基于Proteus仿真 模擬電路實驗與設(shè)計.ppt

1、b,1,第4章,模擬電路實驗與綜合設(shè)計,b,2,4.1 模擬電路實驗 4.1.1 模擬電路常用器件與儀器 4.1.2 單管共射放大器及負(fù)反饋 4.1.3 射極跟隨器 4.1.4 差動放大器 4.1.5 低頻功率放大器 4.1.6 RC正弦波振蕩器 4.2 直流可調(diào)穩(wěn)壓電源的設(shè)計,b,3,在電子線路中，研究含有線性電阻、電容和電感元件的電路(有直流和交流穩(wěn)態(tài)及動態(tài)電路)，屬于基礎(chǔ)理論電路，相對比較容易理解；而研究以非線性元件二極管和三極管為核心的電路，因為交直流并存，元件的多種作用與工作電壓的變化密切相關(guān)，不便于初學(xué)者理解和掌握。模擬電路就是以三極管為核心，處理模擬信號的電路。初學(xué)者往往對模擬電

2、子技術(shù)的學(xué)習(xí)感到困惑，概念多而抽象，學(xué)生在實驗室里做實驗的時間又有限，尤其是前幾章的內(nèi)容，稀里糊涂就過去了，給后面的學(xué)習(xí)帶來不少困難。在這一章里，我們主要對模擬電路中的幾個典型實驗進行仿真和分析，然后給出兩個模擬電路設(shè)計的綜合實例，目的在于使讀者對這一部分的仿真元件及儀器有個基本的掌握，幫助大家更好地理解和學(xué)習(xí)模擬電子技術(shù)，借助軟件，反復(fù)學(xué)習(xí)和驗證，最終克服學(xué)習(xí)中的難關(guān)。,b,4,4.1 模擬電路實驗,這一節(jié)，我們把模擬電子技術(shù)中的經(jīng)典實驗詳細(xì)介紹給大家，使大家對Proteus中的模擬電子技術(shù)部分仿真元器件和虛擬儀器有較為詳細(xì)的了解，并能夠熟練掌握和使用。同時，可以使廣大電子技術(shù)初學(xué)者和愛好者

3、能夠在不進實驗室的情況下順利完成實驗，測得實驗數(shù)據(jù)和獲得實驗波形，設(shè)計出自己想要的理想電路，實現(xiàn)預(yù)定的電路功能，從而減少元件的浪費，縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計成功率。 首先，來看一看Proteus中有哪些模擬電路中常用的仿真器件和虛擬儀器能夠供我們使用吧。,b,5,4.1.1 模擬電路常用器件與儀器,1. 模擬電路常用器件 模擬電路中常用的器件主要有三極管、二極管、電阻、電容、電感、變壓器、直流電源、信號源、集成運放等。下面我們來看這些元件如何拾取。 (1) 三極管 如何在Proteus的浩瀚元件庫中找到自己想要的三極管元件呢？打開Proteus的元件拾取對話框，在類別“Category”中的“T

4、ransistors”子類就是三極管，單擊,b,6,“Transistors”，出現(xiàn)如圖4-1中所示的元件。這些元件和我們平時常用的國產(chǎn)三極管的型號不太一致，比如常用的國產(chǎn)高頻小功率管3DG6對應(yīng)于2N5551，替換的原則是雙方的管型一致，另外參數(shù)也要一樣(當(dāng)然根據(jù)設(shè)計需求允許有誤差)，元件替換對應(yīng)也可以在網(wǎng)上查找。如果只是一般的原理仿真，可以直接輸入“NPN”或“PNP”來拾取通用元件即可。如果用到場效應(yīng)管，則可以在對應(yīng)的子類中查找。如圖4-1中右側(cè)所示。,b,7,圖4-1 三極管元件拾取對話框,b,8,(2) 二極管 二極管的種類很多，包括整流橋、整流二極管、肖特基二極管、開關(guān)二極管、隧道

5、二極管、變?nèi)荻O管和穩(wěn)壓二極管。打開Proteus的元件拾取對話框，選中“Category”中的“Diodes”，出現(xiàn)如圖4-2所示的對話框，一般來說，選取子類“Sub-category”中的“Generic”通用器件即可，圖4-2右邊給出通用器件的查尋結(jié)果，可以單擊來看看需要使用哪種元件。,b,9,圖4-2 二極管元件拾取對話框,b,10,(3) 電阻 電阻的分類為“Resistors”，子類有0.6W和2W金屬膜電阻、3W、7W和10W繞線電阻、通用電阻、熱電阻(NTC)、排阻(Resistor Packs)、可變電阻(Variables)及家用高壓系列加熱電阻絲。 常用電阻可直接輸入通用

6、電阻“RES”拾取即可，然后再修改參數(shù)。這里我們主要說一下比較常用的可變電阻。直接輸入“POT”或“POT-”可找到四個或三個相關(guān)元件。 “POT”為一般滑動變阻器，觸頭不能拉動，需選中后打開元件屬性對話框，修改“STATE”來改變觸頭的位置，“STATE”的初始值為5，觸頭位于中間，改為10后，觸頭位于最上，如圖4-3所示。由于調(diào)整不方便，一般不使用此元件，而使用下面的幾個滑動變阻器。,b,11,圖4-3 滑動變阻器元件屬性對話框,b,12,“POT-HG”滑動變阻器的好處是可以直接用鼠標(biāo)來改變觸頭位置，精確度和調(diào)整的最小單位為阻值的1%，比如一個1k的電阻，精確到10，而一個100k的電阻

