数字集成电路设计原理实验指导书.doc

单极放大器PSPICE设计与仿真实验目的：（1）熟悉PSPICE软件的使用方法；（2）运用PSPICE软件对单极放大器进行设计；实验内容：一、 启动PSpice 9.2Capture CLS Lite Edition 在主页下创建一个工程项目lp二、画电路图1.打开库浏览器选择菜单Place/PartAdd Liabray, 提取：三极管Q2N2222、电阻R、电容C、电源VDC、模拟地0/Source、信号源VSIN。2.移动元件、器件。鼠标选中该元、器件并单击，然后压住鼠标左键拖到合适位置，放开鼠标即可。3翻转某一元、器件符号。4.画电路线 选择菜单中Place/wire，此时将鼠标箭头变成一支笔。5.为了突出输出端，需要键入标注Vo字符，选择菜单Place/Net AliasVo OK!6.将建立的文件（wfh.sch）存盘。三、修改元件、器件的标号和参数1、用鼠标箭头双击该元件符号（R或C），此时出现修改框，即可进入标号和参数的设置2、VSIN信号电源的设置:鼠标选中VSIN信号电源的FREQ用鼠标箭头单击（符号变为红色），然后双击，键入FREQ=1KHz、同样方法即键入VoEF=0V、VAMPL=30mv。鼠标选中VSIN信号电源并单击（符号变为红色）然后用鼠标箭头双击该元件符号，此时出现修改框，即可进入参数的设置，AC=30mv，鼠标选中Apply并单击，退出3、三极管参数设置：鼠标选中三极管并单击（符号变为红色）然后，选择菜单中的Edit/Pspice Model。打开模型编辑框Edit/Pspice Model 修改Bf为50，保存，即设置Q2N2222-X的放大系数为50。4、说明：输入信号源和输出信号源的习惯标法。Vs、Vi、Vo（鼠标选中Place/Net Alias） 单级共射放大电路四、设置分析功能1、静态选择菜单Pspice/New simulation Profile,在New simulation对话框下，键入Bias用鼠标单击Create，然后在屏幕上模拟类型和参数设置框；在模拟类型和参数设置框下，见Analysis type栏中，用鼠标选中及单击Bias Point Detail；并在Output File Optiongs栏目下，单击选中“include detailed bias point information for nonlinear controlled sources and semiconductors”。单击（A）及确定，返回!2、瞬态，即时域分析 选择菜单Pspice/New Simulation Profile,在New Simulation对话框下，键入TRAN，用鼠标单击Create，然后在屏幕上弹出模拟类型和参数设置框; 在模拟类型和参数设置框下，见Analysis type栏中，用鼠标选中及单击Time Domain(Transient)再键入下列数据： Run to 4ms Start saving data 0ms Maximum step 20us单击应用（A）即确定 返回3、频域分析选择菜单Pspice/New Simulation Profile,在New Simulation对话框下键入AC，用鼠标单击Create，然后在屏幕上弹出模拟类型和参数设置框;在模拟类型和参数设置框下，见Analysis type栏中，用鼠标选中及单击AC Sweep/Noise然后，在AC Sweep type栏目下键入下列数据： Start 10hz End 100Meg Points/decade=101对于Logarithmic选项中：Decade（十倍频，取半对数坐标）单击应用（A）即确定 返回！五、仿真前应作的准备工作1.将建立或修改后的文件存盘2.建立电路连接规则和建立网表文件六、仿真1、将图形文件还原，用鼠标选中及单击图形画面的右上角符号（中间的那个符号）。2、电路静态工作点。首先进入项目管理器窗口，用鼠标选中及单击SCHEMATITC-Bias，点击鼠标右键，单击make active；选择菜单Pspice/RUN（或用鼠标点击符号RUN）若无出错，便可查阅Pspice/View Output File文件，查阅静态电路工作点（Vbe、Ib、Ic、Ice）。关闭文件返回。3、仿真输入/输出电压波形。