【精品】单级放大电路的设计与仿真

1、南京理工大学eda设计（）实验报告实验一 单级放大电路的设计与仿真一、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(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(调节电位计)，使电路输出信号不失真，并且幅度尽可能大。在此状态下测试： 电路静态工作点值； 三极管的输入、输出特性曲线和b 、 rbe 、rce值； 电路的输入电阻、输出电阻和电压增益； 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、2. 给出电路饱和失真、截止失真和不失真且信号幅度尽可能大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. 给出测试三极管输入、输出特性曲线和b 、 rbe 、rce值的实验图，并给出测试结果。4. 给出正常放大时测量输入电阻、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。5. 给出电路的幅频和相频特性曲线，并给出电路的fl、fh值。6. 分析实验结果。三、实验步骤实验原理图：饱和失真时波形：此时静态工作点为：所以，i（bq）=12.79521ua i(cq)=1180.37 ua u(beq)=0.63248v u(ceq)=0.16031v截止失真时波形：此时静

3、态工作点为：所以，i(bq)=3.44976ua i(cq)=726.9057ua u(beq)=0.61862v u(ceq)=3.95548v不失真时波形：此时静态工作点为：所以，i(bq)=3.83905ua i(cq)=805.274ua u(beq)=0.62145 v u(ceq)=3.34709 v测试三极管输入特性曲线实验图：拉杆数据：由以上数据可得r(be)=dx/dy=6.7k测试三极管输出特性曲线的实验图：三极管输出特性曲线：测的数据：=ic/ib=805.274/3.83905=209.759e=(220-209.759)/220=4.6%测r（ce）的数据：由公式得，

4、r(ce)=45.045/346.8468*106=129.87k不失真时测输入电阻：万用表显示值：所以，ri（测）=6.27k ri（理）=110/100/6.7=5.94k相对误差e=（6.27-5.94）*100% / 6.27=5.26%不失真时测输出电阻：万用表显示值：所以，ro（测）=4.81k ro（理）=r3=4.99 k相对误差e=(4.99-4.81)/4.99=3.6%最大不失真时测电压增益：万用表显示值：所以，av（测）= -84.5 av（理）= -（r1/rl）/ r(be)= -82.90相对误差e=1.9% 幅频和相频特性曲线：拉杆数据：所以，f（l）=100.

5、5107 hz f（h）=14.3575mhz实验结果分析本次实验的关键在于各元件参数的选取，所以在实验参数选取之前根据实验要求进行理论计算，算出所需数值的大概范围，这样就能较快的得到较为准确的实验结果，顺利实验完成实验。实验采用带射极偏置电的共射极放大电路，在两个射极电阻之间为滑动变阻器，这样设计的目的是便于调节电路使之出现饱和失真和截止失真。对电路的频响特性分析可知，放大电路的耦合电容式引起低频响应的主要原因，下限截止频率主要由低频时间常数中较小的一个决定，三极管的结电容和分布电容是引起高频响应的主要原因，上限截止频率主要由高频时间常数中较大的一个决定。实验二 差动放大电路的设计与仿真一、

6、实验目的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用电路分析方法。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。3.熟练掌握有关差动放大电路有关知识，并应用相关知识来分析电路，深刻体会使用差动放大电路的作用，做到理论实际相结合，加深对知识的理解。二、实验要求1设计一个带射极恒流源（由三极管构成）的差动放大电路，要求空载时avd大于20。2.测试电路每个三极管的静态工作点值和、rbe、rce值。3.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的值三、实验步骤1实验所用

7、的电路电路图如下图所示：3.图2.三极管的静态工作点值和、rbe、rce 计算静态工作点由上图可知三极管q1和三极管q2所用的三极管型号一样且互相对称，经过分析可知这两个三极管的静态工作点的值应该全部一样。使用软件分析电路的静态工作点值结果如下图二所示图2经过计算可知1=2=215.8,3=219,vce1=vce2=6.87v,vce3=7.77v，vbe1=vbe2=0.612v, vbe3=0.63v。运行后电路结果如下图3所示： 图3计算后发现avd=655/20=32.75符合空载时avd20要求。.计算各个三极管的rbe值：计算三极管q1的rbe的值所用的电路如下图4所示：图4使用