7、只能精確到1k，所以，當(dāng)電阻較大時，考慮把它分成兩部分串聯(lián)，一部分為較大阻值的固定電阻，另一部分為較小阻值的滑動電阻，這樣比較科學(xué)。 “POT-LIN”和“POT-LOG”滑動變阻器和“POT-HG”一樣可以通過鼠標(biāo)來改變觸頭位置，但精確度和調(diào)整的最小單位均為阻值的10%。 讀者可以根據(jù)需要和調(diào)整精度來選擇所需要的滑動變阻器。,b,13,(4) 電容 模擬電路中常用的電容為極性電容，即電解電容。其實無極性電容和電解電容在使用時沒什么區(qū)別，只不過當(dāng)電容值較大時，一般在1F以上時，要做成電解電容。放大電路中的耦合電容一般為10100F，為電解電容，特別注意的是，電解電容的正極性端的直流電位一定要高

8、于負(fù)極性端才能正常工作，否則會出現(xiàn)意外現(xiàn)象。 常用的無極性電容的名稱為“CAP”，極性電容為“CAP-ELEC”，還有一個可動畫演示充放電電荷的電容為“CAPACITOR”。極性電容“CAP-ELEC”的原理圖符號正端不帶填充，負(fù)端方框中填充有斜紋。使用時可直接輸入名字拾取即可。,b,14,(5) 電感和變壓器 電感和變壓器同屬電感“Inductors”這一分類，只不過在子類中，又分為通用電感、表面安裝技術(shù)(SMT)電感和變壓器。一般來說，使用電感時直接拾取“INDUCTOR”元件，使用變壓器時，要看原、副邊的抽頭數(shù)而定。 打開元件拾取對話框，選取“Inductors”大類下的子類“Trans

9、formers”，如圖4-4所示，在右側(cè)顯示出變壓器可選元件。常用的是前四種，名稱前綴為“TRAN-”，也可以直接輸入這個前綴來搜尋變壓器。為了幫助大家記憶變壓器的名稱，以第一個變壓器“TRAN-1P2S”為例來說明它的含義。“TRAN”是變壓器的英文“TRANSFORMER”的縮寫，“P”是原邊“PRIMARY”的意思，“S”是副邊“SECONDORY”的意思。而后面三個變壓器都是飽和變壓器，,b,15,如“TRSAT2P2S2B”即Saturated Transformer with secondary and bias windings，意思是具有副邊和偏置線圈的飽和變壓器。,圖4-4

10、變壓器拾取對話框,b,16,變壓器在調(diào)用時，由于對稱按鈕可能處于選中狀態(tài)，原、副邊繞組的位置就顛倒了，使用時要注意，尤其是原邊和副邊繞組數(shù)目相同的變壓器，這涉及到原、副邊的匝比是升壓或降壓變壓器的問題。 變壓器的匝比是通過改變原、副邊的電感值來實現(xiàn)的。打開“TRAN-2P2S”變壓器的元件屬性對話框，如圖4-5所示，原邊和副邊的電感值都是1H，即變比n為1:1。如果我們想使它成為n=10:1的降壓變壓器，可以改變原邊電感，也可改變副邊電感，還可以兩者同時改變，但要保證，即原、副邊電壓比值等于原邊電感與副邊電感的平方比。,b,17,改變原、副邊的電感值分別為100H和1H(也可以為1H和0.01

11、H)，即原副邊電壓比為10:1，此變壓器為降壓變壓器，如圖4-6所示。,圖4-5 變壓器屬性對話框,b,18,圖4-6 修改變壓器變比,變壓器變比設(shè)定后，在原邊加一個交流源“ALTERNATOR” ，使它為幅值100V，頻率為50Hz，同時在原邊加一個交 流電壓表，在副邊也加一交流電壓表，運行仿真，顯示原 邊電壓有效值為70.7V，副邊電壓有效值為7.07V，變壓為 10:1。如圖4-7所示。,b,19,圖4-7 變壓器變比仿真,(6) 交、直流電源直流電源通常有單電池“CELL”和 電池組“BATTERY”兩種，可任意改變其值。單 相交流電源為“ALTERNATOR”，可改變其幅值 (半波峰

12、值)和頻率。如圖4-8所示。,b,20,圖4-8 交、直流電源,(7) 集成運放 打開元件拾取對話框，選取“Operational Amplifiers”分類 ，顯示子類有“Dual”、“Deal”、“Octal”、“Quad”、“Single” 、“Triple”，分別為雙運放(即一個集成芯片內(nèi)所包含的兩 個相同運放)、理想運放、八運放、四運放、單運放和三 運放。我們常用的集成運放是通用的理想運算放大器，可 直接選子類“Deal”中的“OP1P”。如果知道集成運放的名稱，也可直接查尋，比如對常用的四運放LM324直接輸入 “LM324” 即可。,b,21,2. 模擬電路仿真中的常用儀器 模擬

13、電路中常用的仿真儀器主要有交流電壓表、交流電流表、直流電壓表、直流電流表、信號發(fā)生器、示波器和揚聲器。 單擊工具欄中的虛擬儀器圖標(biāo)，如圖4-9所示，在對象選擇區(qū)出現(xiàn)所有的虛擬儀器名稱列表，其中“OSCILLOSCOPE”、“SIGNAL GENERATOR”、“DC VOLTMETER”、“DC AMMETER”、“AC VOLTMETER”、“AC AMMETER”分別為示波器、信號發(fā)生器、直流電壓表、直流電流表、交流電壓表和交流電流表。,b,22,交、直流電壓表和交、直流電流表的量程都可以設(shè)定，比如可以設(shè)定一個交流電壓表為毫伏表，如圖4-9所示，只需改變元件屬性中的“Display Ran

14、ge”為“Millivolts”即可。,圖4-9 交流毫伏表的量程設(shè)定,信號發(fā)生器的用法在3.2.7節(jié)已經(jīng)介紹，下面主要說明示波器和揚聲器的用法。,b,23,(1) 示波器 Proteus的虛擬示波器能完成四個通道(A、B、C、D)的波形顯示與測量。待測的四個輸入信號分別與示波器的四個通道相接，信號的另一端應(yīng)接地。 在前面的例子中我們已經(jīng)熟悉了示波器的原理圖符號，下面介紹仿真運行后示波器界面各部分旋鈕的功能。圖4-10是示波器仿真運行后的界面。,b,24,圖4-10 示波器運行仿真后的界面,b,25,以通道A為例，“Position”旋鈕用來調(diào)整波形的垂直位移，下面的旋鈕用來調(diào)整波形的幅度顯示

