EDA实验报告 阶梯波发生器 负反馈放大电路文档格式.docx
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(2)实验要求………………………………………………………………………………….16
(3)实验原理图………………………………………………………………………………16
(4)阶梯波电路设计过程…………………………………………………………………16
(6)实验结果分析……………………………………………………………………………19
实验总结与收获………………………………………………………….22
一、实验目的
1、设计一个分压偏置的单管电压放大电路,要求信号源频率5kHz(幅度1mV),负载电阻5.1kΩ,电压增益大于50。
2、调节电路静态工作点(调节电位计),观察电路出现饱和失真和截止失真的输出信号波形,并测试对应的静态工作点值。
3、加入信号源频率5kHz(幅度1mV),调节电路使输出不失真,测试此时的静态工作点值。
测电路的输入电阻、输出电阻和电压增益;
4、测电路的频率响应曲线和fL、fH值。
二、实验要求
1、给出单级放大电路原理图。
2、给出电路饱和失真、截止失真和不失真时的输出信号波形图,并给出三种状态下电路静态工作点值。
3、给出测量输入电阻、输出电阻和电压增益的实验图,给出测试结果并和理论计算值进行比较。
4、给出电路的幅频和相频特性曲线,并给出电路的fL、fH值。
5、分析实验结果。
三、实验原理
如1图所示为单级放大电路的实验连接图
图1
四、三种工作状态的直流参数
(1)饱和失真的波形图如2图
图2
分析饱和失真的原因
在原理图的基础上调节滑动变阻器,减小
的电位差,由于直流负载线不变而,
IB的电流增大,导致静态工作点Q点向前移动而进入饱和区。
图2中的滑动变阻器和正常情况相比,减少了30Kῼ,于是
两端的电压急剧增大导致IB急剧增大,最终使静态工作点进入饱和区。
其静态工作点如图3
图3
(2)截止失真的波形图如4图
图4
分析截止失真的原因
调节电阻R6的电阻值以及输入信号的幅度,增大电阻R6的电阻值导致基极电流Ib减小,最终使得静态工作点下移,当Q点接近截止区时,则电路发生截止失真。
截止失真的静态工作点如图5
图5
(3)正常工作的波形图如6图
图6
正常工作的静态工作点如图7
图7
五、正常工作的交流参数
(1)输入输出电阻的测量电路如图8和图9
输入电阻
Ri1=
=
=2.087KΩ
输出电阻
RO1=
*103=3300.3Ω
图8
图9
理论计算值为
输入电阻
Ri2=R6//R1//(rbb+rbe)=50kΩ//11kΩ//(0.2kΩ+
)=2.169kΩ
RO2=R3=3.3kΩ
输入电阻的误差为
τ=
*100%=3.93%
输出电阻的误差为
*100%=0.009%
由上述计算可知这次试验的结果可靠性很高,理论计算值和实际测量值吻合的很好。
下面给出电路的幅频和相频特性曲线如图10
图10
由幅频的曲线可以看出频率的峰值为98.92dB,故可得fL=812HZ,fH=13.47MHZ.
六、实验结果分析
1、输入电阻的误差来源主要是rbb和rbe的估算以及结电容的忽略造成的。
当三极管的输入信号的频率比较低时,可以忽略结电容的影响,此时导致输入电阻的实际值大于测量值;
而rbb和rb是我们根据经验得到的数值,固然有较大的偏差,而且随着三极管的工作时间的延长,输入电阻也会增加,这些都使得实际的测量值和计算值产生误差。
2、输出电阻的实际测量值略微大于理论计算值,这和真实的情况有些相反,但是二者的数值基本相等,正常情况下,理论计算值应该大于实际测量值,因为RBE的阻值特别大,可以看成断路,所以计算时为了方便已经忽略了RBE对电路产生的影响。
