EDA设计I.docx

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EDA设计I

摘要

通过实验学习和训练，掌握基于计算机和信息技术的电路系统设计和仿真方法。

要求：

1.熟悉Multisim软件的使用，包括电路图编辑、虚拟仪器仪表的使用和掌握常见电路分析方法。

2.能够运用Multisim软件对模拟电路进行设计和性能分析，掌握EDA设计的基本方法和步骤。

常用分析方法：

直流工作点分析、直流扫描分析、交流分析。

复习巩固单级放大电路的工作原理，掌握静态工作点的选择对电路的影响；进一步深化对差动放大电路的人；了解负反馈对两级放大电路的影响；握阶梯波的产生原理及产生过程。

关键词电路仿真Multisim负反馈阶梯波

Abstract

Throughexperientiallearningandtrainingtoacquirecomputer-basedsystemsandinformationtechnology,circuitdesignandsimulationmethods.Requirements:

1.FamiliarMultisimsoftwareuse,includingschematiceditor,virtualinstrumentsandmasteringtheuseofcommoncircuitanalysismethods.

（2）theabilitytouseMultisimsoftwareforanalogcircuitdesignandperformanceanalysis,masterEDAdesignofthebasicmethodsandprocedures.Commonlyusedanalysismethods:

DCoperatingpointanalysis,DCsweepanalysis,ACanalysis.Reviewandconsolidatethesingle-stageamplifiercircuitworks,thechoiceofthequiescentoperatingpointtograsptheimpactoncircuit;furtherdeepeningofthedifferentialamplifiercircuitofpeople;understandthenegativefeedbackamplifiercircuitfortwoeffects;gripladderwavegenerationprincipleandgenerationprocess.

KeywordsCircuitSimulationMultisimNegativefeedbackStaircase

实验一单级放大电路的设计与仿真4

一、实验目的4

二、实验要求4

三、实验步骤4

四、实验小结15

实验二差动放大电路的设计与仿真17

一、实验目的17

二、实验要求17

三、实验步骤17

四、实验小结22

实验三负反馈放大电路的设计与仿真24

一、实验目的24

二、实验要求24

三、实验步骤24

四、实验小结34

实验四阶梯波发生器电路的设计35

一、实验目的35

二、实验要求35

三、实验步骤35

四、实验小结47

结论49

参考文献………………………………………………………….50

实验一单级放大电路的设计与仿真

一、实验目的

1.掌握放大电路静态工作点的调整和测试方法

2.掌握放大电路的动态参数的测试方法

3.观察静态工作点的选择对输出波形及电压放大倍数的影响

二、实验要求

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10kHz（峰值1mV），负载电阻

20kΩ，电压增益大于100。

2.调节电路静态工作点（调节偏置电阻），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.调节电路静态工作点（调节偏置电阻），使电路输出信号不失真，并且幅度最大。