15、比例，外面的黃色箭頭是粗調(diào)，里面的黃色小箭頭是細(xì)調(diào)，當(dāng)讀刻度時，應(yīng)把里層的箭頭順時針調(diào)到最右端。四個通道的對應(yīng)旋鈕使用方法一樣。在“Horizontal”下方的兩個旋鈕分別用來調(diào)整波形的水平位移和掃描頻率。當(dāng)用鼠標(biāo)單擊黑色的波形顯示區(qū)域后，也可以通過滾動鼠標(biāo)滑輪來調(diào)整掃描頻率。其他旋鈕可保持原位不動。 在運行過程中如果關(guān)閉掉示波器，需要從主菜單【Debug】中選取最下面【VSM Oscilloscope】來重現(xiàn)。,b,26,(2) 揚聲器 揚聲器在模擬電路的仿真中也經(jīng)常用到?？芍苯虞斎搿癝peaker”來調(diào)用，兩個接線端不分正負(fù)，因為它接收的是交流模擬信號。要注意驅(qū)動信號的幅值和頻率應(yīng)在揚聲器

16、的工作電壓和頻率范圍之內(nèi)，否則不會響。當(dāng)揚聲器不會鳴響時，可能是因為信號種類不匹配(比如數(shù)字信號)或揚聲器的電壓設(shè)的太大而需要修改。揚聲器的屬性參數(shù)對話框如圖4-11所示。,b,27,圖4-11 揚聲器屬性參數(shù)對話框,b,28,在模擬電路中，單管共射放大器及負(fù)反饋是非常重要的內(nèi)容，這兩個實驗通常合并在一塊電路板中來做。接下來我們討論單管共射放大器的靜態(tài)工作點及動態(tài)參數(shù)的調(diào)試與測量，最后來觀察兩級放大電路中負(fù)反饋帶來的影響。 單管共射放大電路靜態(tài)工作點的調(diào)試 單管共射放大器及負(fù)反饋實驗的電路如圖4-12所示。我們先考慮單管共射放大器部分，即前一級電路，如圖4-13所示。,4.1.2 單管共射放大

17、器及負(fù)反饋,b,29,圖4-12 單管共射放大器及負(fù)反饋實驗電路圖,b,30,圖4-13 單管共射放大器實驗電路圖,b,31,照圖4-12把整個電路圖連接好，兩級參數(shù)可取一樣。接上直流電源、信號發(fā)生器和示波器。下面調(diào)試第一級的靜態(tài)工作點，即找到一個合適的靜態(tài)工作點，然后再用直流表測量出來。 把開關(guān)按圖示位置設(shè)定好，按仿真運行按鈕，把信號發(fā)生器的頻率調(diào)為1kHz，幅值盡可能大，直到觀察到示波器顯示的輸出波形出現(xiàn)雙頂失真為止，如圖4-14中的波形(a)所示 。看看這個失真的波形是否上下對稱失真，如果不對稱，調(diào)整圖4-13中的滑動變阻器RV1來改變靜態(tài)工作點使波形看似對稱，如圖4-14中的波形(b)

18、所示。因為眼睛看到的對稱失真并不一定是真的對稱，所以還需減小信號發(fā)生器的幅值，使波形一端的失真剛好消失，如圖4-14中的波,b,32,形(c)所示，這驗證了靜態(tài)工作點仍然不合適。進一步調(diào)整滑動變阻器，使波形兩端出現(xiàn)對稱失真，再減小信號發(fā)生器的幅值，使波形一頂失真消失，反復(fù)幾次，直到波形兩頂?shù)氖д鎰偤猛瑫r消失，如圖4-14中的波形(d)所示，這時的靜態(tài)工作點是最合適的，保持滑動變阻器的位置不要再動了。,圖4-14 單管共射放大器調(diào)試靜態(tài)工作點波形,b,33,調(diào)試的原理是來自于單管共射放大電路三極管的輸出特性，如圖4-15所示，為NPN雙極型三極管的輸出特性曲線，其中的斜線為交流負(fù)載線，靜態(tài)工作點

19、應(yīng)位于交流負(fù)載線的中點Q，交流信號在變化時才能得到最大不失真的輸出波形。如果靜態(tài)工作點位于交流負(fù)載線的Q點，則輸出波形如圖中的失真波，即集電極電流稍有增加，三極管便進入飽和區(qū)，產(chǎn)生飽和失真，使放大能力下降。一般來說，調(diào)整基極電阻，可方便地改變靜態(tài)工作點的值。,b,34,圖4-15 三極管的輸出特性與靜態(tài)工作點,b,35,上述的靜態(tài)工作點調(diào)整方法，就是故意讓輸出波形失真來看失真的對稱度，從而判斷靜態(tài)工作點是否位于交流負(fù)載線的中間，因為合適的靜態(tài)工作點并不意味著不會產(chǎn)生失真，只要輸入信號足夠大，就會產(chǎn)生失真，只不過是產(chǎn)生對稱的失真。通過反復(fù)調(diào)整輸入信號的幅值和基極電阻的大小，來觀察和改變靜態(tài)工作點

20、，從而找到一個最佳靜態(tài)工作點，只有找到了最佳靜態(tài)工作點，接下來的動態(tài)參數(shù)測量才有意義。給定一塊電路板，不能盲目地去進行數(shù)據(jù)測量。,b,36,雖然電容隔直，R6左邊的交流信號源的短路線可以省去，開路即可，但在沒有電容的直接耦合電路中卻不能開路，為了養(yǎng)成良好的習(xí)慣，建議使交流信號短接而不是開路。把三個直流電壓表和一個直流電流表(毫安表)連接，可測得如表4-1所示的數(shù)據(jù)。其中，IC的數(shù)據(jù)是約等。,b,37,圖4-16 靜態(tài)工作點的測量,b,38,注意，三個電壓表一定直接連接到三極管的三個極上，不能在電容C1前或電容C2后測量。表4-1中后兩列是計算值。 3. 單管共射放大電路動態(tài)參數(shù)的測量 前面提到