但是之所以会出现这种现象,可能是忽略了电容而造成的,因为输入的信号频率还不是很高的,故其电阻不能忽略,加入电容C3的容抗后
由于RC3=
=1.06Ω
所以输入电阻减小了1欧姆左右,满足实际情况
七、实验感想
(一)、原理图的设计
在原理图的设计过程中,遇到了不少麻烦,首先电阻R6和R3的阻值不能太小,如果很小,会使基极电流较大,从而使三极管的放大倍数较大,于是三极管放大信号的能力减小了,如果输入信号的幅度过大那么很容易就出现是真的现象。
所以要增大R6和R3的阻值。
反馈电阻R5的阻值不宜过大,否则输出的信号幅度会很小,甚至得不到放大的效果
(二)、输入电阻和输出电阻
在测量输入输出电阻时,同样遇到了很多麻烦,首先是忘记输入电阻的计算方法,导致实际的测量值和理论的计算值产生了700%的误差,最终经过修正发现了错误,得到了正确的结果。
测量输出电阻时,务必要将输入信断路,直流短路,如果直流通路不短路那么测量的电流值为负值导致结果偏差巨大。
做实验时只有认真才能很好的完成任务。
实验二、负反馈放大电路的设计与仿真
1、设计一个阻容耦合两级电压放大电路,要求信号源频率10kHz(幅度1mv),负载电阻1kΩ,电压增益大于100。
2、给电路引入电压串联负反馈,并分别测试负反馈接入前后电路放大倍数、输入、输出电阻和频率特性。
改变输入信号幅度,观察负反馈对电路非线性失真的影响。
1、给出两级放大电路的电路原理图。
2、对电压串联负反馈电路,还需给出负反馈接入前后电路的频率特性和fL、fH值,以及输出开始出现失真时的输入信号幅度。
3、对电压串联负反馈电路,给出负反馈接入前后电路的放大倍数、输入和输出电阻,并验证AF1/F(选作)。
4、分析实验结果。
三、实验原理图
图11
如上图11所示,为一个阻容耦合两级电压放大电路。
Q1和Q2分别为两级放大三极管,R11为反馈电阻。
电路的放大倍数约为400倍。
电路引入了电压串联负反馈。
四、有无反馈的工作参数
1、反馈存在时的输入电阻为
Ri1=9kΩ(测量值)
其测量结果电路图如图12所示
图12
反馈消失时的输入电阻为
Ri2=9kΩ(测量值)
其测量结果图如图13所示
图13
2、反馈存在时的输出电阻为
RO1=21Ω(测量值)
其测量结果图如图14所示
图14
反馈消失时的输出电阻为
RO2=3.3KΩ(测量值)
其测量结果图如图15所示
图15
3、反馈存在时的放大倍数为
=6
其测量电路图如图16所示
图16
反馈消失时的放大倍数为
=345.9
其测量结果如下图17
图17
频率特性曲线如下图
图18
五、负反馈对非线性失真的影响
如图18所示为开环时候的电压输出波形,我们很明显的可以看出,该波形已经发生了非线性失真,他的正半周期明显比负半周期“胖“,负半周期明显比正半周期”高“。
如图19所示为电路闭环时的输出波形,我们可以看到和开环电相比,闭环电路的波形已经很稳定了,虽然仍有些失真,但是整体上来说非线性失真减少了不少。
图19
图20
1、在电路中加入负反馈支路时,如果仅仅串入一个电阻,那么输出波形会发生漂移,如图21所示为仅串入电阻时的波形图。
图21
如图22为传入电容后的波形图
图22
由此可见电容对电压的偏移有较大的影响,所以反馈支路一定要加上电容器。
2、负反馈可以减小非线性失真。
因为引入负反馈后,输出端的失真波形反馈到输入端,与输入波形叠加,因此净输入信号成为正半周小,负半周大的波形,此波形放大后,使其输出端正、负半周波形之间的差异减小,从而减小了放大电路输出波形的非线性失真。
但负反馈只能减小放大器自身产生的非线性失真,而对输入信号的非线性失真。
负反馈是无能为力的。
(一)、在做第二个实验时,我遇到的最大的问题就是反馈支路缺少电容而造成的曲线漂移,当我用电压表测量时,电压表显示的示数和未接入电容器时的示数是一样的,因此改了又改,但是还是没有发现问题,直到我的舍友指出了我的错误,我才意识到这一点!