同样进入项目管理器窗口，激活TRAN图标，用鼠标选中及单击SCHEMATITC-TRAN，点击鼠标右键，单击make active；选择菜单Pspice/RUN（或用鼠标点击符号RUN）若无出错，便可观察瞬态或时域分析。单击菜单Trace/Add Trace弹出Add Trace对话框。a单击V（Vo） 单击OK！返回（显示V（Vo）波形）；b单击Plot/add plot to window添加一个波形显示框。 Trace/Add 弹出Trace对话框 键入V（Vs：+） 单击OK返回返回（显示V（Vs：+）波形）c观察V（Vs：+）、V（Vo）波形，输出电压波形放大和失真情况，若有失真（饱和或截止失真）则退出仿真，进入电路参数修改，重复上述过程。仿真通过，关闭程序返回。 输入/输出电压波形4、作幅频特性、相频特性、输入电阻及输出电阻特性曲线。鼠标进入项目管理器窗口，激活AC图标，用鼠标选中及单击SCHEMATITC-AC，点击鼠标右键，单击make active；选择菜单Pspice/run。若无出错，便可观察AC交流瞬态或频域分析。单击菜单Trace/Add Trace弹出Add Trace对话框。（1）幅频特性a键入：dB(V（Vo）/ V（Vs：+）) 单击OK返回 （显示幅频特性）b.激活游标c.确定中频区Av(dB)d.移动游标从中频区下降约3dB时，横坐标频率值就是上限截止频率e.计算通频带f=fH-fL=15051.594（2）相频特性 幅频特性，相频特性曲线（3）求解输入阻抗再添加一个相移特性曲线窗口：单击菜单Plot/add plot to window键入：V(Vs:+)/I(Vs) 单击OK返回 输入电阻Ri=2.5K 输入阻抗频率特性（4）求解输出阻抗修改原电路，令Vs=0v 信号源短路，去掉负载Rl，外加一个信号源VSIN(400mv),即Vw,保存文件，进入仿真。鼠标进入项目管理器窗口，激活AC图标，用鼠标选中及单击SCHEMATITC-AC，点击鼠标右键，单击make active；选择菜单Pspice/run。若无出错，便可观察AC交流瞬态或频域分析。单击菜单Trace/Add Trace弹出Add Trace对话框。键入：V（Vw：+）/I(Vw) 单击OK返回。输出电阻Ro=5.0K 输出阻抗频率特性七、实验心得与体会： 在做仿真实验时的最大心得就是一定要认真仔细，各个元器件也要认真进行设置与仿真，再就是要按照课本上的步骤去做，否者就极有可能出错。差分放大器的PSPICE分析实验目的：（1）熟悉PSPICE软件的使用方法；（2）运用PSPICE软件对差分放大器进行设计；实验内容：一、 静态分析 应用Pspice的静态分析功能可得其静态电压波形如图1所示，由图可分析得到：（1）四个三极管的发射结构正偏，Q3,Q4的发射结电压Vbe=0.68V,Q1,Q2的发射结电压Vbe=0.6565V-0.0042V=0.65V，验证了三极管处于发达状态时发射结电压在0.60.8V之间的结论。（2）Q1，Q2电压的对称性决定了电路电压的对称性。（3）电路的静态工作点。静态工作点指输入端不加信号时，流过三极管集电极的电流Ic和三极管集电极的电压Vc。由图（1）可知Ic=1.412mA,Vc=7.799V。二、单端输入、差模输出信号的分析图（2）输入信号V3的电压随时间的变化（单端输入） 输入波形的初相角为0，幅值为5Mv,频率为1KHZ的正弦电压(如图2)。（1）两输出端的波形如图3，为一对差模信号都是叠加在静态量Vce=7.799V上。（2）由图还可得输入输出电压为V3=5mV,Vom=(Vo1-Vo2)=102mV,得差模电压放大倍数为Avd=Vom/v3=20.4。图（3）输出端Vo1,Vo2的电压随时间的变化图（4）Vom=Vo1-Vo2(两输出端的电压差即双端输出电压)三、单端输入与双端输入的等效对差分放大器，单端输入与双端输入对放大的效果而言是相同的。由于发射极的强负反馈导致两三级管电流变化相反，大小相等，同时两发射节电压信号产生一对差模信号。此理论分析简洁但理解困难。用Pspice可轻易得出在单端输入时Q1，Q2上的发射结电压信号，如图（1）可以看出两发射结的信号极性相反，大小几乎相等，导致单端输入信号与双端输入信号放大电路的放大效果相同。四、验证差分放大器对共模信号的抑制图（5）双端输入时的电路图差分放大器对共模信号的抑制原因：由于电路的对称性，当两输入端即三极管Q1,Q2的基极都输入幅值相同、频率相同、相位相同的电压信号时，两信号经三极管Q1，Q2同时放大并传至输出端Vo1,Vo2，这时可知Vo1=Vo2,因此，当采用双输出（即负载一端接在Vo1处，一端接在Vo2处）时，负载两端的电位相等，这叫做对共模信号的抑制。