21、，靜態(tài)工作點的合適與否直接影響交流輸出信號的幅值。那么是不是,b,39,有了合適的靜態(tài)工作點后，輸出電壓與信號源的比就一定能夠得到最大值呢？不是的，影響放大倍數(shù)的還有放大電路的幾個動態(tài)參數(shù)：輸入電阻、輸出電阻和帶寬。 首先來討論電壓放大倍數(shù)的測量。 (1) 電壓放大倍數(shù) 電壓放大倍數(shù)有兩種含義，一種是輸出電壓對信號源的比值，即，另一種是輸出電壓對輸入電壓的比值，即。 由于Proteus的虛擬信號源都是理想電壓源，沒有內(nèi)阻，所以圖4-16所示的電路中用電阻R6(10k)來模擬信號源內(nèi)阻，當(dāng)然與實際相比有些大了。真正分到放大電路中的信號電壓是R6的右端(即基極)到地之間,b,40,的交流電壓，另外

22、一部分電壓降落在R6上。 在輸入端接信號發(fā)生器，在信號發(fā)生器上并聯(lián)一個交流毫伏表以測信號源電壓的有效值。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的幅值使交流毫伏表的讀數(shù)約為10mV，把示波器接在輸出端，觀察輸出波形，以不失真為準(zhǔn)。斷開負(fù)載電阻使放大電路空載，在輸出端接交流電壓表。運行仿真，各表讀數(shù)如圖4-17所示?？捎嬎?合上開關(guān)SW3加上負(fù)載后，輸出電壓的幅值會下降，請大家自己測量和計算并分析原因。,b,41,圖4-17 空載時電壓放大倍數(shù)的測量,b,42,由于是單管共射放大電路，所以輸出波形和輸入波形是倒相的，放大倍數(shù)應(yīng)該是負(fù)值。示波器的輸入輸出波形如圖4-18所示。,圖4-18 輸入與輸出波形,b,43,(2)

23、輸入電阻 放大電路的輸入電阻是從放大電路輸入端看進去的無源網(wǎng)絡(luò)的等效電阻，計算此電阻要先畫出放大電路的微變等效電路，也可以直接通過實驗方法來測量，這樣更方便和快捷。其原理如下： 如圖4-19所示，可以把放大電路的交流通路看成是二端口網(wǎng)絡(luò)，輸入端為含有內(nèi)阻的信號源，輸出端接負(fù)載。其中，Ri為輸入電阻，Ro為輸出電阻。當(dāng)電路設(shè)計好后，二端口的參數(shù)就確定不變了?？蛰d時，輸出電壓Uo與輸入電壓Ui的比值是定值，但由于二端口外的元件U S、R S及RL是隨不同的用戶使用而定的，所以根據(jù)兩端串聯(lián)分壓原理，Ri與Ro會分別影響Ui與Uo的值，從而引起輸出電壓的變化而影響電壓放大倍數(shù)。,b,44,在圖4-19

24、中的輸入端，有，如果知道US、RS及Ui，就可以算出Ri，測量輸入電阻的原理就如此。 回頭看實驗圖4-17，US=10.3mV，Ui=4.07mV，RS=10k，則可算出Ri=10.7k?？梢?，輸入電阻越大，放大電路分得的電壓就越大，輸出電壓就越大，當(dāng)然這里模擬用的內(nèi)阻RS有點過大。,圖4-19 輸入、輸出電阻測量原理圖,b,45,(3) 輸出電阻 根據(jù)圖4-19不難理解，如果把放大電路再看成一個電壓源，對負(fù)載供電，則輸出電阻Ro就是這個電壓源的內(nèi)阻，Ro越小，負(fù)載上分得的電壓就越大，放大電路的性能就越好。因此有，其中為空載電壓。 測量輸出電阻的實驗是，分別測出空載和帶負(fù)載情況下的輸出電壓、U

25、o及負(fù)載電阻RL，就可以算出Ro的值。 (4) 帶寬 前面分別提到靜態(tài)工作點、交流輸入及輸出電阻會影響放大電路的電壓放大倍數(shù)，但當(dāng)這些參數(shù)都設(shè)計合理后，是不是放大電路的性能就完美無缺了呢 ?,b,46,其實，前面提到的放大都是對某一固定頻率信號的幅值進行的放大，我們在做實驗的時候，通常把信號頻率調(diào)節(jié)到1kHz。如果保持信號的幅值不變而改變其頻率，會發(fā)現(xiàn)放大倍數(shù)在某些頻段會保持不變，而在另一些頻段則會突然下降，甚至為零。這就是我們所說的頻率響應(yīng)，即頻率對放大倍數(shù)的影響。不同的放大電路的頻率響應(yīng)是不一樣的，這主要是因為電路中的電容(耦合電容、旁路電容、極間電容等)的阻抗會隨頻率而改變，從而導(dǎo)致電路

26、的輸入、輸出阻抗變化，影響輸出電壓的大小。在單管共射放大電路中，頻率過高和過低都會造成放大倍數(shù)的衰減，只有在中頻段，放大倍數(shù)才穩(wěn)定不變，這一段的頻率范圍稱為帶寬，通常用fBW來表示。,b,47,測量單管共射放大電路帶寬的方法是，在放大電路輸入端先加一小信號，比如10mV、1kHz，用示波器觀察輸出電壓波形，要保證輸出波形不失真。調(diào)節(jié)示波器的掃描旋鈕，讓波形集中，調(diào)整示波器的垂直增益，使輸出波形正好占據(jù)10格，如圖4-20所示。,圖4-20 中頻段輸出波形的幅度,b,48,接下來減小信號發(fā)生器的頻率，調(diào)整示波器的掃描旋鈕，使波形在頻率較低的情形下仍能相對集中，以便觀察幅值所占的格數(shù)。繼續(xù)減小信號