8、软件分析可得出该三极管的输入特性曲线从而求出rbe具体求法在试验一中已经叙述过这里只给出计算所必需的实验截图和计算结果图5图6经过计算可知rbe1=vbeib|vce=x2-x1y2-y1=8.73k。由对称性可知rbe2=rbe1=8.73k。计算三极管q3的rbe时所用的电路如下图7所示：图7使用软件分析可得出该三极管的输入特性曲线从而求出rbe具体求法在试验一中已经叙述过这里只给出计算所必需的实验截图和计算结果图8图9经过计算可知rbe3=vbeib|vce=x2-x1y2-y1=4.73 k.计算各个三极管的rce值:计算三极管q1的rce的值所用的电路如下图10所示：图10使用软件分

9、析可得出该三极管的输入特性曲线从而求出rce具体求法在试验一中已经叙述过这里只给出计算所必需的实验截图和计算结果。图11图12 经过计算可知rce1=vceic|ib=x1-x2y1-y2= =188k。由对称性可知rce2=rce1=188k。计算三极管q3的rce时所用的电路如下图13所示：图13使用软件分析可得出该三极管的输入特性曲线从而求出rce具体求法在试验一中已经叙述过这里只给出计算所必需的实验截图和计算结果。图14图15经过计算可知rce3=vceic|ib=x1-x2y1-y2=95k3.计算双端输入直流小信号空载时avd、avd1、avc、avc1计算电路空载时的avd所用的

10、电路图如下图16和图17所示，在计算时先测出双端输入直流差模小信号时电路双端输出的电压值然后减去在双端同时接地时电路双端输出的电压值图16图17avd=vovid=vo1-vo2vi1-vi2=655/20=-32.75，理论分析可知avd=-rcrbe+121+r1带入相应数据后可得理论值avd理=-rcrbe+121+r1=-34.4。误差e=4.7%计算电路空载时的avd1所用的电路图如下图18和图19所示, 在计算时先测出双端输入直流差模小信号时电路单端输出的电压值然后减去在双端同时接地时电路单端输出的电压值图18图19avd1=(5.871-6.201)/0.02=-16.5,理论分

11、析可知avd1理=-12rcrbe+121+r1,带入相应的数据可得avd1理=-17.2，误差为e=4%。计算电路空载时的avc所用的电路图如下图20和图21所示, 在计算时先测出双端输入直流共模小信号时电路双端输出的电压值然后减去在双端同时接地时电路双端输出的电压值，由于输入全为直流信号而且用电压表测量小数据时的误差较大，改用静态工作点分析来测量输出的电压值，分析的结果分别对应于图。图20图21 avc=vovic=（50-47n）/10m=3e-7，理论分析可知avc理=0。计算电路空载时的avc1所用的电路图如下图24和图25所示, 在计算时先测出双端输入直流共模小信号时电路单端输出的

12、电压值然后减去在双端同时接地时电路单端输出的电压值，由于输入全为直流信号而且用电压表测量小数据时的误差较大，改用静态工作点分析来测量输出的电压值，分析的结果分别对应于图26和图27。图24图25 图26 图27 avc1=vovic(6.26322-6.26321)/10=1e-3，理论分析可知avc1理=-rc2r0，式中r0为电流源的交流阻抗，其大小r0=rce3(1+3re3rbe3+r5|r6+re3)=95(1+219*3/(4.73+62/13+3)=3441k，avc1理=-10/(2*3441)=-1.4e-3,相对误差e=(1.4-1)100%=28.6%。实验小结 差动放大

