课程设计音频功率放大器

1、武汉理工大学电路caa课程设计课程设计说明书目 录摘要 1概述 12 pspice软件简介 22.1 pspice 程序简介 2 2.2 pspice 功能简介 33 电路图设计 53.1基尔霍夫定理简介 53.2节点电压、支路电流电路 73.2.1设计原理图 83.2.2参数说明 83.2.3原理图分析 84 仿真曲线104.1支路电流仿真曲线 104.2节点电压仿真曲线 115 曲线分析 11 5.1支路电流仿真曲线分析 11 5.2节点电压仿真曲线分析 126实验分析总结 127 课程设计心得 13 参考文献 14 致谢 15摘 要在电路中任意选择某一节点为参考节点，其他节点为独立节点，

2、这些节点与参考节点之间的电压成为节点电压，节点电压的参考极性是以参考节点为负，其余独立节点为正。由于任一支路都连接在两个节点上，根据kvl，不难断定支路电压就是两个节点电压之差。如果每一个支路电流都可由支路电压来表示，那么它也一定也可以用节点电压来表示。最后由这些方程解出节点电压，从而求出所需的电压、电流。这就是节点电压法。 对一个具有b条支路和n个节点的电路，当以支路电压和支路电流为电路变量列方程时，总共有2b个未知量。为了减少求解的方程数，可以利用元件的vcr将各之路电压以支路电流表示，然后代入kvl方程，就得到以b个支路电流为未知量的b个kvl和kcl方程。这种方法称为支路电流法。关键字

3、：节点；电压；回路方程；变量1 概 述 本次课程设计主要目的是验证了节点电压法和支路电流法，其中一并运用了基尔霍夫定理列写kcl和kvl方程。并运用pspice仿真软件运行所仿真的电路原理图，观察并研究其各节电电压和支路电流之间的关系。运用节点电压法求解电路的主要步骤是（1） 选择参考节点，设定参考方向。（2）在具有n个节点的电路中写出其中（n-1）个独立节点的kcl方程。（3）求节点电压u。运用支路电流法求解电路的主要步骤是（1）任意标定各支路电流的参考方向和网孔绕行方向。（2）用基尔霍夫电流定律列出节点电流方程。（3）用基尔霍夫电压定律列出l=b-（n-1）个网孔方程。说明：l指的是网孔数

4、，b指是支路数，n指的是节点数。（4）代入已知数据求解方程组，确定各支路电流及方向。pspice仿真软件的主要运行步骤是（1） 画出设计好的电路原理图（2） 确定电路元件名称及参数，标出节点。（3）选择扫描参数及各项电路指标（4）绘出仿真电流电压曲线。最后对曲线进行分析，验证结论是否与理论值相符，存在的问题及对问题的解答。2 pspice软件简介用于模拟电路仿真的spice（simulation program with integrated circuit emphasis）软件于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用fortr an语言开发而成，主要用于大规模集成电路的

5、计算机辅助设计。spice的正式版spice 2g在1975年正式推出，但是该程序的运行环境至少为小型机。1985年，加州大学伯克利分校用c语言对spice软件进行了改写， 并由microsim公司推出。1988年spice被定为美国国家工业标准。与此同时，各种以spice为核心的商用模拟电路仿真软件，在spice的基础上做了大量实用化工作，从而使spice成为最为流行的电子电路仿真软件。pspice采用自由格式语言的5.0版本自80年代以来在我国得到广泛应用，并且从6.0版本开始引入图形界面。1998年著名的eda商业软件开发商orcad公司与microsim公司正 式合并，自此micros

6、im公司的pspice产品正式并入orcad公司的商业eda系统中。不久之后，orcad公司已正式推出了orcad pspice release 10.5，与传统的spice软件相比，pspice 10.5在三大方面实现了重大变革：首先，在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电路特性分析的基础上，实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；第二，不但能够对模拟电路进行，而且能够对数字电路、数/模混合电路进行仿真；第三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并且可以随时分析观察仿真结果。pspice软件的使用已经非常流行。在大学里，它是工科类学生必会的设计