27、發(fā)生器的頻率值，直到輸出波形在示波器中所占的格數(shù)減為7格，如圖4-21所示，這時讀信號發(fā)生器的頻率為13Hz，即放大電路的下限轉(zhuǎn)折頻率fL。以同樣的方法讀出上限轉(zhuǎn)折頻率為400kHz，即fH。這個放大電路的帶寬fWH =fHfL約為400kHz。,b,49,根據(jù)單管共射放大倍數(shù)頻率響應(yīng)的幅頻特性，如圖4-22所示，在中頻段，即13Hz400kHz范圍內(nèi)，放大倍數(shù)基本恒定，當(dāng)頻率小于13Hz或大于400kHz時，放大倍數(shù)按每10倍頻程20分貝的速度上升或衰減。圖中顯示的是理想幅頻特性，其實，在轉(zhuǎn)折頻率處，中頻放大倍數(shù)要下降3dB，即是原來的0.707倍。,圖4-21 截止頻率時的輸出波形的幅度,

28、b,50,在本實驗中，因為輸入信號未變，輸出電壓變?yōu)樵瓉淼?.7倍，即放大倍數(shù)變?yōu)樵瓉淼?.7倍。故改變信號頻率，使輸出電壓的幅值由原來的10格縮為7格時，即轉(zhuǎn)折頻率所對應(yīng)的幅值，就測出了轉(zhuǎn)折頻率和帶寬。,圖4-22 單管共射放大電路的頻率響應(yīng),b,51,4. 負(fù)反饋 在單管共射放大電路實驗的一開始，我們給出的實驗電路板是一個含有負(fù)反饋的兩級放大電路，如圖4-12所示?？梢耘袛喑鲈撠?fù)反饋為電壓串聯(lián)負(fù)反饋。因為電壓串聯(lián)負(fù)反饋能夠使放大電路的輸出電阻變小，輸入電阻增大，拓展了帶寬，從而改善了該兩級放大電路的動態(tài)性能，但是所有這些都是以犧牲放大倍數(shù)為代價的。 本實驗我們先分別調(diào)試好兩級放大電路的靜態(tài)

29、工作點，然后在斷開負(fù)反饋的情況下，按照前面介紹的方法，測試兩級放大電路的整體輸入電阻、輸出電阻、電壓放大倍數(shù)和帶寬。合上開關(guān)SW2，在接上負(fù)反饋的情況下，把以上四個參數(shù)再測量一遍，進行比較，找出它們之間的關(guān)系。,b,52,為了節(jié)約時間，四個參數(shù)的測量應(yīng)該這樣來做比較方便，比如測輸入電阻，一次把含有負(fù)反饋和不含負(fù)反饋兩種情況都測了。先把開關(guān)SW2撥到斷開位，讀輸入端信號電壓，然后再把開關(guān)SW2撥到閉合位，重讀一遍。其他參數(shù)依此類推。 通過測量和比較，得出的結(jié)果是,b,53,4.1.3 射極跟隨器,共集電極放大電路又叫射極跟隨器，因為它的電壓從射極輸出且與輸入電壓大小幾乎相等，相位一致，就好像輸出

30、電壓總是跟隨輸入電壓的變化一樣。 射極跟隨器并不能放大電壓，它能夠放大電流，它的輸入電阻高，輸出電阻低，電路的動態(tài)性能比較好，適合做多級放大電路的初級和末級。但由于差動放大電路和功率放大電路的出現(xiàn)，在高性能運放的輸入級和輸出級一般不使用射極跟隨器。 如圖4-23所示，是單管共集放大電路，在該實驗中，我們主要完成以下工作：,b,54,測量靜態(tài)工作點； 測量動態(tài)參數(shù)； 觀察輸入、輸出波形。,圖4-23 射極跟隨器實驗電路,b,55,1. 靜態(tài)工作點的測試 按照圖4-23的接線，先進行靜態(tài)工作點調(diào)試，由于射極跟隨器的電壓不能被放大，所以在調(diào)試靜態(tài)工作點時需要加比較高的輸入電壓才能觀察到失真的出現(xiàn)，一

31、般從1V加起，逐漸加大。靜態(tài)工作點調(diào)整合適后，照圖4-24接線，測量靜態(tài)工作點。注意，測量靜態(tài)工作點所用的都是直流表，測量集電極電位的電壓表可省去，因為集電極直接接12V直流電源。電流表要在屬性對話框中改為毫安表，注意電流從正端流向負(fù)端。測得的數(shù)據(jù)如圖4-24中各電表所示，列于表4-2中。,b,56,圖4-24 射極跟隨器的靜態(tài)工作點測量電路,b,57,2. 測量動態(tài)參數(shù) 動態(tài)參數(shù)仍然是電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻和帶寬。照圖4-23接線，運行仿真，把信號發(fā)生器的頻率調(diào)為1kHz，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的幅度使電路的輸入電壓為2V，讀得信號發(fā)生器的電壓有效值為2.02V，輸出電壓有效值為1.99V

32、。于是可以算出各動態(tài)參數(shù)。 電壓放大倍數(shù),表4-2 射極跟隨器靜態(tài)工作點測量值,b,58,輸入電阻 輸出電阻 保持輸入信號不變，空載和接負(fù)載時分別測得輸出電壓，如圖4-25和圖4-26所示，可計算輸出電阻如下：,b,59,圖4-25 射極跟隨器動態(tài)參數(shù)的測量,b,60,圖4-26 射極跟隨器輸出電阻的測量,b,61,通過計算可以發(fā)現(xiàn)，此射極跟隨器的輸入電阻高達到200k，輸出電阻低至27.4，電壓放大倍數(shù)接近1但小于1。至于帶寬，讀者可以借鑒前面單管共射放大電路的方法自己來測算，下面來觀察輸入輸出電壓波形。 3. 觀察輸入輸出波形 在以上各動態(tài)參數(shù)的測量過程中，前提是輸出電壓不失真，最好是把示