在此状态

下测试：

①电路静态工作点值；

②三极管的输入、输出特性曲线和b、rbe、rce值；

③电路的输入电阻、输出电阻和电压增益；

④电路的频率响应曲线和fL、fH值。

三、实验步骤

1.实验原理图

如图1.1所示即为单级放大电路原理图，电阻R1、R2和滑动变阻器R6组成分压

偏置器，调节滑动变阻器R6的阻值就可以改变三极管的静态工作点。

图1.1单级放大电路原理图

2.电路的饱和失真和截止失真分析

（1）饱和失真

当滑动变阻器调到0%时，出现饱和失真。

图1.2所示的是电路出现饱和失真时的

波形。

图1.3是所对应的静态工作点值，结合图1.1可以计算出静态工作点的各个参数：

Ube=0.624V

Uce=U6-U3=0.049V

Ib=86.83uA

Ic=564.96uA

失真原因：

静态工作点Q在饱和区而出现了饱和失真。

图1.2饱和失真波形

图1.3饱和失真时的静态工作点值

（2）截止失真

当滑动变阻器调到100%时，出现截止失真。

如图1.4所示的是电路出现截止失真

时的输出波形。

虽然从波形上并未看出明显的失真，但是注意到Vce接近于Vcc，且

Vo《Vi,亦可以说明此时电路出现了截止失真。

图1.5所示的是电路处在截止失真状态下的静态工作点的值。

结合图1.1中的电

路，可以计算出：

Ube=0.456V

Uce=U6-U3=11.91V

Ib=54.15nA

Ic=4.29uA

失真原因：

静态工作点Q在截止区而出现了截止失真。

图1.4截止失真波形

图1.5截止失真时的静态工作点值

3.电路工作下最大不失真状态下的分析

（1）最大不失真波形及其静态工作点

调节滑动变阻器，并不断观察输出端示波器上的波形，在滑动变阻器R6划片位

于20%的位置时可以得到最大不失真波形，如图1.6所示，观察到其幅值约为175mV。

图1.7所示的即为所对应的静态工作点，计算得：

Ube=0.614V

Uce=U6-U3=0.858V

Ib=5.50uA

Ic=530.32uA

图1.6最大不失真时的输出波形

图1.7出现最大不失真波形时的静态工作点

（2）输入特性曲线及rbe的测量

在绘制三极管输入特性曲线，会用到Multisim的直流扫描分析，软件要求物理

量Ube、Uce为直流源，故需要重新连接电路。

将处于最大不失真工作状态的三极管

复制出来，按照其直流工作点赋予其Ube、Uce为等效直流源电压值。

最终电路如图

1.8所示。

图1.8绘制三极管输入特性曲线的实验线路图

将V1，V2均作为分析参数进行直流扫描，即可获得三极管在Uce为不同取值时的输入特性曲线，如图1.9所示。

图1.9三极管的输入特性曲线

再次利用直流扫描分析，画出三极管在最大不失真状态，即Uce=0.858V时的输

入特性曲线（如图1.10所示）。

计算得：

rbe=dx/dy=10.95m/5.44u=2012.9ohm

图1.10计算rbe时所绘制的输入特性曲线

（3）输出特性曲线及rce的测量

与绘制输入特性曲线一样，绘制输出特性曲线时亦需要重新连接电路。

此时的两个直流源代表的物理量为ib和Uce。

重新连接的电路图如下图1.11所示。

图1.11绘制三极管输出特性曲线的实验线路图

将I1、V1均作为分析参数进行直流扫描，即可获得三极管在为不同取值时的输入特性曲线，如图1.12所示。

图1.12三极管的输出特性曲线

再次利用直流扫描分析，画出三极管在最大不失真状态，即Ib=5.50uA时的输出特性曲线（如图1.13所示）。

计算得：

电流放大倍数B=Ic/Ib=530.32u/5.49u=96.60

rce=dx/dy=94.44m/4.92u=19195ohm

图1.13计算rce时所绘制的输出特性曲线

（4）电压放大倍数的测定

图1.14所示的是电压放大倍数的测量电路。

由数据计算得A=121.43

图1.14电压放大倍数测量电路

（5）输入电阻的测定

图1.15所示的是输入电阻测量电路。

由数据计算得：

Ri=3072.6ohm

图1.15输入电阻测量电路

（6）输出电阻的测定

测量输出电阻时，需要将原输入信号置零，将原负载替换成一个交流电压源。

测量其输入输出端的电压与电流，测量电路如图1.16所示。

由数据计算得：

Ro=9806.7ohm

图1.16输出电阻的测量电路

（7）电路的幅频和相频特性图

利用Multisim软件中的交流仿真分析，可以轻松的得到电路的幅频和相频特性曲线，如下图1.17所示。

从特性图上可以看出A的最大值，即maxy为34.73。

由通频带定义，将标尺置

于幅频特性曲线两侧A=1.414Amax/2=24.56处，即得到上下限频率。

由此可得，

下限频率fl=30.26HZ

上限频率fh=22344HZ

通频带为22314Hz

图1.17幅频特性仿真

4.误差分析

对照上面实验原理图1.1，画出交流通路，进行理论分析，可得

放大倍数A=479.90

输入电阻Ri=1600ohm

输出电阻Ro=R3//rce=9794ohm

误差E=（9806.7-9794）/9794=0.13%

对比可见，实验有一定误差，且某些数值误差较大。

四、实验小结

实验结论：

1.合理调节静态工作点是实验成功的关键。

静态工作点决定了BJT管的工作区，决定电路的具体作用，所以静态工作点的选取在本次实验中极为重要。

2.电路放大倍数的选择也至关重要。

放大倍数要大于50，要合理调节才能满足是要要求。

3.实验得到的数据虽然都在误差允许范围内，但与理论值有着明显的差距，需要进一步改进和完善。

个人体会：

通过这次实验，我复习巩固了射级放大器的工作原理，熟悉了Multisim仿真软件的大致用法，掌握了三种电路分析方法，分别是直流工作点分析、直流扫描分析、交流分析。

可以运用Multisim软件对模拟电路进行设计和性能分析，掌握了EDA设计的基本方法和步骤。

不过实验结果不是很理想，数据的误差较大，希望在以后的实验中能有所改进。

整个实验做出来发现误差很大，我分析原因是因为我在调试电路时不很精确导致，比如要求饱和失真时我不够严谨，认为有一点失真也算达到实验目的了，结果测量值偏离理论值很多。