7、电路工具；在公司里，它是产品从设计、实验到定型过程中不可少的设计工具。2.1 pspice程序简介 pspice是由spice发展而来的用于微机系列的通用电路分析程序。spice(simulation program with integrated circuit emphasis)是由美国加州大学伯克莉分校于1972年开发的电路仿真程序。随后，版本不断更新，功能不断增强和完善。1988年spice被定为美国国家工业标准。目前微机上广泛使用的pspice是由美国microsim公司开发并于1984年1月首次推出的。spice有工业版（production version）和教学版(evalua

8、tion version）之分，本书介绍1986年8月推出的pspice6.3版本（microsim evaluation version 6.3，即教学版，有时也称为学生版）。它能进行模拟电路分析、数字电路分析和模拟数字混合电路分析。 pspice6.3可以对众多元器件构成的电路进行仿真分析，这些元器件以符号、模型和封装三种形式分别存放在扩展名为slb、lib和plb三种类型的库文件中。*.slb库中的元器件符号用于绘制电路图；*.lib库中的元器件模型用于电路仿真分析；*.plb库中的元器件封装形式用于绘制印刷电路板的版图。在电路仿真分析中只用到前两个库。2.1.1 pspice6.3运行

9、环境 硬件环境：486以上的ibmpc机或兼容机，8m以上内存，最好有80m以上硬盘空间（pspice6.3完全安装将占用63m左右的空间），标准键盘及vga以上显示适配器，鼠标，cd-rom驱动器（用于安装pspice）。 软件环境：windows3.x、windows95或windowsnt3.51以上。2.2 pspice功能简介2.2.1 暂态分析非线性暂态分析简称为暂态分析。暂态分析计。算电路中电压和电流随时间的变化，即电路的时域分析。这种分析在输入信号为时变信号时显得尤为重要。时域分析是指在某一函数激励下电路的时域响应特性。通过时域分析，设计者可以清楚地了解到电路中各点的电压和电流

10、波形以及它们的相位关系，从而知道电路在交流信号作用下的工作状况，检查它们是否满足电路设计的要求。2.2.2 交流分析线性小信号交流分析简称为交流分析。它是spice程序的主要分析功能。它是在交流小信号的条件下，对电路的非线性元件选择合适的线性模型将电路在直流工作点附近线性化，然后在用户指定的范围内对电路输入一个扫频信号，从而计算出电路的幅频特性、相频特性、输入电阻、输出电阻等。这种分析等效于电路的正弦稳态分析即频域分析。频域分析用于分析电路的频域响应即频率响应特性。这种分析主要用于分析电路的幅频特性和相频特性。小信号转移特性分析主要分析在小信号输入的情况下，电路的各种转移函数，通常分析的是电路

11、的电压放大倍数。噪声分析是电路设计的重要内容之一。在模拟电路中，无源器件和有源器件均会产生噪声，主要包括电阻上产生的热噪声，半导体器件产生的散粒噪声和闪烁噪声。在噪声分析时，将元件的噪声等效为一个输入信号进行交流分析。通过噪声分析可以计算出各器件在某一输出节点产生的总噪声以及某一输入节点的等效输入噪声。从而可以分析一个电路产生噪声的主要来源，采取一定的电路设计措施来减小噪声的影响。2.2.3 灵敏度分析灵敏度分析包括直流灵敏度分析和蒙特卡罗分析两种。直流灵敏度分析业称为灵敏度分析。它是在工作点附近将所有的元件线性化后，计算各元器件参数值变化时对电路性能影响的敏感程度。通过对电路进行灵敏度分析，

12、可以预先知道电路中的各个元件对电路的性能影响的重要程度。对于那些对电路性能有重要影响的元件，要在电路的生产或元件的选择时给予特别的关注。2.2.4 统计分析统计分析主要包括蒙特卡罗分析和最坏情况分析。蒙特卡罗分析是在考虑到器件参数存在容差的情况下，分析电路在直流分析、交流分析或暂态分析时电路特性随器件容差变化的情况。另一种统计分析是最坏情况分析，它不仅对各器件参数的变化逐一进行分析，得到单一器件对电路性能的灵敏度分析，同时分析各器件容差对电路性能的最大影响量(最坏情况分析)，从而达到优化电路的目的。pspice10.5个人认为它最为突出之处，是改进了其9.2版本，使绘制电路，以及仿真算法更加优