33、波器接在輸出端，每測量或改變一個參數(shù)，都要觀察輸出電壓的波形，確保是在不失真狀態(tài)下。 現(xiàn)在的主要目的是觀察、對比輸入輸出電壓波形，驗證輸出電壓是否與輸入電壓大小相等、方向相同 。在輸入端加上使輸出不失真的合適輸入電,b,62,壓，使輸出空載，把輸入、輸出分別接到示波器的A、B通道，調(diào)節(jié)示波器的掃描旋鈕和A、B通道的垂直位移及增益旋鈕，保持兩通道的增益一致，垂直位移稍有不同，否則兩波形將重疊。觀察到的波形如圖4-27所示。由此可驗證射極跟隨器名稱的由來。,圖4-27 射極跟隨器的輸入輸出波形,b,63,差動放大器用在多級放大電路的第一級，主要目的是減少零漂。與單管共射放大電路相比，差動放大器使用

34、了雙倍的元件卻得到同樣的電壓放大倍數(shù)，但它卻具有相當(dāng)高的共模抑制比，即對共模信號的放大倍數(shù)近似為零。差動放大器的實驗主要測電路的靜態(tài)工作點、單端和雙端輸出時的差模電壓放大倍數(shù)Ad、共模電壓放大倍數(shù)Ac及共模抑制比KCMRR。 圖4-28是差動放大器的實驗電路，其中T3、R1、R2、RE3構(gòu)成恒流源，T3的集電極電流為恒流源的輸出。兩位開關(guān)K用來選擇差動放大器射極接電阻還是接恒流源，當(dāng)K撥到左邊，差動放大器接10k的射極電阻RE，撥到右邊接恒流源，,4.1.4 差動放大器,b,64,共模抑制能力更強。RW是調(diào)零電阻，在仿真時，因為我們可以做到差動對管及相應(yīng)的元件完全對稱，而在實際電路中卻不能，利

35、用調(diào)零電阻RW來調(diào)節(jié)兩個共射放大電路的對稱性。開關(guān)SW1用來在測靜態(tài)工作點時短接信號源。,b,65,圖4-28 差動放大器實驗電路,b,66,1. 電路調(diào)零 在測各參數(shù)之前，先進行電路調(diào)零。如圖4-29所示，在T1、T2管兩集電極之間接一直流伏特表，閉合開關(guān)SW1，把開關(guān)K打在左側(cè)，這時電路中全部為直流電量。調(diào)節(jié)滑動變阻器RW，使電表的讀數(shù)接近零為止。調(diào)零完成，去掉電壓表，保持RW的觸頭位置不變。,圖4-29 調(diào)零電路,b,67,2. 測量靜態(tài)工作點 在只有直流電源作用的情況下，測得電路中的基極電位、射極電位、集電極電位和集電極電流。 照圖4-30連接電路，測得的數(shù)據(jù)如表4-3所示。,圖4-3

36、0 差動放大器的靜態(tài)工作點測量電路,b,68,3. 單端輸出時的放大倍數(shù)和共模抑制比 (1) 單端輸出差模電壓放大倍數(shù) 打開SW1，在差模輸入端接一信號源，并聯(lián)交流毫伏表，運行仿真，調(diào)節(jié)信號源的頻率為1kHz，調(diào)節(jié)信號源的幅值使交流毫伏表的讀數(shù)約為200mV。在T1管的集電極接一交流伏特表，如圖4-31所示。最好在T1管集電極接示波器，觀察輸出電壓波形不失真為準(zhǔn)。,表4-3 差動放大器靜態(tài)工作點測量值,b,69,先把開關(guān)K撥到左側(cè)，測得T1管的集電極輸出電壓為7.79V；再把開關(guān)K撥到右側(cè)，測得T1管的集電極輸出電壓為6.55V?？捎嬎愠錾錁O分別接電阻和恒流源時的單端輸出差模電壓放大倍數(shù)為,圖

37、4-31 差動放大器的單端輸出差模電壓放大倍數(shù)測量電路,b,70,(2) 單端輸出共模電壓放大倍數(shù) 如圖4-32所示，把T1、T2管的兩輸入端并聯(lián)，再接一頻率為1kHz、有效值約為100mV的共模輸入信號。,圖4-32 差動放大器的單端輸出共模電壓放大倍數(shù)測量電路,b,71,先把開關(guān)K撥到左側(cè)，測得T1管的集電極輸出電壓為6.38V；再把開關(guān)K撥到右側(cè)，測得T1管的集電極輸出電壓為4.71V?？煞謩e計算出射極接電阻和恒流源時的單端輸出共模電壓放大倍數(shù)為 計算結(jié)果表明，單端輸出時的共模電壓放大倍數(shù)小于差模電壓放大倍數(shù)，理想情況下，由于射極電阻較大，共模抑制能力強，共模電壓放大倍數(shù)應(yīng)接近零，但這里

38、無論接10k的射極電阻還是接恒流源，共模電壓放大倍數(shù)都不夠理想，即共模電壓放大倍數(shù)并沒有降下來。但T1和T2管接射極電阻和接恒流源兩種情況下,由于射極電阻較大，共模抑制能力強，共模,b,72,放大倍數(shù)應(yīng)接近零，但這里無論接10k的射極電阻還是接恒流源，共模電壓放大倍數(shù)都不夠理想，即共模電壓放大倍數(shù)并沒有降下來。但T1和T2管接射極電阻和接恒流源兩種情況下，第二種接法共模電壓放大倍數(shù)要小些，效果更好些。這只是測試電路，日常應(yīng)用中的共模輸入電壓一般來自溫度或其他因素，非我們故意加之，而是系統(tǒng)輸入中所不能剔除的部分，通過差動電路來抑制。 (3) 單端輸出時的共模抑制比 把單端輸出時的差模電壓放大倍數(shù)

