（信号与信息处理专业论文）基于multisim仿真电路的设计与分析.pdf

? 哗 ，上 c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h ed e g r e eo f m e n g - _ - 一 d e s i g n a n d a n a l y s i s o fs l m u l a t i o n b a s e do nmul t isimc ir c ui t c a n d i d a t e ：b a iy u c h e n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r z h a n gd i a n l u n a c a d e m i cd e g r e e a p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：j u n e ，2 0 0 9 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 严 扣 父 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 、 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担厂、 作者( 签字) ：么7 v 日期：i ) ic ) 年多月纠自 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文虢授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 娓 客 一轳 誊铂 眦 翮 沙 辉湫曰 ，1 x旷t|l鞑如叩 默历 一一 ： 生 滨 ) 汐 尔 字 吖 嘭 墼 沙 厂、 者 期 一】 一= j 后 作 目 宓山 i 基- j - m u l t i s i m 仿真电路的设计0 分析 摘要 m u l t i s i m 是一种功能比较强大的电子电路仿真软件，利用m u l t i s i m 软件 可以使设计与仿真同步，一边设计一边实践，修改调试也比较方便；仿真实 验中又不消耗实际的元器件和损伤测试仪器，试验成本极低，试验速度极快； 仿真试验成功的电路可以直接在产品中使用。 首先利用该软件验证了几个典型的单元电路，包括基本放大电路研究、 放大电路中的负反馈、功率放大电路、波形发生电路和滤波电路；其中重点 研究了滤波器电路：先进行理论推导，再仿真典型的多路负反馈二阶低通滤 波节，测试出其通频带，用软件画出其幅频特性曲线，再给出原理电路图， 然后制作出实际电路板，进行实际测量。得出的结论与仿真结果基本一致， 仅存在很小的误差，最后就实际与仿真的微小误差给出简单的解释。然后介 绍了几个生活中简单的小电路仿真，其间主要是对单片机组成的抢答器进行 设计，制成实际的电路板。进一步说明了m u l t i s i m 的用途广泛。 总结了m u l t i s i m 软件值得在电路研究、设计中推广。 关键词：m u l t i s i m ；仿真实验；电路设计：电路分析。 哈尔滨t 程人学硕十学何论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rm a i n l yv a l i d a t e st h ep o w e r f u lf u n c t i o no fm u l t i s i ms o f t w a r e m u l t i s i mi sam u l t i f u n c t i o n a le l e c t r o n i cs i m u l a t e dc i r c u i ts o f t w a r e ，w h i c hc a l l d e s i g na n ds i m u l a t ea tt h es a m et i m e t h em o d i f i c a t i o no ft h ec i r c u i t si sv e r y c o n v e n i e n t b ym u l t i s i ms i m u l a t i o n ，c o s to fe x p e r i m e n t sc a nb er e d u c e ds i n c en o r e a ld e v i c e sa r ew a s t e dd u r i n gt h et e s t m o r e o v e r ，s ot h er a t eo fe x p e r i m e n t si s v e r yf a s t t h es u c c e s so fc i r c u