第一次实验给我一个教训，做实验千万要认真对待，抱着侥幸心理，往往给实验带来很大误差。

影响实验数据，从而远离了追求真理的道路。

同时我对Muitisim软件也不是特别熟悉，所以这个实验可以说是我在摸索中前行，不过上面的所有结果毕竟都是自己做出来的，这位我后面的三个实验打下了坚实的基础。

实验二差动放大电路的设计与仿真

一、实验目的

1.掌握两种差动放大电路（长尾差动放大电路和带有恒流源的差动放大电路）的静态工作点的调试方法

2.掌握两种差动放大电路的差模电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的测试方法。

了解差模电压放大倍数的频率特性，观察交流参数的特点；注意比较两种差动放大电路差模输入时的各自特点

3.掌握两种差动放大电路的共模电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的测试方法。

了解共模电压放大倍数的频率特性，观察交流参数的特点；注意比较两种差动放大电路共模输入时的各自特点

二、实验要求

1.设计一个带恒流源的差动放大电路，要求空载时的AVD大于20。

2.给电路输入直流小信号，在信号双端输入状态下分别测试电路的AVD、AVD1、AVC、

AVC1值。

三、实验步骤

1.实验原理图

差分放大电路由左右两个对称的三极管放大电路组成，图2.1所示即为双端差模

输入双端输出的电路。

图2.1差动放大电路原理图

实验要求电路空载时的Avd要大于20。

故在实验前需要测量空载时差模输入双端

输出的电压增益。

由数据计算得：

Avd=444.88/20=22.244>20，符合要求，可以继续

进行下面的实验。

2.差模输入双端输出的电压增益

测量电路如下图2.2所示，由数据计算得Avd=334.35/20=16.72

图2.2差模输入双端输出电压增益的测量电路

3.差模输入单端输出的电压增益

测试单端输出的电压增益时，先将两端电压源置零，然后对2节点进行直流分析，

分析静态工作点值，如下图2.3。

图2.3差模输入单端输出电压增益的测量电路（3节点静态工作点）

接着恢复原电路图，对2节点的电压进行测量。

如图2.4

图2.4差模输入单端输出电压增益的测量电路（测量值）

计算得：

Avd1=（11220-11052）/20=8.4

4.共模输入双端输出的电压增益

测量电路如下图2.5所示，由数据计算得Avc=0

图2.5共模输入双端输出电压增益的测量电路

5.共模输入单端输出的电压增益

测量方法和差模输入方法一致，见图2.6和2.7。

对3节点静态工作点分析:

图2.6共模输入单端输出电压增益的测量电路（3节点静态分析）

图2.7共模输入单端输出电压增益的测量电路（测量值）

计算得：

Avc1=（11999.04-11999）/10=0.004

6.实验结果分析

本次实验是进行差动放大电路的设计与仿真，实验结果与理论值计算应当还存在

一定误差，有待进一步改进与完善。

四、实验小结

通过这次实验，我更加熟悉了对Multisim的使用，深入了解了对带恒流源的差动放大电路的认识，并自己进行恒流源电路的设计与仿真。

本次试验中，问题最大的就是差模和共模的单端输出电压增益的测量方法，一开始我将电路两端对称的电压源置零，测量负载两端电压值，然后再将电压源连接至电路中，再次测量负载两端电压值，然后将两值相减。