39、比上共模電壓放大倍數(shù)，它們的絕對值即共模抑制比，能反映一個電路對共模信號的抑制能力，此值越大越好。,b,73,可求得本實驗電路接射極接電阻和接電流源時的共模抑制比分別為 4. 雙端輸出時的放大倍數(shù)和共模抑制比 按照前面介紹的差模輸入信號和共模輸入信號的接法，在輸入端分別接1kHz、有效值約為100mV的差模和共模輸入信號，在T1和T2管的集電極之間接一交流電壓表，測得雙端輸出時的差模輸出電壓和共模輸出電壓分別為7.26V和0V，如圖4-33所示。,b,74,(a) 差模輸出,(b) 共模輸出,圖4-33 差動放大器的雙端輸出測量電路,b,75,可算出雙端輸出時的差模電壓放大倍數(shù)、共模電壓放大倍

40、數(shù)以及共模抑制比分別為 可見，雙端輸出時的共模抑制能力最強。而我們平時所見的電路大部分在差動電路后面還要接單端輸入電路，故單端輸出應(yīng)用比較多，這就要求射極電阻足夠大，最好接理想恒流源，它的電阻接近。 5. 輸出波形的觀察 在差模輸入時，如果輸入信號的正極性端接T1管的基極，由于共射電路的倒相性，單端輸出從T1管的集電極對地的輸出電壓是和輸入差模信號倒相的，相反，對于同樣的輸入信號，從T2管的集電極輸出電,b,76,壓是和輸入電壓同相的，如圖4-34所示，分別是單端輸出時的兩個輸出電壓及差模輸入電壓，請大家判斷分別是哪個波形。 雙端輸出時，如果選擇T1管的集電極為輸出電壓的正極性端，則輸出電壓與

41、輸入電壓同相，否則反相。,圖4-34 單端輸出時的電壓波形,b,77,這里要討論的低頻功率放大器是一個OTL(無輸出變壓器)電路，5V單直流電源供電，輸出端接1000F的大電容，通過充放電，做負(fù)電源使用，原理上和OCL電路還是一樣的。如圖4-35所示，電路中采用由R5、C3組成的自舉電路來抬高A點的電位。在本實驗中，我們主要調(diào)試和觀察交越失真波形、測量最大不失真輸出電壓及計算最大輸出效率。,4.1.5 低頻功率放大器,b,78,圖4-35 低頻功率放大器,b,79,1. 觀察交越失真波形 照圖4-35連接，并連接直流電壓表和直流毫安表。調(diào)節(jié)RV1，使A點的直流電位達到2.5V，調(diào)節(jié)RV2使毫安

42、表的讀數(shù)在510mA之間。這時，兩個管子的VCE均為2.5V，電容C2通過直流電源、T1和8揚聲器負(fù)載充電至2.5V。,圖4-36 輸出波形的交越失真現(xiàn)象,b,80,圖4-35中的RV2和D1是專門用來消除輸出波形的交越失真的。但現(xiàn)在我們故意來調(diào)節(jié)RV2使Q2與Q3兩基極間電壓減小，從而在輸出波形中出現(xiàn)交越失真。首先對圖4-35做些改動，斷開C1與地之間的短路線，接交流信號發(fā)生器，在C2后接示波器。運行仿真，使信號發(fā)生器的頻率為1kHz，調(diào)節(jié)其幅值，觀察示波器上的波形使其不出現(xiàn)上下頂失真。接下來把RV2往下調(diào)，直到輸出波形出現(xiàn)交越失真為止，如圖4-36所示。,b,81,2. 最大不失真輸出電壓

43、及輸出效率 觀察了交越失真之后，繼續(xù)調(diào)節(jié)滑動變阻器RV2，使其值變大，直至交越失真消失為止。然后加大輸入信號的幅值，使輸出波形上下頂出現(xiàn)失真，然后調(diào)節(jié)RV1，使失真對稱，減小輸入信號幅值，觀察失真是否真的對稱，這樣反復(fù)調(diào)節(jié)RV1和減小輸入信號幅值，直到輸出波形上下頂?shù)牟ㄐ问д鎰倓偼瑫r消失為止。這時的靜態(tài)工作點是合適的。 測量此時的輸出電壓有效值，即為最大輸出電壓。方法是在輸出端接一交流電壓表，讀出電壓表的讀數(shù)Uo=425mV。這個輸出電壓有點小的原因主要是兩個功放管性能不是太匹配。,b,82,輸出效率等于最大不失真輸出電壓時，負(fù)載功率與直流電源功率的比值。在圖4-35中，我們可以讀出直流電源的

44、電流為7.79mA，電壓為5V，則功率PE為 電路的效率為,b,83,4.1.6 RC正弦波振蕩器,正弦波振蕩器由四部分組成，分別是放大電路、選頻網(wǎng)絡(luò)、正反饋電路和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。正弦波振蕩電路的典型特征是無交流輸入信號，卻在輸出端產(chǎn)生了正弦波輸出信號。它的原理是，在直流電源閉合的一瞬間，頻率豐富的干擾信號串入振蕩電路的輸入端，經(jīng)過放大后出現(xiàn)在電路的輸出端，但是由于幅值很小而頻率又雜，不是我們希望的輸出信號。此信號再經(jīng)過選頻兼正反饋網(wǎng)絡(luò)，把某一頻率信號篩選出來(而其他信號被抑制)，再送回放大電路的輸入端，整個電路的回路增益應(yīng)略大于1，這樣不斷的循環(huán)放大，得到失真的輸出信號，最后經(jīng)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)可輸出一個頻