i ts i m u l a t i o nc a nb ed i r e c t l yu s e di nt h ep r o d u c t w e f i r s t l yt e s ts e v e r a lt y p i c a lc e l lc i r c u i t sb yu s i n gm u l t i s i m ，i n c l u d i n gb a s i c a m p l i f i e rc i r c u i t ，t h en e g a t i v ef e e d b a c ko fa m p l i f i e rc i r c u i t ，p o w e ra m p l i f i e r c i r c u i t ，w a v e f o r mc i r c u i ta n df i l t e rc i r c u i t ，i nw h i c hf i l t e rc i r c u i ti st h em a i np o i n t b a s e do i lt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，t h et y p i c a lm u l t i - c h a n n e ln e g a t i v ef e e d b a c kt w o s t e pl o wp a s sf i l t e rs e g m e n ti ss i m u l a t e d t h e nw e t e s tt h ep a s s b a n da n dd r a wt h e 、 a m p l i t u d er e s p o n s eu s i n gt h es o f t w a r e f u r t h e r m o r e ，s c h e m a ti sd r e w ，a n d 。 a c c o r d i n gt ot h ep c bw ed e s i g n e da n dt e s tt h ep e r f o r m a n c eo ft h eb o a r d t h e c o n c l u s i o no ft h er e a le x p e r i m e n ti sm o s t l yc o n s i s t e n tw i t ht h es i m u l a t i o na n d t h e r ei s o n l yt i n yd i f f e r e n c eb e t w e e nt h e m t h es i m p l ee x p l a n a t i o no ft h e d i f f e r e n c ei sa l s or e f e r r e di nt h i sp a p e r f i n a l l y ，w em a k es o m es i m u l a t i o no n s e v e r a ls i m p l ec i r c u i t sc o m m o n l yu s e di nd a i l yl i f e a n da na c t u a lc i r c u i tb o a r d a b o u tr e s p o n d e rb a s e do n51m c ui si n t r o d u c e di nt h i sp a p e ra sa p r o d u c t i o no ft h e m u l t i s i ms i m u l a t i o ns o f t w a r e t h ed i f f e r e n c eb e t w e e ns i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t i sd i s c u s s e da g a i nt os h o wm u l t i s i m sw i d e l yu s e a l lo fo u rw o r kp r o v e st h a tm u l t i s i ms i m u l a t i o ns o f t w a r ei sw o r t h yo fb e i n g u s e di nc i r c u i t sr e s e a r c ha n dd e s i g n k e yw o r d s ：m u l t i s i m ；s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s ；c i r c u i td e s i g n ；c i r c