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1、EDA设计（I）实验报告 郭立EDA设计（I）实验报告姓名：郭立学号：0904520126专业：光电信息工程指导教师：黄琳实验时间：9月5号至9月8号实验一：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与测试方法。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5kHz(峰值10mV) ，负载电阻5.1k，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.调节电路静态工作点(调节
2、电位计)，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。三实验内容及步骤：1.设计单级放大电路原理图如下：2.放大电路三种工作状态的分析如下：（1）最大不失真输出 用示波器同时测试电路输入、输出端的电压波形，从0开始调节滑动变阻器，一边调节，一边观察波形，在肉眼看不出失真时，计算输出波形波峰、波谷值的相对误差（要求其相对误差控制在5%以内）。经调试发现当电位器阻值为61%RW时，波形有最大不失真波形输出，且满足反向放大的原
3、理，波形如下：此时分析其波峰、波谷值，可得：（408.581-388.611）/408.581=4.89% 满足误差要求。通过静态分析，得静态工作点数据如下：也即： ICQ=1.24889mA IBQ=8.86921uA UCEQ=7.00444-2.51552=4.48892V UBEQ=3.14616-2.51552=0.63064V（2）饱和失真输出 为了能直观看出失真，将电源换成频率不变，但峰值为10mV的信号源，并将电位器调阻值至0%RW 。失真波形如下：此时静态工作点数据如下：也即： ICQ=1.88089mA IBQ=348.14236uA UCEQ=4.49291-4.4497
4、2=0.04319V UBEQ=5.11148-4.44972=0.66176V（3）截止失真输出 在饱和失真的基础上，将电位器阻值调至100%，得输出波形如下：此时，计算波峰、波谷值误差： （624.836-546.698）/624.836=12.51%5%所以判定为失真测得静态工作点数据如下：也即： ICQ=853.60606uA IBQ=5.55170uA UCEQ=8.58568-1.71827=6.86741V UBEQ=2.33338-1.71827=0.61511V3.三极管特性曲线测试如下：（1）输入特性重新连接电路，使三极管物理量、为直流量。测试输入特性曲线的电路如下：运用直
5、流扫描分析可得三极管一般输入特性曲线如下：将测试电路中的V2 即 固定为正常放大状态的UCEQ=4.48892V，便可得到原电路正常放大状态下的特性曲线及相关数据如下：由公式得， （2）输出特性 同样，重新连接电路，使物理量和为直流量，电路如下：运用直流扫描分析可得三极管一般输出特性曲线如下：将测试电路中的I2 即 固定为正常放大状态的IBQ=8.86921uA，便可得到原电路正常放大状态下的特性曲线及相关数据如下：由公式得，（3）正常放大状态下放大倍数的确定如下：由公式得，4.最大不失真状态下电路基本参数的测定及理论误差分析（1）输入电阻的的测定其测量原理图如下： 其中两万用表的测量数据为
6、用如上所示的电压除以电流即可得输入电阻为运用模电理论知识，通过电路小信号等效模型可知：其理论值为误差为（2）输出电阻的测定其测量原理图如下：其中两万用表的测量数据为： 同样以如上所示的电压除以电流即可得到输出电阻为 运用小信号模型分析可得其理论值为： 则误差为（3）放大倍数的测定 其测量原理图如下：其中两万用表的测量数据为： 两电压相除便可得到放大倍数绝对值为 用小信号模型分析其理论绝对值为： 误差为（4）频率特性仿真对电路的2节点进行交流仿真分析，便可得到电路的幅频和相频特性曲线如下： 同时左右调节滑竿，使纵坐标为最大值80.5619的（如上图），可得相关数据如下： 则上限频率fH=16.8