(二)、要引入电压串联负反馈,直接接到第一级放大电路的发射极是不行的,因为这样会使输出端短路,反馈效果消失。
所以为了得到反馈效果,就必须在发射极那里接一个电阻,这样就可以得到稳定的输出波形了。
值得注意的是,那个电阻的组织不宜过大,因为过大的电阻会使第一级的放大倍数减小而得不到所要输出的波形。
实验三阶梯波发生器的设计与仿真
1、设计一个能产生周期性阶梯波的电路。
2、对电路进行分段测试和调节,直至输出合适的阶梯波。
3、改变电路元器件参数,观察输出波形的变化,确定影响阶梯波电压范围和周期的元器件。
1、要求阶梯波周期在20ms左右,输出电压范围10V,阶梯个数5个。
(注意:
电路中均采用模拟、真实器件,不可以选用计数器、555定时器、D/A转换器等数字器件,也不可选用虚拟器件。
)
1、方波发生电路如图23
图23
2、阶梯波发生电路如图24
图24
四、阶梯波电路设计过程
1、方波发生电路
下图25可得运放输出的波形为方波,并可以求得周期T=2R4C1ln(1+2R1/R3)。
可以调整C1和R4的电容或电阻值来改变方波的周期。
方波的周期即为后面阶梯波每一级之间的时间间隔,因此,调整准方波的周期对于整个阶梯波发生器电路来说是非常重要的。
图25
2、微分电路
图26
微分电路由电容C1和电阻R16构成。
由方波发生器产生的方波信号,经过微分电路变为了一个个向上或向下的脉冲波形。
其输出波形如图26所示。
3、限幅电路
图27
限幅电路由一个二极管构成,所利用的就是二极管的单向导电性。
经过限幅电路,我们将上一步微分电路所得的尖脉冲波形的负半周滤掉,得到单边尖脉冲波形。
如果不滤去负半周的尖脉冲信号,我们后面所得到的波形将仍然是一个方波,而无法得到阶梯波。
其输出的波形如图27所示。
4、积分电路
图28
积分电路可将前一步所得到的尖脉冲信号进行积分,得到一级级下降的阶梯信号。
可以说积分电路是阶梯波发生器的核心组成部分。
积分电路的原理公式
可见阶梯波每一级下降的高度与
成反比,由此可以通过调节
的数值来调整阶梯波每一级高度,最终使得每一级的高度为2V左右。
将积分电路接在限幅电路后面,其输出的波形如图28所示。
5、阶梯波
图29
由于要求不断产生阶梯个数为5个的阶梯波,所以需要在积分电路输出端电压下降到某一值时使其发生跳变,这一功能可以用比较器和电子开关来实现。
即当电容器充电达到-9.5V左右时,场效应管得到开启,此时电容器C3放电,使得8节点的电压升高。
场效应管再次截止,重复以上过程便得到了阶梯输出波。
如图29所示为阶梯波发生器的总电路图。
图30
1、电子开关原理如图30所示,图中的橙色的波形为U3端的输出电压,我们可以看到,当节点8的电压下降到-9.5V时,U3端输出低电平。
于是场效应管导通,电容器放电,由于电容器放电导致节点8的电压升高,场效应管引夹断而截止,电容器继续充电,从而使电路周而复始的产生阶梯波。
2、改变电阻R7、R8、R9的阻值可以改变阶梯波的个数,如图31所示将电阻R9的阻值减小一半后,阶梯波的个数减少了一个。
图31
实验的测量电路如下图32
图32
仔细观察会发现在电路的阶梯波少了一个的情况下,电容器的电压并没有升高到5个阶梯时候的电压值。
由此可以得出两点假设:
第一,电容器的两端没有放完电,电压被潜质。
第二,电容器放电完成,U2的反相输入端电压降低到被潜质的电压值。
针对其中的假设二,我们从图31就可以看出来,电压为零的橙色线条为反相输入端电压,其值始终为零,也就是说假设二不成立,但是如何证明假设一的成立呢。
下面我有对电压跳变的短暂过程进行了放大,如图33所示,我们可以很清楚的看到,当反相器的输出电压下降到0V以下时,电容器还没有放电完成,但是由于场效应管已经截止,故电容器无法将全部的电荷全部放完,于是电压被潜质。
图33
实验总结与收获
过了一个暑假回来然后又上了几周的课,我们早已把模电的知识忘得差不多了,第一节课听得晕头转向,不知道老师在讲什么,虽然老师的提示会对我有很大的启发但是还是只听懂了大概,细节根本没怎么听懂,于是乎,下课了赶紧翻开模电书饿补了一顿,感觉差不多了才开始准备做实验,总体来说,我遇到了老师提到的所有的问题,同时自己又发现了其他的问题,着实收获不小。
就当是对模电的复习吧,总不能丢了芝麻捡西瓜。
其实这是我们第一次拉了这么长的战线做实验,居然做起了上学期的实验,这对我们来说绝对是一个很大的考验,但是我坚持住了,虽然我做的比较慢,但我仔细认真地完成了实验的每一个环节,我收获到了别人没有收获到的东西。
其实对自己负责才是对自己最好的回报。
感谢在此次试验中帮助我的老师以及帮助我的同学!
谢谢~
于2011年10月31日星期一
纪俊彬
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