模电仿真实验报告.docx

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模电仿真实验报告

模电仿真实验报告

电气工程学院

电气工程与自动化专业2007级

刘颂凯

200732540323

2009年06月

实验一晶体三极管共射放大电路

一、实验目的

1、学习共射放大电路的参数选取方法。

2、学习放大电路静态工作点的测量与调整，了解静态工作点对放大电路性能的影响。

3、学习放大电路的电压放大倍数和最大不失真输出电压的分析方法。

4、学习放大电路输入、输出电阻的测量方法以及频率特性的分析方法。

二、实验内容

1、确定并调整放大电驴的静态工作点。

2、确定放大电路的电压放大倍数Av和最大不失真输出电压Vomax。

1）RL=∞（开路）；2）RL=3kΩ。

3、观察饱和失真和截止失真，并测出相应的集电极静态电流。

4、测量放大电路的输入电阻Ri和输出电阻Ro。

5、测量放大电路-带负荷时的上限频率fH和下限频率fL。

三、实验准备

1、阅读本实验的实验原理与说明，了解共射放大电路中各元件参数的选择及静态工作点的测量、调整方法。

2、选取图1-1所示的共射基本放大电路参数，已知条件和设计要求如下：

1）电源电压Vcc=12V;

2）静态工作电流ICQ=1.5mA；

3）当Rc=3kΩ，RL=∞时，要求Vomax≥3V（峰值），Av≥100;

4）根据要求选取三极管，β=100-200，C1=C2=10uF,Ce=100uF;

3、估计所涉及的放大电路的主要技术指标（Rc=3kΩ）：

1）在不接RL和接上RL联众情况下的电压放大倍数。

2）在不接RL和接上RL联众情况下的最大不失真输出电压。

实验电路图

四、实验电路的仿真分析

1、原理图绘制及参数选取：

三极管在BIPOLSAR库中，元件名称：

Q2N2222

参数设置方法：

激活三极管，右键打开Eidt\pspicemodel文本框，修改电流放大系数Ｂf=100（默认值是255.9），修改Vje=0.7V（默认值是0.75V），修改基区电阻Rb=300（默认值是10）。

修改完成后保存，其他的参数不要随意修改，避免仿真时出错。

电容参数为C1=C2=10uF，Ce=100uF；

电阻参数Rc=3kΩ，其他阻值根据参数计算得出。

2、检查电路中各节点电压和各支路电流，按设计要求调整静态工作点

1）将计算得出的电阻值填入电路，仿真分析共射放大电路的静态工作点。

2）根据ICQ=1.5mA,确定相关电阻值。

3）判断电路工作状态。

3、观察输入与输出电压波形，测量电压放大倍数。

1）在放大电路的输入端加入交流信号源VSIN（交流信号频率：

3.6kHz，幅值：

10mv），并将其符号更改为Us。

2）当Rc=3kΩ时，设置交流扫描分析，验证共射放大电路的电压放大倍数是否满足要求。

3）当RL开路（可设RL=1MegΩ）时，设置交流扫描分析，验证共射放大电路的电压放大倍数是否满足要求。

4）当Rc=3kΩ时，设置瞬态分析，观察共射放大电路的输入、输出电压波形，注意比较输出与输入电压之间的相位关系。

4、观察饱和，截止失真

设Vi=40mV，仿真分析共射放大电路的电压传输特性及最大不失真输出电压（分别在Rc=3kΩ和RL=∞两种情况下），并判断输出电压市县出现饱和失真还是先出现截止失真。

5、输入电阻测量

1）设置VSIN源的AC选项为10MV。

2）设置分析类型为ACSweep/Noise,观察3.5kHZ处输入电压和电流的比值，并与理论结果相比较。

6、输出电阻测量

去掉输入端电源，将输入端短路，把交流电压源VAC（AC=10V）改接在负荷RL位置。

设置交流分析，观察输出电压和输出电流比值的曲线。

观测频率在3.5kHZ处的输入电阻Ro并与理论值比较。

五、实验心得体会及小结

本实验中最重要的是放大电路中各个元件的参数选择，经过不断尝试，最终找到了合适的参数，并得以进行下一步实验；接下来对电路进行直流分析得到了它的静态工作点，通过对它的调整掌握了静态工作点的变化对放大电路的影响；最后测得了放大电路的放大倍数和最大不失真输出电压的分析方法，并测得放大电路输入、输出电阻以及频率特性曲线。