7、560MHz 下限频率fL=59.9985Hz四实验结果分析及小结：分析以上的实验数据可以发现：电路从饱和失真到不失真再到截止失真的过程中，UCEQ逐渐变大，ICQ逐渐变小，UBEQ基本不变。三极管的输入、输出曲线以及幅频特性曲线也和我们已知的模电知识吻合的很好。通过对电路输入、输出电阻及电压增益的实验值与理论值的比较，发现误差在所难免，但好在它并不是很大，因此我对实验结果还较为满意。这次的实验比较基本，使我对Multisim软件有了清楚的认识，学会并熟练掌握了一些基本的仿真方法。实验中遇到的最大问题就是寻找最大不失真点，一方面，要波峰、波谷误差尽可能小，另一方面，又要求UCEQ尽可能大，在调
8、试过程中发现，这本身是矛盾的，UCEQ越大，波峰、波谷误差就越大，所以不可能同时满足。所以，我在找寻最大不失真点时，尽量使UCEQ大一些，同时将波峰、波谷误差控制在5%左右。实验二：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；4.了解深度负反馈下的电路特性，并验证AF1/F。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1k，电压增益大于100。2.给电路引入电压串联负反馈：（1）
9、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。三实验内容及步骤：1.引入负反馈前后的电路原理图（1）未引入负反馈时的两级放大测试电路如下：（2）引入电压串联负反馈后的测试电路如下：2.引入负反馈前后的输入电阻、输出电阻及电压增益值（1）未引入负反馈时根据实验一的输入、输出电阻及电压增益的测量方法，可得如下实验数据：电压增益 输入电阻 输出电阻 （2）引入电压串联负反馈后同理可得如下数据：电压增益 输入电阻 输出电阻 3.关于深度负反馈下AF1/F的验证补测负反馈电阻两端电压如下： 即UF=706.61uV则 可见，深度负反馈
10、下AF1/F4.引入负反馈前后电路的频率特性及fL、fH值（1）引入负反馈前：电路交流小信号分析图如下相关数据如右所示则上限频率fH=338.9842KHz下限频率fL=456.0934Hz（2）引入电压串联负反馈后：电路交流小信号分析图如下相关数据如右所示则上限频率fH=5.2607MHz 下限频率fL=132.0437Hz5.负反馈对电路非线性失真的影响（1）引入负反馈前当输入信号源峰值为1mV时，波形如下：可以发现此时，波形并未失真但当把信号源峰值改为5mV时，波形如下此时，波形已有明显失真说明，信号源峰值从1mV逐渐变大到5mV的过程中，输出波形开始出现失真2）引入电压串联负反馈后我们
11、先直接将信号源峰值调为5mV，所得波形如下所示：发现并未出现失真；将信号源峰值改为100mV时，得到波形如下发现也没有出现明显的失真当信号源峰值为300mV时波形便出现了严重失真也就是说，接入反馈后，至少在信号源峰值大于100mV时，才有可能出现失真。四实验结果分析及小结：本次实验主要是对引入电压串联负反馈前后一些参数进行比较，从中得出的结论和我们已学知识吻合的很好。由于我引入了深度负反馈，所以很轻松验证了AF1/F。分析对比本次实验的数据结果，可得如下结论：负反馈的引入对电路参数影响很大，它大大降低了电路电压增益（从504.89降到1.959）；并且电路输入电阻明显增大（从增大到），输出电阻
12、明显减小（从减小到）；电路的频带宽度也明显变宽（体现在fH明显变大，fL明显变小）；同时，也大大减小了电路的非线性失真（体现在引起失真的输入信号幅度明显变大）。实验三：阶梯波发生器的设计与仿真一实验目的：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。)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
13、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。三实验内容及步骤：1.设计原理图阶梯波发生器的原理框图如下所示2.电路的分段测试波形及工作原理（1）方波发生器电路原理如下所示：（其中节点5为输出节点）输出的方波波形如下所示（图中可读出方波周期约为4ms）电路工作原理分析：方波发生器实际上是由一个简单的滞回比较器和由、构成的充放电回路所组成的。稳压管、使得输出电压稳定为，它决定了方波的峰值，同时通过、回路的充放电，使得阈值电压和输出电压有规律的变化。举例说明：当输出正电压时，此时阈值电压为+UT，输出电压通过、回路对充电，当节点1电位大于+UT，输出电压跳变为负电压，