但是往往这两种方法得到的电压值基本相同，相减后数值为零。

为了得到更加精确的数据，我对三极管c端节点进行了静态工作点分析，这样得到的数值就会更加精确。

本次试验我知道了，当实验中出现问题的时候，不妨换一种思维方式，以获得更加精确稳妥的数据。

实验三负反馈放大电路的设计与仿真

一、实验目的

1.掌握多级阻容耦合放大电路静态工作点的调试

2.掌握各种反馈（电压、电流、串联、并联）的区别与接入方法

3.了解反馈对电路电压增益、输入输出电阻以及非线性失真的影响

二、实验要求

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（峰值1mv），负载

电阻20kΩ，电压增益大于100。

2.给电路引入电压串联负反馈：

①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。

②改变输入信号幅度，观察负反馈对电路非线性失真的影响。

三、实验步骤

1.实验原理图

如图3.1所示即为实验原理图，放大电路有两个阻容耦合的共射放大电路构成，

因此具有较大的放大倍数。

反馈接在输出端与第一个三极管的发射级之间，因此为电

压串联负反馈。

开关的闭合即决定引入反馈与否。

图3.1实验原理电路图

2.负反馈接入前

（1）电路放大倍数

图3.2所示为负反馈接入前电压增益的测量电路。

由测量结果计算得：

Af=192.48/1=192.48

图3.2开环电压增益测量电路

（2）输入电阻的测量

下图3.3为负反馈接入前输入电阻测量电路。

由测量数据计算得：

Ri=1m/157n=6369ohm

图3.3开环输入电阻的测量电路

（3）输出电阻的测量

如图3.4所示为负反馈接入前，电路输出电阻的测量电路。

由测量结果计算得：

Ro=1/351.6u=2844ohm

图3.4开环输出电阻的测量电路

（4）频率特性曲线

如图3.5所示为负反馈接入前，电路的频率特性曲线。

由交流分析得到的图形，可以得到最大y1=45.69；除以根号2，得到32.31。

找到左右两边y为32.31处的频率。

可得：

FL=70.77HZFH=878.82KHZ

图3.5负反馈接入前电路的频率特性曲线

3.负反馈接入后

（1）电路放大倍数

图3.6所示即为接入负反馈后电压放大倍数的测量电路。

由测量数据可以计算：

Af=10.34/1=10.34

注意到，反馈电阻Rf=10kohm，故反馈系数F=Re1/（Rf+Re1）=1/（1+10）=1/11

且通过验证Vi与Vf相近，电路达到深度负反馈。

由此基本可以验证，在深度负反馈的条件下，电压放大倍数Af=1/F

图3.6闭环电压增益测量电路

（2）输入电阻的测量

下图3.7所示为负反馈介入后输入电阻的测量电路。

由测量结果计算得：

Ri=1m/149.1n=6707ohm

图3.7闭环输入电阻测量电路

（3）输出电阻的测量

如下图3.8所示为负反馈接入后，输出电阻的测量电路。

由测量数据可以计算得：

Ro=1/3.487m=286.8ohm

图3.8闭环输出电阻测量电路

（4）频率特性曲线

如图3.9所示为负反馈接入后，电路的频率特性曲线。

由交流分析得到的图形，可以得到最大y1=20.29；除以根号2，得到14.35。

找到左右两边y为14.35处的频率。

可得：

FL=21.67HZFH=6.97MHZ

图3.9负反馈接入后电路的频率特性曲线

4.负反馈对电路非线性失真的影响

（1）负反馈接入前

如下图3.10所示为未接入负反馈时，输入信号为1mV时的输出波形。

从波形上可

以看出，放大电路起到的放大的作用，且波形未出现失真。

图3.10开环时输入信号为1mV时的输出波形

下图3.11为未接入负反馈时，输入信号为50mV时的输出波形。

从波形上可以看出，输出波形的正负半周都出现了明显失真。

图3.11开环时输入信号为50mV时的输出波形

结合图3.10和3.11可知，在输入信号为1mV与50mV之间某一值时，输出波

形出现了失真。

经过不断的模拟仿真与调试，在输入信号为20mV时，输出波形开始

出现非线性失真，如下图3.12所示。

观察此时的波形，可以发现正半周的顶部明显

出现了失真，且正负半周不对称的现象。

图3.12开环时输入信号为20mV时的输出波形

（2）负反馈接入后

当接入负反馈后，电路的非线性失真减小。

当输入信号为50mV时，电路仍能够

起到正常的放大作用，输出波形图如下图所示。

3.13闭环时输入信号为50mV时的输出波形