实验二差分放大电路

一．实验目的

1、学习差分放大电路的设计方法。

2、学习差分放大电路静态工作点的测量和调整方法。

3、学习差分放大电路差模和共模性能指标的测试方法。

二．实验原理与说明

1、差分放大电路的调零及静态工作点的测量

当差分放大电路的电路结构对称，元件参数和特性相同时，两个三极管集电极上的直流电位相同。

但在实验过程中，由于三极管特性和电路参数不可能完全对称，导致差分放大电路在没有输入时双端输出却不为零。

因此需要对差分放大电路进行零点调节。

2、差分放大电路电压放大倍数的测量

根据直接耦合电路的特性，可以采用直流电压作为差分放大电路的输入信号，很方便的测出差分放大电路点电压传输特性曲线。

由电压传输特性曲线可以求出差分放大电路的差模放大倍数和线性工作范围。

差分放大电路也可以采用交流新号作为输入信号来测量差分放大电路的电压放大倍数，这时应该注意下列几个方面：

（1）对于双输入的差分放大电路，其信号源应该是差模信号输出。

（2）由于常用的测试仪器通常有一端接地，因而不能用来直接测试差分放大电路双端输出电压v0，而只能测出输出端对地电压vo1和vo2，然后求出双端输出电压。

（3）用交流信号测量电压放大倍数时，信号频率应选在差分放大电路的通频带内，且输入信号幅度不能太大，否则将导致输出波形出现失真。

（4）同时观察放大电路输入和输出信号的波形，分析他们的相位关系和输出失真情况。

3、共模抑制比的测量

根据共模抑制比的定义，只要分别测出茶米放大倍数Avd和共模放大倍数Avc即可。

对于共模放大倍数的测试，也有“交流”和“直流”两种测试方法。

但由于共模输出信号远小于共模输入信号，为便与测量，长采用“交流”法。

采用交流信号测量共模电压放大倍数Avc1时，应该注意：

（1）由于Avc1<<1,故在测试时所用的输入信号幅度需要比测量Avd1时大得多，而且把输入信号幅度加大，还有利于提高输出信号的信噪比。

（2）为了保证测量精度，通常利用毫伏表测量输入电压和输出电压的幅值。

虽然利用万用表或示波器也可以测出电压幅值，但测量误差会较大。

三．实验内容

将Pspice中输入并编辑电路图，设置合适的元件和信号源参数，进行一下仿真分析：

1、将输入方式改为单端输入，并设置直流扫描分析，以V1为扫描对象，仿真分析差分放大电路的电压传输特性。

2、将输入方式改为差模输入，设置交流分析和瞬态分析，计算差模电压放大倍数和差模输入电阻，观察两个输入端电压的相位关系。

3、将输入方式改为共模输入，设置交流分析和瞬态分析，计算共模电压放大倍数和共模输入电阻，观察两个输出端电压的相位关系。

4、将输入方式改为单端输入，，查看差分放大电路中vo1、vo2、v0、vE的波形，并注意他们的相位和幅值。

5、将输入方式改为双端驶入，查看差分放大电路中vo1、vo2、v0、vE的波形，并注意他们的相位和幅值。

四．实验结果与分析

由幅频特性可知可选1khz

1直流分析

Vo1：