14、同时阈值电压跳变为-UT，于是通过回路放电，节点1电位小于-UT时，输出又是正电压，从而进入规律循环。（2）微分电路加上微分电路的电路图如下：电路工作原理分析： 微分电路是由和组成的充放电回路，它将节点5输出的方波波形变为周期不变的一系列尖脉冲，其中，微分回路每次充（放）电的时间为，一般要求t尽可能的小，因为只有当t远小于方波周期的一半，才能使实际波形尽可能接近理想的脉冲波形，以便后面形成较为完美的阶梯波（后面给出具体波形）经微分电路后输出的波形如下：（周期约为4ms）（3）限幅电路电路工作原理分析：在上述电路的基础上加上一个由二极管和电阻组成的限幅电路，该电路的作用是：利用二极管的单向导电性
15、过滤掉节点8输出的尖脉冲波形中的负尖脉冲成分，从而得到单边正尖脉冲波形。（后面给出具体电路和波形）加上限幅电路后的电路图如下：其产生的波形如下：（周期约为4ms）（4）积分电路加上积分电路后的电路如下所示：该电路产生的波形如下所示：电路工作原理分析：积分电路是由一个简单的积分器构成，它对节点9输出的单边尖脉冲信号进行积分，从而得到一级级下降的阶梯信号。积分电路可以说是阶梯波发生器的核心器件。其输出电压公式为：（U11和U9分别为节点11和节点9 的输出电压,U0为初始电压）。（5）比较器及电子开关电路上述电路的基础上，加上一个复杂的比较器和电子开关电路后便可得到最终的阶梯波发生器。电路如下所示
16、：（节点11为输出节点）最终的阶梯波波形如下：（图中可读出：输出电压范围约为10V，周期约为20ms）电路工作原理分析：首先，从比较器开始分析，它位于电路的最右端，由积分电路的输出波形可知，刚开始节点11（即反向输入端）的电位必然大于节点12（即同向输入端）的电位，所以节点14输出为-15V，由电路定理分析计算可知，此时的阈值电压为-10V。也就是说，当积分电路的输出电压低于-10V时，节点14的输出电压就会跳变到15V。接着因为二极管导通，使得场效应管由于UGS=0V而导通（相当于开关闭合）。此时，节点11的电位等于节点10的电位，为0电位（由“虚短”特性可知）。从而，积分电路的输出波形跳回
17、0点，此时同向输入端电压也为0V，但在实际电路中稍稍大于反向输入端（由后文附上的波形及相关数据可以看出），所以节点14的输出跳变到-15V。以后过程重复上述过程，进入循环，从而输出要求的阶梯波。(后文将附上节点11、节点12、节点14的输出电压变化规律及相关数据)另外，二极管其实对最后的波形影响不大，但却有一个重要的作用:同步方波波形和阶梯波波形，使他们的变化规律一致，从而得到严格周期变化的阶梯波。方波和阶梯波的变化规律对比如下图： 现附上节点11、节点12、节点14的输出电压变化规律及相关数据如下：节点12的电压输出波形如下：（图中可以读出比较器阈值电压约为-9.7V或-295mV）节点14
18、的电压输出波形如下：（图中可以读出比较器输出电压约为）节点11的电压输出波形如下：（从图中可以读出节点11电压从-9V跳变到-198mV）四实验结果分析及小结：1.思考题（1）调节电路中那些元器件值可以改变阶梯波的周期？结合上文分析的电路原理并采用控制变量法解答如下：.通过改变电阻、以改变阶梯波电压输出范围（即积分电路的阈值电压），从而改变周期。. 由上面提到的积分器公式可知：通过改变、以改变阶梯波每一级压降，进而改变阶梯个数，从而改变周期。.每一级阶梯的周期是由方波周期决定的，由方波周期公式可知：通过改变、可以改变周期。（2）调节电路中那些元器件值可以改变阶梯波的输出电压范围？ 在上一问题中已做出回答，电压输出范围就是最后一个比较器的阈值电压，由电路定理可知：改变电阻、均能实现。2.个人小结本次实验是一个设计性自主实验。刚开始，看到该实验要求时，可以说是手足无措，感觉很迷茫，不知从何下手。但通过对参考电路的分段波形分析以及所学的模电理论知识，渐渐弄懂了电路每一层次的含义和原理，从而设计出了符合要求的电路。经过这个实验的历练，我不仅提高了自己的实验动手能力，还发现其实科学是一门有趣的艺术，你只有不断地进行尝试、摸索，才能在真理的康庄大道上有所斩获，才能揭开科学神秘的面纱，那种喜悦不言而喻。39