u i ta n a l y s i s - f 基y - m u l t i s i m 仿真i i l 路的设计与分析 第1 章绪论 目录 1 1 选题意义1 1 2 研究现状1 1 3m u l t i s i m 发展简介3 1 4e d a 在发达国家的应用状况o 一3 1 5 软件简介3 1 6 论文主要工作一4 第2 章电路仿真处理单元电路 2 1 本章引言5 2 2 基本放大电路研究5 2 2 1 静态工作点及动态特性理论计算5 2 2 2 静态工作点及动态特性实际测量7 2 2 3 静态工作点及动态特性软件仿真8 2 2 4 放大器最佳工作点研究9 2 2 5 放大器放大倍数及输入输出电阻的仿真研究1 2 2 2 6 放大器频率特性仿真研究。1 4 2 2 7 本节总结1 5 2 3 负反馈放大电路研究1 5 2 3 1 负反馈放大电路的理论分析1 6 2 3 2 实际测量1 9 2 3 3 软件仿真2 0 2 3 4 反馈的一般原则2 2 2 3 5 本节总结2 3 2 4 功率放大电路2 4 2 4 1 功放电路理论分析2 4 2 4 2 实际测量2 5 2 4 3 软件仿真2 7 哈尔滨门掣人学硕十学何论文 2 4 4 本节总结2 8 2 5 集成运算放大器的基本应用( 正弦波发生器) 2 8 2 5 1r c 桥式正弦波振荡器( 文氏电桥振荡器) 理论分析0 pb0ioo*j2 9 2 5 2r c 桥式正弦波振荡器( 文氏电桥振荡器) 实际测量2 9 2 5 3r c 桥式正弦波振荡器( 文氏电桥振荡器) 仿真实验分析3 0 2 6 本章小结3 2 第3 章滤波电路研究” 3 1 本章引言3 4 3 2 二阶有源r c 低通滤波器3 5 3 3 二阶有源r c 带通滤波器3 7 3 4 二阶高通滤波器3 8 3 5 电路仿真4 0 3 6 几种典型的模拟滤波器仿真4 2 3 5 1 通过m u l t i s i m 仿真带通滤波器4 2 3 5 28 阶带通滤波器“4 6 3 7 本章小结5 3 第4 章简单实用电子电路仿真“ 5 5 4 1 本章引言- 5 5 4 2 彩灯循环显示控制电路的设计与仿真5 5 4 3 四人优先表决电路设计与仿真5 6 4 4 汽车尾灯控制电路( 一) 5 7 4 5 汽车尾灯控制电路( 二) 5 9 4 6 基于m u l t i s i m 的5 1 单片机抢答器仿真及硬件实现6 0 4 6 本章小结6 2 结论 参考文献 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果 致谢 6 5 6 6 第1 章绪论 1 1 选题意义 第1 章绪论 m u l t i s i m 是一种功能非常强大的电子电路仿真软件，该软件可以对电路 直流工作点分析，交流特性分析、傅立叶分析、暂态分析、失真度分析、噪 声分析、直流扫描、参数扫描、灵敏度分析、温度扫描、传输函数分析、零 极点分析、最坏情况分析；既可以对模拟、数字、模拟数字混合电路、射频 电路进行仿真；又能对部分微机接口电路进行仿真，克服了实验室条件下对 传统电子设计工作的限制。为用户提供了一个良好的集成化的虚拟设计实验 环境，从建立电路到仿真分析和结果输出在集成界面都可以完成，仿真的手 段完全切合实际，选用的元器件和测量仪器与实际情况十分接近；并且界面 可视、直观。绘制电路图所需的元器件、仪器、仪表以图标形式出现，选取 十分方便，还可自己扩充元件库。对电路中的元器件设置故障，如开路、短 路和不同程度的漏电等，针对不同故障观察电路的各种状态进行仿真，从而 加深对电路原理的理解。利用m u l t i s i m 软件设计可以使设计与实验同步，一 边设计一边实验，修改调试方便；仿真实验中又不消耗实际的元器件和测试 仪器，实验成本低廉，实验速度快速；仿真实验成功的电路又可以直接在产 品中使用，缩短了开发应用的周期。 结合m u l t i s i m 软件能达到搭建电路，仿真分析，使设计与实验同步，边 设计边仿真，修改调试方便；仿真实验中不消耗实际的元器件和测试仪器， 实验成本低，实验速度快，从而一窍不通事半功倍的效果。 1 2 研究现状 随着计算机技术和电子技术的发展，电子产品已与计算机技术密不可分， 紧紧相连；随着电子产品日益智能化，电路的集成度的越来越高，使新技术 新产品的更新周期越来越短。应运而生电子设计自动化( e d a ) 技术，从而 使电路研发人员能用在计算机来完成电路功能设计、逻辑设计、性能分析、 时序测试直至电路板的计算机自动化设计应运而生。 哈尔滨i ：稃人学硕十学位论文 e d a 是”e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ”的缩写，译成中文名为电子设计 自动化。