经过不断的模拟、仿真与调试，发现在接入负反馈后，当输入信号为275mV时，

电路的输出波形出现了失真，观察波形，可以看出输出波形正半周的顶部明显出现失

真，且正负半周不对称的现象，如下图3.14所示。

3.14闭环时输入信号为275mV时的输出波形

5.实验分析：

（1）由实验得到的数据可以看出，对阻容耦合两级电压放大电路，接入串联负反馈

后，可以增大输入电阻，减小输出电阻。

（2）从实验得到的两组频率特性，可以看出接入串联负反馈之后，放大电路的通频

带得到了扩展。

（3）在接入负反馈使得通频带扩展的同时，放大电路的电压增益减小了。

因为电压

增益与通频带的乘积为一常数，保证了增益与通频带的反比关系，使得放大电路在获

得较大通频带的时候缩小了增益，在获得较大增益的时候缩窄了通频带。

（4）可以看到，电路在接入串联负反馈之后，减少了非线性失真，即电路比原来变

得更加稳定了。

四、实验小结

本实验中引入的反馈为电压串联负反馈，从对比中很容易发现电压串联负反馈对

电路的影响，以及所起到的作用。

首先，负反馈可以稳定电压放大倍数。

未引入电压串联负反馈时，电路的放大倍

数不稳定，是由电路中的基极电阻、集电极电阻以及三极管各参数等多方面因素所决

定的。

在引入深度负反馈后，电压放大倍数，在不改变反馈回路的情况下，电压放

大倍数基本保持稳定。

其次，电压串联负反馈可以改变电路的输入和输出电阻。

将负反馈接入前后的测

量数据易知，电压串联负反馈可以增大输入电阻，提高电路的最大不失真电压；减小

输出电阻，提供更大的输出电流。

总的来说，我从这次的实验中提升了概括能力，由表及里，抓住现象看本质，我

想这才是我们做实验最终的目的，它帮助我较好的完成了此次实验。

实验四阶梯波发生器电路的设计

一、实验目的

1.掌握阶梯波发生器电路的结构特点

2.掌握阶梯波发生器电路的工作原理

3.学习复杂的集成运算放大电路的设计

二、实验要求

1.设计一个能产生周期性阶梯波的电路，要求阶梯波周期在40ms左右，输出电压范

围10V，阶梯个数4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。

）

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。

三、实验步骤

1.实验原理框图

图4.1阶梯波发生器原理框图

为了设计一个负阶梯波发生器，首先考虑由一个方波电路产生方波，其次，经过微分电路输出得到上、下都有的尖脉冲，然后经过限幅电路，只留下所需的正脉冲，再通过积分电路后，因脉冲作用时间很短，积分器输出就是一个负阶梯。

对应一个尖脉冲就是一个阶梯，在没有尖脉冲时，积分器的输出不变，在下一个尖脉冲到来时，积分器在原来的基础上进行积分，因此，积分器就起到了积分和累加的作用。

当积分累加到比较器的比较电压，比较器翻转，比较器输出正值电压，使振荡控制电路起作用，方波停振。

同时，这正值电压使电子开关导通，使积分电容放电，积分器输出对地短路，恢复到起始状态，完成一次阶梯波输出。

积分器输出由负值向零跳变的过程，又使比较器发生翻转，比较器输出变为负值，这样振荡控制电路不起作用，方波输出，同时使电子开关截止，积分器进行积分累加，如此循环往复，就形成了一系列阶梯波，如上图4.1所示，即为阶梯波发生器原理框图。

2.方波发生器

下图4.2所示电路为方波发生器，首先使用一个运放构成滞回比较器，其上下门限电压为

。

再由

和

发生多谐震荡信号，由滞回比较器的特性曲线（图4.3）可得运放输出的波形为方波，并可以求得周期

。

可以调整

和

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。

我选择不断调整R1的值，当R1=28kohm时，调整周期约为8ms。

图4.2方波发生器电路图

下图4.4所示为方波发生器的输出波形。

A通道输入的为方波信号，B通道输入的为多谐震荡信号。

从图中可以读出方波的周期为8.049ms，与要求的8ms是非常接近的，可以认为符合要求。

图4.4方波发生器的输出波形

3.微分电路

微分电路由电容C2和电阻R5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。

将微分电路接在方波发生器后得到了如图4.5的电路图。

其输出波形如图4.6所示。

可以看出周期还是约为8ms。

图4.5方波发生器+微分电路原理图

图4.6微分电路的输出波形

4.限幅电路

限幅电路由一个二极管构成，所利用的就是二极管的