下面用PSPICE来分析。（1）两端输入相同的信号(如上图2的波形)。（2）查看输出端Vo1,Vo2的波形。可知Vo1与Vo2完全重合。（3）当双端输出时，负载两端的电位差为Vr=Vo1-Vo2=0,验证了差分放大电路对共模信号的抑制。图（6）Vo1和Vo2的电压变化五、传输特性。传输特性指差动放大器在差模信号输入时输出电压Vo1和Vo2随输入电压V3的变化规律。图（7）传输特性曲线（1）V3增加时（300mv内时），Vo2增大，Vo1减小，Vo1+Vo2恒定,此称为差动放大器的线性放大区。（2）V3继续增加，Vo2的增大和Vo1的减小都逐渐缓慢，Vo1和Vo2随V3作非线性变化，此称为差分放大器的非线性区。 六、辅助分析恒流源分析图（8）恒流源电路（1）恒流源电路的作用：恒流源电路可以为R1提供恒定的电流。（2）电流计算：通过R1的电流Ir1(-VEE+0.7V)/(R8+R2)。四位二进制同步加计数器Pspice仿真分析实验目的：（1）熟悉PSPICE软件的使用方法；（2）运用PSPICE软件对四位二进制同步计数器进行设计；实验内容：绘制电路原理图如下图所示：激励源的设置如下：1. 时钟信号源DSTM1（在source.slb符号库中）的属性设如下：（属性可根据需要进行自行设置）2. 第一个JK触发器的输入信号源DSTM2（在source.slb符号库中）的属性设置如下：3. 清零信号源DSTM3（在source.slb符号库中）的属性设置如下：仿真分析类型设置如下：仿真结果如下：将激励源的属性改为如下所示，仿真结果是什么？进行实验，并对结果进行分析。思考：1. 第一个JK触发器的的输入为什么？2. 每一级计数器的周期是多少？3. 在时钟信号的下降沿还是上升沿开始计数？4. 计满多少个数在out上有一个正脉冲出现？5. Q1、Q2、Q3、Q4分别在什么时候进行翻转？基于PSPICE的555定时器电路仿真分析实验目的：（1）熟悉PSPICE软件的使用方法；（2）运用PSPICE软件对555定时器进行设计；实验内容：1 555定时器的等效电路1.1 555定时器原理电路555 定时器原理电路如图1所示，由4部分组成:电阻分压器、电压比较器、基本RS触发器、输出缓冲器和放电三极管.该集成电路共有8个引出端分别为:1脚:接地端，符号GND;2 脚:触发输人端，符号:TR_，信号:V12;3脚:输出端，信号:V0;4 脚:复位端，符号:Rd_;5脚:阂值电压控制端，符号:CO，信号:Vco;6脚:阂值输人端，符号:TH，信号:V11;7脚:放电端，符号:DISC，信号:vo;8脚 :电源端，信号:Vcc.分析可得该集成电路的功能如表1.555定时器功能等效分析与等效电路由功能表可以看出:(1)该集成电路的功能分析可类比于触发器的功能分析，阂值输人端TH类比于RS触发器的置。输人端R为高电平有效，其高低电平的标准为(2/3Vcc);触发器输人端TR_比RS触发器的置1输人端S为低电平有效，其高低电平的标准为(1/3Vcc). (2)复位端RD_类比于触发器的异步复位端，优先权最高，低电平有效.若该端为低电平，则定时器输出低电平，放电三极管饱和.(3)放电三极管状态与输出状态的关系:输出为低电平，TD饱和导通，放电端相当于接地;输出为高电平，TD截止，放电端相当于开路.在某些定时器的应用电路中，该端的状态对电路功能的分析至关重要. 表1 555定时器功能表由以上分析，555定时器可以用如图2所示等效电路表示，基本功能可以用RS触发器功能分析方法分析.若阂值输人端TH(置0输人端)输人高电平(大于2/3Vcc，有效)则定时器输出低电平(复位)，若触发输人端TR_(置1输人端)输入低电平(小于1/3Vcc，有效)则定时器输出高电平(置1).利用以上等效电路与等效分析，555定时器功能分析与应用更加简单与容易.555 定 时 器功能掌握还要与引出端功能相配合，引脚是抽象的数字不易记忆，但其引脚只有8条，再结合数字的谐音可以方便地记住引脚所对应的功能端.其中1脚(最小数字)是接地端，8脚(最大数字)是电源端，这是中小规模集成电路常采用的封装方式，很多555定时器应用电路都是给出引脚的连线图，所以对于这个通用集成电路记住其引脚功能是有必要的.