13、电路提高电路抑制零漂的能力，在普通的放大电路会由于某些外界因素的变化比如温度的变化，会使输出的电压发生微小的变化，若是在多级放大电路中，这种微小的变化会被逐级放大，以至于在输出端会出现很大的噪声信号，使输出端的信噪比严重下降。若采用差放电路无论是温度的变化还是其他因素变化都会引起两个三极管集电极电流及对应集电极电压相同的变化，其效果相当于在两个输入端加入了共模信号，由于电路的对称性和恒流源偏置，可以很好的抑制零漂，所以差放电路适合做多级直接耦合放大电路的输出端，同时也可以提高电路的输入电阻。实验三 负反馈放大电路一、实验目的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

14、和掌握常用电路分析方法。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。3.熟练掌握有关负反馈放大电路有关知识，并应用相关知识来分析电路，深刻体会使用负反馈在放大电路中的作用，做到理论实际相结合，加深对知识的理解。二、实验要求设计一个阻容耦合的二级电业放大电路，要求信号源频率10khz（峰值1mv），负载电阻1k，电压增益大于100。给电路引入电压串联负反馈：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。 改变输入信号的幅度，观察负反馈对电路非线性失真的影响。三、实验步骤实验所用电路原理图下图1所示，当开关合上后电路引入负反馈图11负反

15、馈接入前电路的放大倍数、输入电阻、输出电阻：求电路的放大倍数所用的电路和图1一样示波器输出的波形如下图2所示：图2经过计算可知放大倍数av=v0/vi=243.38/0.707=344；符合未接入负反馈是电压增益大于100的要求。求输入电阻所用的电路如下图3所示：图3经过计算可知ri=vi/ii=0.707/0.156=4.53k求输出电阻所用的电路如下图4所示：图4经过计算可知ro=vo/vi=706.56/0.199=3.55k2负反馈接入后电路的放大倍数、输入电阻、输出电阻：求电路的放大倍数所用的电路和图1一样示波器输出的波形如下图5所示：图5计算可知af=vovi=60/1=60。求输

16、入电阻所用的电路的原路图如下图6所示：图6经过计算可知rif=vo/ii=0.707/0.11=6.4k。求输入电阻所用的电路的原路图如下图7所示：图7经过计算可知rof=vo/io=0.715/4.589=0.156k求f所用的电路图如下图8所示：图8经过计算可知f= vf/vo=u1/u2=0.587/42=0.0134。对比可发现1f=7160=avf。3负反馈接入前电路的频率特性和fl、fh，以及输出开始失真时输入信号幅度。求电路的频率响应特性曲线所用的电路图为图1所示的电路图，使用软件对其进行交流分析可得出下面几幅图即图9、图10、图11、图12：图9图10 图11 图12其中图11

17、对应于图9的交流分析的结果，图12对应于图10交流分析的结果，由上面4幅图可知在位接入负反馈之前电路可能的最大增益av=51.33db，这时可以通过拖拽游标标出fl=754.57hz,fh=1.2335mhz,从而求出带宽bw=（1.235m-754.57）hz=1.2335mhz。逐渐调大输入信号的有效值，当峰值增大到2.5mv时，输出信号出现明显的失真，失真的波形如下图13所示：图133负反馈接入后电路的频率特性和fl、fh，以及输出开始失真时输入信号幅度。求电路的频率响应特性曲线所用的电路图如下图14所示：图14使用软件对图14所示的电路图进行交流分析可得出下面几幅图，即图15图16图1

18、7图18所示图15 图16 图17 图18其中图17对应于图15的结果，图18对应于图16的结果由上面4幅图可知在位接入负反馈之前电路可能的最大增益av=39.88db，这时可以通过拖拽游标标出fl=1.3107khz,fh=3.933mhz,从而求出带宽bw=（3.933m-1.3107k）hz=3.9317mhz。逐渐调大输入信号的有效值当输入信号的峰值达到15mv时，电路的输出出现明显的失真，失真的波形如下图19所示。注意这时最大不失真幅度增大不是因为电路的放大倍数减小而是因为引入负反馈之后电路的性能的改善。图19 4.分析实验结果放大电路引入电压串联负反馈稳定放大电路的放大倍数，当引入