它是在2 0 世纪9 0 年代初从计算机辅助设计英文缩写为( c a d ) 、 计算机辅助制造英文缩写为( c a m ) 、计算机辅助测试英文缩写为( c a t ) 和计算机辅助工程英文缩写为( c a e ) 的概念发展而产生的。e d a 技术就 是主要依赖计算机作为硬件平台，以大规模可编程逻辑器件及集成电路作为 设计载体，设计者在e d a 软件平台上，使用以描述硬件电路的功能，信号连 接关系及定时关系的语言即硬件描述语言来完成文件设计，然后经由计算机 自动地完成逻辑编译、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、优化、布局布线、 以及逻辑优化和仿真测试等，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射 和编程下载等等工作，从而形成集成电子系统或专用集成芯片的一门独特技 术。自从e d a 技术的出现，它完全适应了现代电子产品的设计要求，并形 成了吸收多学科新成果而形成的一门专用技术。它促进现代电子产品以前所 未有的发展速度，向着功能多样化、体积最小化、功耗最低化的方向发展。e d a 的现状和发展e d a 技术所涉及的内容较多，也比较广泛，但可大体分为以 下四个方面的内容：第一方面是大规模可编程逻辑器件；第二方面是硬件描 述语言：第三方面是软件开发工具；第四方面是实验开发系统m 一。 现在e d a 的应用范围相当广泛，涉及机械、航空航天、通讯、电子、化 工、矿产、生物、医学、军事等等各个领域都有广泛使用。但本文主要针对 电路试验的设计及仿真进行研究。 m u l t i s i m 软件是e d a 家族中极其重要的一员。m u l t i s i m 是加拿大图像交 互技术公司( i n t e r a c t i v ei m a g et e c h n o l i g i c s 简称i i t 公司) 推出的以w i n d o w s 为基础的仿真工具，适用于模拟数字电路板的设计工作。不仅包含了电路原 理图的图形输入、还包括电路硬件描述语言输入方式，具有极其丰富的仿真 分析能力。 可以使用m u l t i s i m 软件交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行模 拟仿真。m u l t i s i m 主要是提炼了s p i c e 仿真的复杂内容，这样无需懂得深入 的s p i c e 技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的电路设计，这也使 m u l t i s i m 更适合电子学教育。通过m u l t i s i m 和虚拟仪器技术，p c b 设计可以 完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设 计流程，从而缩短研发周期，降低开发成本。 - 第1 章绪论 1 3m u l t i s i m 发展简介 从开始的加拿大e w b ( e l e c t r i c a lw o r k b e n c h ) 到e w b 4 0 、e w b 5 0 、 e w b 6 0 、2 0 0 1 、m u l t i s i m7 、m u l t i s i m8 、m u l t i s i m 9 、m u l t i s i m1 0 。 目前在各高校教学中普遍使用m u l t i s i m 2 0 0 1 ，网上最为普遍的是 m u l t i s i m9 ，n i 于2 0 0 7 年0 8 月2 6 日发行n i 系列电子电路设计软件，n i m u l t i s i mv1 0 作为其中一个组成部分包含于其中。 1 4 e d a 在发达国家的应用状况 e d a 就是“e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ”的缩写，该技术已经在电子设 计领域得到十分广泛应用。发达国家目前不存在电子产品的手工设计。利用 m u l t i s i m 一台电子产品的设计过程，从概念的确立，到包括电路原理、p c b 版图、机内结构、单片机程序、f p g a 的构建及仿真、热稳定分析、外观界 面、电磁兼容性分析在内的物理设计，最后到p c b 钻孔图、自动贴片、焊膏 漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部都能在计算机上完成。 该技术借助计算机存储量大、运行速度快的优点，可对要设计的方案进行人 工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作。e d a 已成 为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的最主要技术手段。