图1 555定时器内部结构框图2 555定时器等效电路1.1.1 555定时器构成的多谐振荡器及仿真分析Pspice仿真与定性分析555定时器构成的多谐振荡器电路如图3所示，图3 多谐振荡器电路原理图瞬态分析仿真输出波形如下图7:图7 多谐振荡器仿真输出波形其功能分析的重点是R1,R3与C1构成的定时电路以及定时器内部放电三极管的状态转换一般教材中，工作原理波形分析不全面，下面结合Pspice仿真波形全面分析其工作原理.调用Pspice程序中的瞬态特性分析功能(TR_ansientA nalysis)进行分析，以定时电容电压V1，和输出电压Vo为分析对象.根据多谐振荡器周期公式T=0.69 (R1+ 2R2)C1，计算周期为41.4 us. 设定仿真时间三个半周期左右为0. 14 ms，启动Pspice程序的瞬态特性分析得仿真波形如图4.电源电压Vcc=10V，可知定时器阀值输人端阀值电压为2/3Vcc,触发输人端阂值电压为1/3Vcc(1) 设电容初始状态为Vc1=0V(对应图4位置)，则在接通电源瞬时即t=0s时刻，定时器TH=O,TR_.=O，触发输人端有有效信号，定时器输出Vo为高电平(对应图4位置).(2) 输出为高电平，放电三极管截止，则7端断开，2端触发输人端、6端阀值输人端对应集成运放输人端，几乎不取电流，也相当于断开，则电源V,会通过R1,R1对电容C,充电，电容C，两端电压Vc:上升(对应图4位置).只要Vc12/3Vcc则始终有TH =0，输出为高电平.(3)当电容电压上升到Vc1=2/3Vcc时(对应图4 位置),TH =1,TR_=1，定时器输出为低电平(对应图4位置). (4) 输出变为低电平，定时器内放电三极管To饱和导通,尺3上端电位几乎为零，电容C,通过R,、定时器内部放电三极管放电，电容两端电压下降(对应图4位置).此时，TH =0,TR_=1，输出低电平不变.(5) 当 电 容电压下降到Vc1=1/3Vcc时(对应图4位置),TH =O,TR_=0，定时器输出为高电平(对应图4位置).(6) 输出为高电平，放电三极管截止，则7端断开，2端触发输人端、6端阂值输人端对应集成运放输人端，几乎不取电流，也相当于断开，则电源V1会通过R1,R1对电容C1充电，电容C1两端电压Vc在1/3Vcc的基础上上升(对应图4 位置).之后，电路的工作过程重复波形(3)到（9）Pspice仿真与定量计算由Pspice仿真波形图4，可得电容电压第一、第二个峰值处时刻以及电压值分别为t1= 43.96 us,V1=6.668V ;t2=85.83us,V2=3.66 8V .两时间差T= t2-t1=41.87us即为振荡周期.V1为阂值输人端阂值电压，V2为触发输人端阂值电压，理论值与仿真结果误差仅为0.001V .根据周期计算公式T=0.69 (R1+2R2)C1可得理论上的周期为41.4 us，误差仅为0.47us.仿真结果与理论分析结果非常接近.1.1.2 555定时器构成的单稳态触发器及仿真分析555定时器构成的单稳态触发器如图5， 图5 单稳态触发器原理图瞬态分析仿真输出波形如图8： 图8 单稳态触发器仿真输出波形其工作原理分析重点是R1,C1构成的定时电路和定时器内部的放电三极管Td.该电路采用的电源电压Vcc=15 V，可知定时器阀值输人端阀值电压为2/3Vcc= 10V,触发输入端阀值电压为1/3Vcc=5V.下面结合Pspice仿真波形分析单稳态触发器工作原理.Pspice仿真与定性分析以触发信号V2、定时电容电压V2,和输出电压Vc1为分析对象根据单稳态触发器输出脉冲宽度公式tw=1.1*R1*C1计算此电路tw=11ms.选择触发信号为周期为20ms，宽度为5ms.启动Pspice程序的瞬态特性分析得仿真波形如图6.(1) 刚接通电源且没有触发脉冲输人时，TK =1，无效.电容两端电压不能跳变Vc1=0，即阀值输人端TH=0，定时器保持原状态.但原状态不知道，所以需要分析得出.分两种情况，若为高电平，则7端放电三极管截止，电源V1通过电阻R1和电容C1构成回路，对电容Cl充电，电容C1两端电压上升，阂值输人端Th电压上升直至2/3Vcc=10V,输出变为低电平，放电三极管饱和，7端相当于将电容C1短路，电容迅速放电，6端Th=0无效，输出维持低电平.若刚接通电源输出为低电平，7端放电三极管饱和导通，电容两端均接地电压为零，6端TH=0，输出仍然为低电平稳定值，综上所述刚接通电源时，若没有低电平触发脉冲，输出为稳定的低电平，处于稳定状态(对应图6位置).