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的方波和三角波發(fā)生電路的設(shè)計(jì)方法。2、學(xué)習(xí)方波和三角波發(fā)生電路主要性能指標(biāo)的測試方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、用示波器觀察并測量方波的幅值Vom、頻率f0及頻率調(diào)節(jié)范圍。2、測量三角波的幅值

17、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(shí)驗(yàn)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(yùn)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(diǎn)是線路簡單，但性能較差，尤其是三角波的線性度很差，負(fù)載能力不強(qiáng)。該電路主要用作方波發(fā)生器，當(dāng)對三角波要求不高時(shí)，也可以選用這種電路。圖4-1 簡單的方波和三角波發(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

18、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(jìn)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(shí)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(gè)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(yīng)管和源極電阻R4組成恒流源，4只二極管引導(dǎo)電流方向。當(dāng)v0的極性為正時(shí)，v0經(jīng)過D2、JFET、D3對電容C充電；當(dāng)v0得極性為負(fù)時(shí)，電容C上的電壓vc經(jīng)過D1、JFET、D4放電。其等效電路如5-2（b）所示，因此，無論v0

19、的極性是正還是負(fù)，電路都對電容C進(jìn)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(shí)由集成運(yùn)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(yùn)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）為V0m1=R1VzR2。2、電路中元件的選擇及參數(shù)確定（1）集成運(yùn)算放大

20、器的選擇由于方波的前后沿時(shí)間與滯回比較器的轉(zhuǎn)換速率有關(guān)，當(dāng)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(shí)，應(yīng)選擇高速集成運(yùn)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(gè)跟隨輸出方波電壓而變化的基準(zhǔn)電壓，并由此決定三角波的輸出幅度。所以R1和 R2的阻值應(yīng)根據(jù)三角波輸出幅度的要求來確定。例如，已知Vz

21、=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(dāng)要求三角波的幅值可以調(diào)節(jié)時(shí)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)使其輸出電壓幅值和振蕩頻率均能滿足設(shè)計(jì)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)

22、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(shè)計(jì)的方波和三角波發(fā)生電路，進(jìn)行如下仿真分析：實(shí)驗(yàn)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(yùn)放組成的滯回比較器的電壓傳輸特性。四、實(shí)驗(yàn)總結(jié)1、在坐標(biāo)紙上畫出所記錄的方波和三角波波形，并標(biāo)明時(shí)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(shí)驗(yàn)中所遇到的現(xiàn)象。沒有用uA741，使得輸出波形是個(gè)過0的直線；運(yùn)算放大器沒有接12V電源，使得輸出是不過原點(diǎn)的直線;頻率過高，調(diào)R減??；三角波的幅值過大，調(diào)R1減?。环讲ǖ姆蹈?，調(diào)穩(wěn)壓管，仍然高，調(diào)R3增大實(shí)驗(yàn)五 正弦波振蕩電路一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?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(xué)習(xí)RC橋式正弦波振蕩電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1、由公式f01/（2RC）可知，當(dāng)C0.047uF時(shí)，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(shè)置瞬態(tài)仿真后可得到下圖所示的圖像一個(gè)周期的波形