13、化，更加节省时间（以前进行1s的仿真如果取点ms级，那将是非常恐怖的事情），而且蒙特卡罗分析和最坏情况分析有助于我们模拟在不同温度和环境，以及元件损坏的情况下电路的实现过程及结果，那么我们就知道电路的弱点，以及电路中的最重要元件，就可以相应的对其采取保护、散热等措施。3 电路原理3.1基尔霍夫定理简介基尔霍夫定律是求解复杂电路的电学基本定律。从19世纪40年代，由于电气技术发展的十分迅速，电路变得愈来愈复杂。某些电路呈现出网络形状，并且网络中还存在一些由3条或3条以上支路形成的交点(节点)。这种复杂电路不是串、并联电路的公式所能解决的，刚从德国哥尼斯堡大学毕业，年仅21岁的基尔霍夫在他的第1篇

14、论文中提出了适用于这种网络状电路计算的两个定律，即著名的基尔霍夫定律。该定律能够迅速地求解任何复杂电路，从而成功地解决了这个阻碍电气技术发展的难题。基尔霍夫定律建立在电荷守恒定律、欧姆定律及电压环路定理的基础之上，在稳恒电流条件下严格成立。当基尔霍夫第一、第二方程组联合使用时，可正确迅速地计算出电路中各支路的电流值。由于似稳电流(低频交流电)具有的电磁波长远大于电路的尺度，所以它在电路中每一瞬间的电流与电压均能在足够好的程度上满足基尔霍夫定律。因此，基尔霍夫定律的应用范围亦可扩展到交流电路之中。3.1.1基尔霍夫第一定律第一定律又称基尔霍夫电流定律，简记为kcl，是电流的连续性在集总参数电路上

15、的体现，其物理背景是电荷守恒公理。基尔霍夫电流定律是确定电路中任意节点处各支路电流之间关系的定律，因此又称为节点电流定律，它的内容为：在任一瞬时，流向某一结点的电流之和恒等于由该结点流出的电流之和，即： 在直流的情况下，则有 图3-1-1-1 kcl的应用图3-1-1-1kcl的应用所示为某电路中的节点，连接在节点的支路共有五条，在所选定的参考方向下有： kcl定律不仅适用于电路中的节点，还可以推广应用于电路中的任一假设的封闭面。即在任一瞬间，通过电路中任一假设封闭面的电流代数和为零。 图3-1-1-2 kcl的推广图3-1-1-2 kcl的推广所示为某电路中的一部分，选择封闭面如图中虚线所示

16、，在所选定的参考方向下有:3.1.2 基尔霍夫第二定律第二定律又称基尔霍夫电压定律，简记为kvl，是电场为位场时电位的单值性在集总参数电路上的体现，其物理背景是能量守恒公理。基尔霍夫电压定律是确定电路中任意回路内各电压之间关系的定律，因此又称为回路电压定律，它的内容为：在任一瞬间，沿电路中的任一回路绕行一周，在该回路上电动势之和恒等于各电阻上的电压降之和，即： 在直流的情况下，则有 : 3-1-2-1 kvl的应用图3-1-2-1 kvl的应用所示为某电路中的一个回路abcda，各支路的电压在所选择的参考方向下为u1、u2、u3、u4，因此，在选定的回路“绕行方向”下有：u1+u2=u3+u4

17、。 kvl定律不仅适用于电路中的具体回路，还可以推广应用于电路中的任一假想的回路。即在任一瞬间，沿回路绕行方向，电路中假想的回路中各段电压的代数和为零。 图3-1-2-2 kvl的推广图3-1-2-2kvl的推广所示为某电路中的一部分，路径a、f 、c 、b 并未构成回路，选定图中所示的回路“绕行方向”，对假象的回路afcba列写kvl方程有：u4+uab=u5，则：uab=u5-u4。由此可见：电路中a、b两点的电压uab，等于以a为原点、以b为终点，沿任一路径绕行方向上各段电压的代数和。其中，a、b可以是某一元件或一条支路的两端，也可以是电路中的任意两点。3.2 电路原理设计3.2.1设计