Vo2：

Vo：

2交流分析

瞬态分析

五、实验心得体会及小结

差分放大电路的仿真分析和理论计算十分符合。

仿真过程也十分顺利。

实验三互补对称功放电路

一、实验目的

1、观察乙类互补对称功放电路输出波形，学习克服输出中交越失真的方法。

2、学习最大输出电压范围的方法。

二、实验类型

验证型实验

三、预习要求

1、复习乙类互补对称功放电路的工作原理，分析其输出波形。

2、复习甲乙类互补对称功放电路工作原理。

3、复习瞬态分析和直流分析的步骤。

四、实验内容和要求

实验电路图如图3-1所示：

1、仿真

设置瞬态仿真，同事观察输出波形和输入波形，观察在输入Vi过零点时，输出V0发生的现象。

为了求出交越失真发生的范围，设置直流扫描分析功能，仿真后得到电压传输特性曲线，在图上标出交越失真发生的范围。

2、克服交越失真

为了克服交越失真将图3-1的电路修改为图3-4所示的甲乙类互补对称功放电路。

重新设置瞬态分析，仿真观察输出、输入波形，判断交越失真情况。

设置直流扫描分析功能，设扫描电压源为Vi，扫描范围为-2V到+2V，扫描步长为0.01。

仿真观察电压传输特性曲线。

重新设置直流扫描分析功能，设扫描电压为Vi，扫描范围为-10V到+10V，扫描步长为0.01.仿真观察电压传输特性曲线，标出最大输出电压范围。

3、甲乙类互补对称功放电路的输出功率

设置瞬态仿真，得到如图3-5所示的波形：

（1）功率利用Po=Vom*Vom/（2*Rl），计算、仿真，得到输出功率特性曲线。

如图3-6所示：

游标显示的y1值即为输出功率Po的值，可知Po=0.53W.

（2）利用Pv=2*Vcc*Vo/（3.14*Rl），得到功率Pv的特性曲线，启动游标可知直流电源提供的功率Pv=1.774W。

利用函数n=Po/Pv=3.14*Vo/（4Vcc），启动游标可知功率放大电路的效率为30%。

同理，输入函数Pt=1/Rl*（Vcc*Vo/3.14-Vo*Vo/4），可以得到每个功率管的管耗为0.611W。

五、实验结果

六、实验心得体会及小结

互补对称功放电路的仿真分析和理论计算符合。

仿真过程比较十分顺利。

实验四方波三角波发生电路

一.实验目的

1.学习用集成运算放大器构成的方波和三角波发生电路的设计方法。

2.学习方波和三角波发生电路主要性能指标的测试方法。

二．实验内容

1.用示波器观察并测量方波的幅值Vom、频率f0及频率调节范围。

2.测量三角波的幅值Vom及其调节范围。

注意观察在调节过程中波形的变化，并分析其原因。

三．实验准备

1.复习教材中有关方波和三角波发生电路的内容。

2.按下列要求设计一个用两级集成运放构成的方波和三角波发生电路。

（1）振荡频率范围：

500Hz～1kHz；

（2）方波输出电压幅度：

Vom=±8V;

（3）三角波峰值调节范围：

Vom1=2～4V；

（4）集成运放采用u741.