美国n i 公司( 美国国家仪器公司) 的m u l t i s i m9 软件就是这方面十分好的一个设计 工具。而且m u l t i s i m9 计算机仿真与虚拟仪器技术( l a b v i e w8 ) ( 也是美 国n i 公司的) 可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一个老大 难问题。使用者可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真 真实的结合再现出来。并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的电子 仪表。极大地提高了使用者的设计热情和积极性。真正的做到了变被动学习 为主动学习的良好效果。这些好处及优点在教学活动中已经得到了很好的体 现。还有很重要的一点就是：计算机仿真与虚拟仪器对教师的教学也是一个 很好的提高和促进。实现了“理论教学一计算机仿真一实验环节相统一口】，。 1 5软件简介 该软件通过直观的电路图捕捉环境，能比较轻松设计电路，也能通过交互 方式s p i c e 仿真，迅速知道电路行为，也可以借助高级电路分析，理解基本 3 哈尔滨t 稃人学硕十学何论文 设计特点，同时通过一个工具链，无缝地进行集成电路设计和虚拟测试，通 过改进、整合设计流程，减少建模错误并缩短上市的时间。 n im u l t i s i m 软件很好的结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、 轻松、高效地对电路进行设计与验证。凭借n im u l t i s i m ，可以立即创建具有 完整组件库的电路原理图，然后利用工业标准s p i c e 模拟器模仿电路进行行 为。借助专业的高级s p i c e 分析和虚拟仪器，可以在设计流程中提早对电路 设计进行迅速的验证，从而缩短建模循环周期。与n il a b v i e w 和 s i g n a l e x p r e s s 软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够具有 模拟数据的实现建模测量功能。 m u l t i s i m 是i n t e r a c t i v ei m a g et e c h n o l o g i e s ( e l e c t r o n i c sw o r k b e n c h ) 公司推 出的以w i n d o w s 为基础的仿真工具，主要适用于板级的模拟数字电路板的 设计工作。它不仅包含了电路原理图的图形输入与电路硬件描述语言输入方 式，还具有极其丰富的仿真分析能力。为适应不同的场合应用，m u l t i s i m 推 出了许多版本，用户可以根据自己的需要加以选择。 1 6 论文主要工作 1 、绪论部分主要论述了选题意义、研究现状、进行了m u l t i s i m 软件简 单介绍：主要说明软件特点，软件功能介绍及论文主要工作。 2 、电路仿真处理单元电路 ( 1 ) 基本放大电路研究( 主要有仿真电路、波形、表格、对比等) ( 2 ) 负反馈电路研究 ( 3 ) o t l 功率放大器研究 ( 4 ) 正弦波形发生电路 3 、有源滤波电路研究 4 、生活中简单小电路仿真 ( 1 ) 彩灯循环显示控制电路设计与仿真 ( 2 ) 四人优先表决电路设计与仿真 ( 3 ) 汽车尾灯控制电路设计与仿真 ( 4 ) 基于5 1 抢答器仿真研究 5 、得出软件在研究中的作用 4 厂 第2 章电路仿真处理单元【u 路 第2 章电路仿真处理单元电路 2 1 本章引言 作为各种电路的基础，主要包括基本放大电路，负反馈电路，功率放大 电路，波形发生电路，差动放大电路等基本电路组成。其中基本放大电路尤 为重要，它在各种电路中都以原型或简单变形出现，是最基本的、最原理性 的电路；因此在这里着重的用软件分析了在基本放大电路中最基本的共射极 放大电路，不但分析了静态特性，同时也分析了动态特性；既进行了软件分 析又进行了实际测量与公式估算。之后进行了负反馈放大电路的分析，功率 放大分析及波形发生电路；在分析的过程中主要用实际测试数据与软件仿真 数据进行对比，说明了软件在中频段电路进行设计与分析的可行性。 2 2 基本放大电路研究 低频交流小信号放大电路在实际电子电路中应用十分广泛，尤其在要求 较大输出电压、较大输出电流、较大输出功率时，放大电路大多采用共发射 极接法的放大电路；因此本节着重研究共射极基本放大电路。 图2 1 是电阻分压式工作点稳定单管放大器实验电路原理图。偏置电路 采用的是r b 。和r 。：组成的分压电路，并在发射极中接有发射极电阻r 。，用以 稳定放大器的静态工作点h 1 。 