19、的负反馈很深时，即|1+af|1时，这时avf1f，这时电路的放大倍数基本取决于反馈网络而与基本的放大倍数，从而使电路的放大倍数稳定。同时改变输入电阻和输出电阻，对于输入电阻，串联反馈增大输入电阻，对于输出电阻，电压反馈减小输出电阻。引入负反馈后电路的上限频率fhf=fh(1+amf)，式中fhf为负反馈引入电路的上限频率，am为反馈引入之前的中频电压增益，由此可看出电路的上限频率变大，增加的程度与负反馈的深度有关，同理可知flf=fl1+amf，电路的下限频率变低，电路的带宽增大，展宽了频带。实验四 阶梯波发生器电路的设计一、实验目的1. 熟悉multisim软件的使用，包括电路图编辑、虚拟

20、仪器仪表的使用方法掌握常用电路分析方法。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。3. 熟练掌握有关阶梯波电路设计的方法，并应用相关知识来分析电路，掌握组成阶梯波电路的各个部分的电路的在阶梯波电路中的作用，深刻体会阶梯波的调节方法，做到理论和实践相结合，加深对知识的理解。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

21、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实验所用的总电路图如下图1所示：图1电路输出的波形如下图2和图3所示：图2 图3由上面两幅图可以看出阶梯波的周期为t=23.899ms，阶梯个数为5个，输出电压为10.024v符合实验要求。本实验所用的电路由方波发生电路、微分电路、限幅电路、积分累加器、比较器、电子开关电路、振荡控制电路和电源等八部分电路组成，各个部分的关系可由下框图所示：振荡控制电路比较器积分累加电路 输出限幅电路微分电路方波发生器电子开关电路电源2.电路工作原理方波发生器电路方波发生器电路如下图4所示：图4实验所用方

22、波发生电路产生的方波的周期为t=2rf1cln(1+2r2r3)，带入相应的数据可知t=218.7k100nfln(1+213.3k16k)=3.76ms。其输出的方波波形如下图5和图6所示：图5 图6调节电阻rf1，电容c的大小，和r3r2的值就可以改变方波的周期，从而影响到最终阶梯波的周期。微分电路微分电路所用的电路图如下图7所示：图7其输出的波形如下图8所示： 图8在输出电压为负时，由于二极管在反向时导通电流很小，所以导致微分电路的输出负值反值部分很小，基本上没有微分效果。限幅电路限幅电路所用的电路图如下图9所示：图9限幅电路的输出波形如下图10所示：图10由于二极管的单向导通性所以微分

23、电路输出的负值被削去，从何出现图10所示的尖脉冲波。 分累加器积分累加电路所用的电路图如下图11所示 图11积分累加电路的输出波形如下图12所示图12由图中可以看出电路输出的阶梯的差值为v=2.096v，满足电路输出五个阶梯波时电路的输出电压为10v左右的要求。比较电路、电子开关电路和震荡控制电路比较电路、电子开关电路和震荡控制电路所用的电路图如图13所示： 图13 经过比较电路和电子开关电路以后比较电路输出的结果和微分电路输出的结果如图14所示，其中蓝色为微分电路输出的结果，红的部分为比较电路输出的结果。图14由图14可以看出当比较电路的输出值高电平时电子开关开关开启，积分电路的电容通过电子开关放电，积分电路从新开始积分，从而使阶梯波电路发生跳变，开始新的周期。当比较器的输出端输出高电平时，震荡控制电路工作，方波停振，使积分电路清零，当比较器输出低电平时电路正常工作。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。由方波