18、原理图图3-2-1 节点电路3.2.3原理图分析：在电路中任意选择某一节点为参考节点，其他节点为独立节点，这些节点与参考节点之间的电压成为节点电压，节点电压的参考极性是以参考节点为负，其余独立节点为正。由于任一支路都连接在两个节点上，根据kvl，不难断定支路电压就是两个节点电压之差。如果每一个支路电流都可由支路电压来表示，那么它也一定也可以用节点电压来表示。在具有n个节点的电路中写出其中（n-1）个独立节点的kcl方程，就得到变量为（n-1）个节点电压的共（n-1）个独立方程，称为节点电压方程，最后由这些方程解出节点电压，从而求出所需的电压、电流。这就是节点电压法。 对一个具有b条支路和n个节

19、点的电路，当以支路电压和支路电流为电路变量列方程时，总共有2b个未知量。为了减少求解的方程数，可以利用元件的vcr将各之路电压以支路电流表示，然后代入kvl方程，就得到以b个支路电流为未知量的b个kvl和kcl方程。这种方法称为支路电流法。方法一：利用支路电流法解题的步骤：（1）任意标定各支路电流的参考方向和网孔绕行方向。（2）用基尔霍夫电流定律列出节点电流方程。有n个节点，就可以列出n-1个独立电流方程。（3）用基尔霍夫电压定律列出l=b-（n-1）个网孔方程。说明：l指的是网孔数，b指是支路数，n指的是节点数。（4）代入已知数据求解方程组，确定各支路电流及方向。利用以上步骤，设电压源v1的

20、电压为u1。可通过支路电流法分别算得流过的电流为流过的电流为流过的电流为 流过的电流为流过电压源的电流为。同样可以推得各个节点电压的大小：其中选取n0的电压为参考地点，其电压值始终为0，从而可以推得节点n1的电压值为,节点n2的电压值为方法二：利用节点电压法解题步骤：（1）选择参考节点，设定参考方向（2）求节点电压u（3）求支路电流通过此方法同样可以分别算得流过的电流为流过的电流为流过的电流为流过的电流为流过电压源的电流为。同样也可以推得各个节点电压的大小：其中选取n0的电压为参考地点，其电压值始终为0，从而可以推得节点n1的电压值为,节点n2的电压值为。由这些电流电压的表达式可以看出，各电压

21、电流随的变化都是直线变化的，所以可以推测仿真出来的图像是线性的关系。4 仿真曲线 4.1支路电流仿真曲线图4-1-1 r1,r2,r3,r4的电流图4-1-2 r2,r3,r4的电流图4-1-1中从上到下依次是r2,r4,r3,r1的电流随电压源的变化曲线，图4-1-2从上到下依次是r2,r4,r3.从图中可以看出，r3与r4的电流和等于r2的电流。这与理论分析中基尔霍夫电流定律相符合的。显然有然而r3,r4的电流值却是随的增加而反向增大，这是因为原理图（图3-2-1）中的r1,r3,r4的管脚（pspice中默认是从1流向2）与实际电流的流向是相反的，所以仿真出来的结果是个负值。 4.2 节

22、点电压仿真曲线图4-2 n1,n2,no节点电压图4-2中从上到下依次是n1,n2,n0节点电压随的变化而变化，其中n0是一条恒为0的直线，节点n1就是电源电压，节点n2的电压为0.25，这些都是与理论分析完全相符合。5 曲线分析5.1支路电流仿真曲线分析图4-1-1中从上到下依次是的电流随电压源的变化曲线，图4-1-2从上到下依次是从图中可以看出，的电流都是随的增加而增加，并且r2的变化速度更加快。这与理论分析中 是现符合的，显然有然而r3,r4,r1的电流值却是随的增加而反向增大，这是因为原理图中的的管脚（pspice中默认是从1流向2）与实际电流的流向是相反的，所以仿真出来的结果是个负值。不难发现其斜率的大小也是与理论分析中的分析结果是相同的。5.2 节点电压仿真曲线分析图4-2中从上到下依次是n1,n2,n0节点电压随的变化而变化，其中n0是一条恒为0的直线，节点n1就是电源电压，节点n2的电压为0.25，这些都是与理论分析完全相符合。6 实验分析总结在电路中任意选择某一节点为参考节点，其他节点为独立节点，这些节点与参考节点之间的电压成为节点电压，节点电压的参考极性是以参考节点为负，其余独立