u u c c l2 v k 图2 1 共射极基本单管放大器实验电路原理图 2 2 1 静态工作点及动态特性理论计算 改变电路参数吣、r c 、r 。( r 。，、r z ) 都会引起静态工作点q 的变化，如 5 哈尔滨- 厂程大学硕十学何论文 图2 2 所示。但大多采用调节偏置电阻r 。：的方法来改变静态工作点q ，如减 小r 占。，则可使静态工作点q 降低等，见表2 2 。 表2 1 r 。对静态工作点及放大倍数的影响 r b i ( j i q1r b 2 ( k q1 u b ( v )u c ( v ) u i ( m v )u o ( m v )a u 4 9 91 5 2 9 6 7 3 41 0 6 06 0 4 0 21 52 5 18 2 81 o5 45 4 图2 2电路参数对静态工作点的影响 如果需满足较大信号幅度的要求，静态工作点最好尽量靠近交流负载线 的中点位置h 3 。 在图2 1 电路中，其中r 。当取1 2 0k f 2 ，当流过偏置电阻r 。和r 。：的电 流远远大于三极管t 的基极电流i 。时( 一般5 1 0 倍) ，则它的静态工作点 就可用公式( 2 1 ) ，公式( 2 2 ) 公式( 2 3 ) 估算 u e 丽r b i 虬1 7 v ( 2 1 ) ”半i c = 1 蒯 u r = u 一厶r ( = 7 v ( 2 - 2 ) u c e = u c c l c ( r c + r e ) = 8 6 v( 2 3 ) 电压放大倍数( 输入信号取5 0 m v ，l k h z ) a 。：一b 型堕：一5 4 4( 2 4 ) r b 。 输入电阻 6 2 2 2 静态工作点及动态特性实际测量 1 、为了测量放大器的输入电阻，一般按图2 3 电路在被测放大器的输入 端与信号源之间串联接入一已知电阻r ，在放大器正常工作的条件下，用交 流毫伏表测出u 。和u ；，则根据输入电阻的定义就可得 告= 量号告兄 协7 ， r l 放 大 器 k i i ( o ( ( 。 r 。 l 图2 3 输入、输出电阻测量电路 2 、输出电阻r 。，的测量 按图2 3 电路，在放大器正常工作情况下，先测出输出端不接负载r 。的 输出电压u 。和接入负载后的输出电压u ”然后根据 击u 。 协8 ， 就可求出 r ( j = ( 鲁_ 1 ) r 。 ( 2 9 ) 3 、共射极基本放大电路电路板上的测量数据 7 哈尔滨f ：稃大学硕十学何论文 ，l 、t i ，一 纂 ii一 y 一，1 1 理：，a 蠢曩了z 一，i 爿麓 奉节n 爹魏r ：憝 未。k 宅8 # 1 甚、覆溶。 翌曼盛函，蔷! ” _ l 】s l ：。l _ 1：，f “t l 也1 菩l 叠，、葛臻“”葶 。，_ ：o ，- 龋 r 黪“翟尹粤蠡i _ viw ，b 握。 lll f n 船l ，i 溯目隧貔瓤： 图2 4 共射极基本放大电路板图2 5 共射极放大板输入波形 一 一一_ g ? ? 一” 罗：f ”掌，ff ，z ， 厂一翼j 艺卜畚貉 7 一 _ 穹，匀尊，荔 弘 7 戡：函：i 震雾 ， 夜篓鋈 i 1 z f k 。，澎一 一g 图2 6 共射极放大电路输出波形 表2 2 实际测量共射极基本放大电路静态工作点 u b ( v ) u c ( v )u c e ( v ) 1 6 8 7 1 28 6 7 表2 3 实际测量共射极放大电路的裁态特性参数 电压放大倍数输入电阻输出电阻 5 4 0 12 6 k q2 3 5 5 k q 2 2 3 静态工作点及动态特性软件仿真 1 、静态工作点 1v ( 1 2 j0 ( 3 0 0 0 0 2v 【7 l 7 0 9 6 3v l23 9 8 8 3 4v e 甸17 5 7 6 7 5v l g l 1 2 0 0 o 6v 【1 1 10 0 0 0 7v 【2 ，0 日 v 1 5 】 49 5 9 1 4 9j v l l18 7 7 6 2 m 图2 7 直流工作点仿真结果 软件测量值v t = 1 7 5 7 6 7 v ( 基极电位) ，而估算值为u b 2 1 7 v ：软件测量 值v 9 = 7 8 0 0 9 6 v ( 集电极电位) ，而估算值为u 。j = 7 v 主要原因是估算时做了 8 ，- 第2 章电路仿真处理单元电路 近视，只有当，占“，月时才成立。a u 8 ：a u b ；1 3 ，a u c ；4 9 都在允许的 u b u b u c 范围内。 2 、放大倍数仿真计算 ，7 j j 一、一i 7 7 | 一。一7 一j + 、一，一一、j 。 、一、；j j 、| ，、j ? 、。7 ? 一i 、i 、。、。；、 t ，删k ，繁毒一j 措竽善 ：鞋碧； 一 懈j 善t 州 ：篙= ：= 嚣茹 哿搿羞然；。 ：誉而盎i 1 4 。i i q “ 鲁。一。