四．实验原理与说明

1.方波和三角波发生电路形式的选择

由集成运放构成的方波和三角波发生器的电路形式较多，但通常他们均由滞回比较器和积分电路组成。

按积分电路的不同，又可以分为两种类型：

一类是由普通RC积分电路和滞回比较器所组成，另一种由恒流充放电的积分电路和滞回比较器组成。

简单的方波和三角波发生电路如图4-1所示。

其特点是线路简单，但性能较差，尤其是三角波的线性度很差，负载能力不强。

该电路主要用作方波发生器，当对三角波要求不高时，也可以选用这种电路。

图4-1简单的方波和三角波发生器

图4-1所示的电路所产生的三角波线性度差的原因是由于电路中采用了简单的RC积分电路，因此电容C上的充放电是按指数规律进行的。

为了改善三角波的线性度，可以用恒流源代替电阻R，使电容C充放电的电流恒定，从而使电容C上的电压线性地上升或下降。

图4-2（a）是实现电容C恒流充放电的一种电路。

图4-2恒流源构成的三角波和方波发生器

从图4-2（a）可以看出，它只是一个双向恒流源代替了原电路中的积分电阻R。

电路中，结型场效应管和源极电阻R4组成恒流源，4只二极管引导电流方向。

当v0的极性为正时，v0经过D2、JFET、D3对电容C充电；当v0得极性为负时，电容C上的电压vc经过D1、JFET、D4放电。

其等效电路如5-2（b）所示，因此，无论v0的极性是正还是负，电路都对电容C进行恒流充放电，电容C上将输出线性度良好的三角波。

更常用的三角波和方波发生电路时由集成运放组成的积分器与滞回比较器组成，如图4-3所示。

由于采用了由集成运放组成的积分器，电容C始终处在恒流充放电状态，使三角波和方波的性能大为改善，不仅能得到线性度理想的三角波，而且也便于调节振荡频率和幅度。

图4-3方波和三角波发生电路

分析图4-3电路可知，方波和三角波的振荡频率相同，其值为f=14RC·R2／R1。

方波的输出幅度由稳压管Dz决定，方波经积分器积分后得到三角波，因此三角波输出的幅值（峰值）为V0m1=R1Vz／R2。

3.电路中元件的选择及参数确定

（1）集成运算放大器的选择

由于方波的前后沿时间与滞回比较器的转换速率有关，当方波频率较高（几十千赫兹以上）或对方波前、后沿要求较高时，应选择高速集成运算放大器来组成滞回比较器。

（2）稳压管的选择

稳压管的作用是限制和确定方波的幅值，此外方波的振幅和宽度的对称性也与稳压管的对称性有关，为了得到稳定而且对称的方波输出，通常都选用高精度的双向稳压二极管，如2DW7。

R3是稳压管的限流电阻，其值根据所用稳压管的稳压电流来确定。

（3）分压电阻R1和R2阻值的确定

R1和R2的作用是提供一个跟随输出方波电压而变化的基准电压，并由此决定三角波的输出幅度。

所以R1和R2的阻值应根据三角波输出幅度的要求来确定。

例如，已知Vz=6V，若要求三角波的峰值为V0m1=4V，则R1=1.5R2.若取R2=10kΩ，则R2=15kΩ。

当要求三角波的幅值可以调节时，R1和R2则可以用电位器来代替。

（4）积分电路R和C参数的确定

R和C的值应根据方波和三角波发生器的振荡频率f0来确定。

党分压电阻R1和R2的组织确定后，先选择电容C的值，然后确定R的阻值。

对于图4-3所示的电路，为了减小积分漂移，应尽量将电容C选得大些。

但是电容量大的电容，漏电也大，所以通常积分电容不超过1uf。

4.方波和三角波发生电路的调试方法

方波和三角波发生电路的调试应使其输出电压幅值和振荡频率均能满足设计要求。

为此可以用示波器测量方波和三角波的频率和幅值。

调整电阻R的阻值，可以改变振荡频率f0；调整R1和R2的阻值，可以改变三角波的输出幅度。

五．计算机辅助设计

在Pspice中输入所设计的方波和三角波发生电路，进行如下仿真分析：

1.仿真分析方波和三角波的输出波形；

2.仿真分析运放组成的滞回比较器的电压传输特性。

六．实验结果

实验电路如图：

波形如图：

所得的方波和三角波幅值为：

Vom1=3.4643V，Vo=8.0461V

七．实验心得体会

本次试验电路图比较复杂，经过多次试验才得到较为正确的结果，尽管和理论存在一定得误差，但已经较为完善，可以作为实验结论。

实验五正弦波振荡电路

一、实验目的

1、加深理解正弦波真到电路的起振条件和稳幅特性。

2、学习RC桥式正弦波真到电路的设计和调试方法。

二、实验原理与说明

1、桥式正弦波振荡电路的组成

桥式正弦波振荡电路由RC串并联选频网络和同相放大电路组成，如下图所示。

电路中，RC串并联选频网络将输出电压Vo反馈到集成运放的同相输入端，形成正反馈。

根据产生振荡的相位条件，课的电路的振荡频率fo为:

fo=12πRC

电路在起振时应满足：

RfR1﹥2

式中，Rf=R2+（R3//Rd）,Rd为二极管正向导通时的等小电阻。

当电路达到稳定振荡时，其幅值平衡条件为：

RfR1=2

2、桥式正弦波振荡电路的设计方法

一般来说，正弦波振荡电路的设计包括选择电路的结构型式，确定电路中的元件参数。

电路元件参数应在所要求的频率范围内满足产生正弦振荡的条件，从而使电路输出所要求的振荡波形。

所以，正弦振荡条件是设计正弦波振荡电路的主要依据。

本实验中，设计要求如下：

（1）、振荡频率：

fo=500Hz;