45、率固定、幅值穩(wěn)定的正弦波信號。正弦波振蕩器的結(jié)構(gòu)框圖如圖4-37所示。,b,84,根據(jù)正弦波振蕩電路選頻網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)來區(qū)分和命名正弦波振蕩電路，RC電路有RC串并聯(lián)振蕩電路、三節(jié)RC移相式振蕩電路和雙星型振蕩電路；LC電路有變壓器反饋式振蕩電路、電容三點式和電感三點式振蕩電路以及石英晶體振蕩電路等。本實驗介紹RC串并聯(lián)振蕩電路，如圖4-38所示。這個電路共由三部分組成：T1、T2組成的兩級共射放大電路，R1、C1、R2、C2組成的串并聯(lián)選頻兼正反饋網(wǎng)絡(luò)以及RW和RF組成的電壓串聯(lián)負(fù)反饋穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。,圖4-37 正弦波振蕩器的結(jié)構(gòu)框圖,b,85,先把滑動變阻器RW調(diào)到最上邊，使引入負(fù)反饋最弱，放大電

46、路的放大倍數(shù)最大。合上開關(guān)SW1，觀察示波器的波形如圖4-39左圖所示，出現(xiàn)失真波形。慢慢向下調(diào)節(jié)RW，加大負(fù)反饋作用，輸出波形逐漸化成圖4-39右圖所示的正弦波。,b,86,圖4-38 RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路,b,87,電路的頻率由R1(R2)和C1(C2)決定，即 可以讀出示波器的掃描旋鈕刻度為0.1ms/格，一個正弦波周期所占的格數(shù)約為10格，算出周期為1ms，即頻率為周期的倒數(shù)1kHz，這與通過參數(shù)計算的結(jié)果基本一致。,圖4-39 正弦波振蕩電路的輸出波形,b,88,4.2 直流可調(diào)穩(wěn)壓電源的設(shè)計,利用Proteus來設(shè)計綜合模擬電路非常方便，它有豐富的元件庫及仿真儀器，能夠節(jié)約時間

47、和元件成本，縮短設(shè)計周期，調(diào)試方便，并且設(shè)計的一次成功率高。 本節(jié)我們一起來設(shè)計一個模擬電子技術(shù)中常用的電路，通過例子對Proteus各種功能的綜合應(yīng)用更加得心應(yīng)手。 直流穩(wěn)壓電源是大家頗為熟悉的電路了，這里我們設(shè)計一個可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，具體要求如下：,b,89,輸出電壓在1.25V37V可調(diào)； 最大輸出電流為1.5A； 電壓調(diào)整精度達0.1%。 1. 題目分析 直流穩(wěn)壓電源的作用是通過把50Hz的交流電變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓從而使電路變成恒定的直流電壓，供給負(fù)載，如圖4-40所示。設(shè)計出的直流穩(wěn)壓電源應(yīng)不以電網(wǎng)電壓的波動和負(fù)載的變換而改變。,圖4-40 直流穩(wěn)壓電源的組成,b,90,直流穩(wěn)壓

48、電源的種類有很多，常用的是串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源，而由于集成技術(shù)的發(fā)展，集成穩(wěn)壓器件方便而可靠，逐漸代替了串聯(lián)直型直流穩(wěn)壓電源中的調(diào)整管及相關(guān)電路。 主要的集成穩(wěn)壓器件有： 固定式穩(wěn)壓器件W78XX和W79XX； 可調(diào)式穩(wěn)壓器件W117、W217和W317。 W78XX穩(wěn)壓器件用來穩(wěn)定正電壓，而W79XX穩(wěn)壓器件用來穩(wěn)定負(fù)電壓。它們的輸出電壓各有7個等級，W78XX輸出電壓有5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V。如W7805輸出+5V直流電壓，W7809輸出+9V直流電壓。輸出電流有三個等級，分別為1.5A、0.5A(M)和0.1A(L)。如W7805最大輸出電流為1.5A，W78M0

49、5最大輸出電流為0.5A，W78L05最大輸出電流為0.1A。,b,91,可調(diào)式穩(wěn)壓器件LM117/LM317 是美國國家半導(dǎo)體公司的三端可調(diào)正穩(wěn)壓器集成電路。LM117/LM317 的輸出電壓范圍是1.25V至37V，負(fù)載電流最大為1.5A。它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設(shè)置輸出電壓。此外，它的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率也比標(biāo)準(zhǔn)的固定穩(wěn)壓器好。LM117/LM317 內(nèi)置有過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路。調(diào)整端使用濾波電容能得到比標(biāo)準(zhǔn)三端穩(wěn)壓器高得多的紋波抑制比。LM117/LM317有許多特殊的用法，比如把調(diào)整端懸浮到一個較高的電壓上，可以用來調(diào)節(jié)高達數(shù)百伏的電壓，只要輸入輸出電壓差

50、不超過LM117/LM317的極限就行，當(dāng)然還要避免輸出端短路。還可以把調(diào)整端接到一個可編程電壓上，實現(xiàn)可編程的電源輸出。可調(diào)整輸出電壓低到1.2V，保證1.5A 輸出電流，典,b,92,型線性調(diào)整率0.01%，典型負(fù)載調(diào)整率0.1%，80dB 紋波抑制比，輸出短路保護，過流、過熱保護，調(diào)整管安全工作區(qū)保護，標(biāo)準(zhǔn)三端晶體管封裝。 LM117/LM317在 1.25V 至 37V 之間連續(xù)可調(diào)。調(diào)整端的電流可忽略不計，因而有 其中，UREF是集是穩(wěn)壓器件的輸出電壓，為1.25V。如圖4-41所示，改變R2的值，UO的值即可改變。當(dāng)R2短路時，UO最小，為UREF即1.25V；當(dāng)R2大于零時，UO都大于UREF，最大可達37V。,b,93,集成穩(wěn)壓器件的封裝如圖4-42所示。,圖4-41 集成可調(diào)直流穩(wěn)壓器件的接法,b,94,圖4-42 集成直流穩(wěn)壓器件的封裝,b,95,2. 電路設(shè)計 根據(jù)以上分析，我們來設(shè)計一個由集成穩(wěn)壓器件構(gòu)成的直流可調(diào)穩(wěn)壓電源。按照圖4-40所示的直流穩(wěn)壓電源的組