莉鞘二警警赫耕一岩“伊：驯r寰峨hm 肌hm v 肌慵譬m v 胁船 矿驯 图2 8 共射极放大电路的输入输出波形图 从示波器图中可以得出电压放大倍数近似为5 4 。 2 2 4 放大器最佳工作点研究 表2 4 静态工作点的的调整与测试 r w ( k n )i b a )i c ( m a )u b e ( m v )u c e ( v ) b 01 7 2 3 0 73 4 5 16 6 2 8 40 0 8 72 0 0 3 59 8 5 9 83 4 6 76 6 1 9 1 40 1 0 73 5 1 6 1 05 0 6 2 63 4 7 36 6 1 2 9 60 1 3 57 3 9 3 1 51 7 7 6 43 4 5 16 6 0 7 0 60 2 4 41 9 4 2 6 2 51 3 3 2 32 8 3 36 5 4 8 82 3 4 72 1 2 6 3 3 01 2 4 3 42 5 8 86 5 2 2 5 33 1 8 42 0 8 1 4 5 08 8 8 21 8 3 36 4 3 2 2 65 5 8 52 0 6 3 7 1 0 04 4 4 11 0 0 26 2 5 9 2 58 5 8 52 2 5 6 2 1 0 5 4 2 1 90 9 5 2 6 2 4 5 4 6 8 7 5 52 2 5 6 5 1 1 04 2 1 90 9 0 06 2 3 0 4 88 9 32 1 3 3 2 1 1 53 7 7 50 8 5 36 2 1 5 8 99 9 0 32 2 5 9 6 1 2 53 5 5 30 7 6 76 1 8 7 7 59 3 8 32 1 5 8 7 1 5 02 6 6 50 6 0 06 1 2 2 2 99 9 5 32 2 5 1 4 2 0 01 6 6 50 3 6 55 9 9 2 1 51 0 7 4 92 1 9 2 2 2 5 00 9 9 90 2 1 85 8 5 6 91 1 2 5 32 1 8 2 2 3 0 0 0 5 5 50 1 2 35 7 0 6 3 9 1 1 5 8 2 2 1 6 2 9 哈尔滨f ：程人学硕十学何论文 1 、静念工作点的的调整与测试 图2 9 共射极放大电路的静态工作点仿真测量 分析表中数据可知，调节可变电阻器可以调整基极的点位，从而改变了 静态工作点，实验结果给出了晶体管的三个区域：饱和区、放大区和截止区。 其中饱和区r 。取值在0 k o 到2 0 k f 2 之间，在这区间放大倍数比较小，u c e 的压降也很小，基极电流与集电极电流不满足线性关系；而放大区r 1 取值在 1 5 k x 2 到1 2 5 k f 2 之间，在这区间三极管的电流放大倍数大约为2 0 0 ，基极电 流与集电极电流基本满足线性关系，u c e 的压降大约在4 呻伏左右；截止区 是取值在1 5 0 七q 到3 0 0 k f 2 之间，在这区间集电极电流很小，晶体管u c e 压降较大在1 1 伏左右，电源压降几乎都讲到了c e 结上，因此三极管处于截 止状态。 可知再放大电路中，静态工作点的选取很重要。要想得到不失真的放大， 就必须选择合适的静态工作点。否则静态工作点靠近饱和区就容易出现饱和 失真，接近截止区就容易出现截止失真，使输入信号的放大失去意义。因此， 在选择静态工作点时应该使其处在放大区的靠近中间位置为合适，这时晶体 管具有较大的放大倍数，而且输出不失真。这时才算最佳的静态工作点。 2 、放大器静态工作点对输出的影响 表2 5 放大器静态工作点对输出的影响 r b l ( kq )r 耻( kq )( v ) ( v ) ，( ( m a )u ( 点( v ) 失真情况 4 9 9 1 52 9 67 3 40 7 56 5 止常放火 1 54 9 99 189 9 80 4 70 4 5饱和失真 4 0 2 8 2 5 o 5 61 1 9 9 01 1 9 9 8截j 卜欠真 i o 蚕营萤曷 广 第2 章电路仿真处理单元电路 截止失真 正常放大 卜、j 、j 、。卜 饱和失真 图2 1 0 波形仿真 3 、放大器最佳工作点的选取 为了得到最大动态范围的目的，应将静态工作点调在交流负载线的中点 位置。为此在放大器正常工作情况下，逐渐增大输入信号的幅度，并同时调 节r 4 ( 改变静态工作点) ，用示波器观察输出电压u o ，当输出波形同时出现 削底和缩顶现象( 如图2 1 1 ) 时，说明静态工作点已调至交流负载线的中点 位置。然后反复调整输入信号，使波形输出幅度最大，且无明显失真的时候， 然后用交流毫伏表测出u o 有效值，则动态范围等于2 4 2 u 。或用示波器直接读 出u o p p 来，动态范围为6 3 v 。 