（2）、输出电压有效值Vo>=8V，且输出幅度可调；

（3）、集成运放采用μA741，稳幅元件采用二极管。

（4）、电容选用标称容量为0.047μF的金属模电容器，电位器Rw可选用47KΩ,二极管的并联电阻选用10KΩ。

三、实验内容

按起振条件调整RC正弦波振荡电路，使其产生稳定的振荡输出。

调整电路到最大不失真输出，测量振荡频率fo和输出电压幅度Vom,并与设计值相比较。

在输出不失真条件下，分别测出二极管接入与断开两种情况下的输出电压、反馈电压的幅值，从中分析正弦波振荡电路的起振条件和稳幅特性。

改变RC，重复上述实验内容。

实验结果及分析

V0max=5.1017V，Vomin=-5.1018V。

傅里叶分析：

f=500.002HZ,Vo=3.8169V

为便于观察，将横坐标范围缩小：

由于要求Vo≥8V，故改进如下：

将R2取值设为全局变量，从15k到20k进行扫描，间隔1k，得到各波形如下：

R2=15k，Vomax=3.8664V.

R2=16k,Vomax=5.1017V.

R2=17k,Vomax=7.1819V.

R2=18k,Vomax=11.424V.

R2=19k,Vomax=11.816V,波形失真。

R2=20k,Vomax=11.816V,波形失真。

故应取R2=18k。

同理，若从1k扫描到14k，会发现一开始没有振荡，直到R2=10k时，出现阻尼振荡波形如下：

而R2=11k时开始有不稳定振荡输出波形：

R2=12k时趋于稳定：

R2=13k时稳定，Vomax=2.4425V：

四、本学期电路仿真实验心得总结

深刻感受Pspice的确是一款功能强大的仿真软件。

在电路仿真中我们学了很多基本操作，模电仿真使我们进一步加强了使用Pspice仿真的能力。

模电仿真中，差分放大电路和正弦振荡电路十分重要，重点分析过这些部分。

  就像在电路仿真的实验心得里说过一样，对于我们学电的同学来讲，按说我们应该对一些基本元件的使用方法及参数确定非常清楚，其实恐怕大多数的同学都做不到这一点。

原因很简单——理解不够深刻。

而使用仿真软件来来验证以往学过的知识，我认为无疑是最好的手段。

例如我们平时在教材中见到的运算放大器，一般情况下是不标示电源的，但在实际使用中，不加电源运放是无法正常工作的，这些疑惑我们都可以通过仿真软件来解决，通过试验我发现，不同的电路对电源接法的要求是不同的。

刚做仿真的时候，我以为把自己设计的原理电路接上，就会产生自己所需要的波形，谁知道等一运行才发现，自己设计的电路中有不少错误，如没有辅助电源、没有接地点等，还有注意放大器前电阻的匹配问题、这些知识大都是我们无法从教材上学到的。

   其实我感觉做仿真的过程就是做实物的前奏，只有通过仿真验证，证实了某种设计的正确性，才可以进入实物的制作阶段，这样可以节省大量的制作成本，减少不必要的浪费。

要把自己学到的课本知识真正的应用于实践，就必须经得起实践的检验，仿真验证是通向实物试制的通行证。

无疑计算机仿真具有效率高、精度高、可靠性高和成本低等特点，现在己经广泛的应用于电力电子电路（或系统）的分析和设计中。

计算机仿真不仅可以取代系统的许多繁琐的人工分析，减轻劳动强度，提高分析和设计能力，避免因为解析法在近似处理中带来的较大误差，而且还可以与实物试制和调试相互补充，最大限度的降低设计成本，缩短系统研制周期。

由于只是在一个学期，或者说是一个月里的短时间学习，其实我们对于Pspice的学习犹如冰山一角，有好多问题还要继续研究与学习，但感觉已经是受益匪浅，相信这次学习和使用仿真软件的机会对自己今后的学习和工作也会很有帮助。

最后要感谢指导老师一直以来对我们的指导！