哈尔滨l ：稃人学硕十学位论文 0 j ， 图2 1 1 最佳工作点选择 2 2 5 放大器放大倍数及输入输出电阻的仿真研究 l 、放大倍数研究 罗y 黝鼢蹦学搿彩黝篡鬻 图2 1 2 共射极放大电路的动态特性研究图 表2 6 输入不变、负载变化 r ( 艘) 虮( u 唧) ( m v )u ( m v )u 。( v ) 4 11 0 03 8 0 0 40 6 9 6 7 1 8 1 4 4 2 4 1 0 03 8 0 l1 1 6 83 0 2 7 5 5 1 0 0 3 7 9 3 41 5 7 4 4 1 3 1 2 l o 1 0 0 3 7 9 5 61 8 7 8 4 9 4 5 2 01 0 03 7 9 52 0 7 15 4 5 6 3 3 01 0 03 72 1 4 65 6 5 4 8 4 01 0 0 9 5 12 1 8 5 5 7 5 7 4 5 01 0 03 7 9 52 2 l l5 8 2 5 8 广 第2 章电路仿真处珲单元电路 6 01 0 03 7 9 l 2 2 2 7 5 9 4 0 3 7 0 1 0 03 7 9 52 2 3 85 8 9 7 2 8 01 0 03 7 9 52 2 4 75 9 2 0 9 9 01 0 03 7 。9 4 92 2 5 45 9 3 9 6 1 0 01 0 0 3 7 9 4 82 2 6 5 9 5 5 5 从表中可以看出：u s 保持不变随着r l 的增加，电路的放大倍数也在增 加，满足a 。一b 里c 型曼l ，可见电路的放大倍数是不仅和三极管放大倍数有 r b p 关，同时受电路其他参数控制。 表2 7 负载不变、输入变化 吃( k f f 2 ) u s ( u 唧) ( m v ) u f ( m v ) u o ( m v ) 彳。 50 50 1 6 3 9 9 4 6 0 8 1 510 3 2 7 11 9 8 8 86 0 8 2 55 、 1 6 3 59 9 3 3 76 0 7 5 7 51 03 2 7 61 9 8 2 7 16 0 5 2 2 55 01 7 1 5 29 3 0 3 0 55 4 2 3 9 51 0 03 8 0 11 5 7 44 1 4 1 51 5 06 2 1 1 11 9 6 43 1 6 2 1 52 0 08 7 3 9 72 2 4 92 5 7 3 3 54 0 01 9 1 7 8 23 0 0 51 5 0 6 9 5 6 0 02 9 5 0 5 1 3 5 0 1 0 1 1 9 从表中可以看出该电路的最大允许输入电压为1 伏，这时电路的输入电 压有效值为1 3 8 2 6 毫伏，输出的电压有效值为2 8 6 5 伏，峰峰只可达到8 伏 左右。 表2 8 输入电阻研究 r ( k f 2 ) u s ( u 唧) ( m v ) u f ( m v )r ( k f 2 ) 5 151 6 3 52 4 7 8 5 11 03 2 7 62 4 8 5 5 12 06 5 9 22 5 0 7 5 13 09 9 8 72 4 2 4 5 14 0 1 3 4 9 7 2 5 9 7 5 15 01 7 1 5 22 6 6 3 5 1 6 02 0 9 5 3 2 7 3 7 1 3 哈尔滨i ：群人学硕十学位论文 从表中可以看出：共射极放大电路的输入电阻不是很大，因此该电路一 般应用于普通场合，即对输入电阻要求不大的场合。 表2 9 输出电阻研究 r ，( 艘) u s ( ) ( m v )( v ) 玑【v )r 。( 触) 550 1 4 60 0 9 9 32 3 5 0 51 00 2 9 10 1 9 8 2 3 4 9 5 2 00 5 7 80 3 9 32 3 4 7 54 01 1 2 l0 7 6 22 3 5 2 55 0 l - 3 70 9 3 02 3 6 3 56 01 5 9 61 0 8 62 3 4 8 58 01 9 9 41 - 3 5 6 2 3 5 3 51 0 02 3 41 5 7 52 4 2 9 从上表中可以看出：共发射极放大电路输出电阻不是很小，因此决定了 其带负载的能力不是很强。 2 2 6 放大器频率特性仿真研究 放大器的幅频特性是指放大器的电压放大倍数a u 与输入信号频率厂之 间的关系曲线。单管阻容耦合基本放大电路的幅频特性曲线如图2 1 1 所示， a u m 是一中频电压放大倍数，一般规定电压放大倍数随频率变化下降到中频 放大倍数的1 4 2 倍，即0 7 0 7 a 哪所对应的频率分别称为下限频率以和上限频 率厶，则通频带厶= 厶一无。 放大器的幅频特性就是测量不同频率信号时的电压放大倍数a u 。因此， 可采用上述测a u 的方法，每次改变一个信号频率，然后测量其相应的电压放 大倍数，测量时一定注意取点要恰当，在低频段与高频段应多测几个点，在 中频段可以少测量几个点。另外，在改变频率的时候，要保持输入信号的幅 度不变，而且输出波形不得有失真。 a uf ”。7