南京理工大学EDA设计(1) 优秀.doc

南 京 理 工 大 学EDA设计（）实验报告作 者:学 号：学院(系):专 业:吴少琴 指导老师： 实验日期： 10.27 - 10.30 2014 年 11 月摘 要 本次EDA实验主要由四个实验组成，分别是单级放大电路的设计与仿真、差动放大电路的设计与仿真、负反馈放大电路的设计与仿真、阶梯波发生器电路的设计。通过电路的设计和仿真过程，进一步强化对模拟电子线路知识的理解和应用，增强实践能力和对仿真软件的运用能力。关键词 EDA 设计 仿真 目 录实验一 单级放大电路的设计与仿真 1实验二 差动放大电路的设计与仿真 11实验三 负反馈放大电路的设计与仿真 18实验四 阶梯波发生器电路的设计 29 总结 42 参考文献 42 EDA设计（）实验报告 第 42 页 共 45 页实验一 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试方法。2、掌握方法电路在不失真状态下电路参数的计算方法。3、掌握放大电路饱和失真和截止失真时的波形状态并了解其形成原因。4、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10kHz(峰值5mV) ，负载电阻8k，直流供电电源为12V。要求设计指标为电压增益50至100倍之间，带宽大于1MHz。2. 调节电路静态工作点(调节偏置电阻)，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(调节偏置电阻)，使电路输出信号不失真，并且幅度最大。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。三、实验步骤（一）单级放大电路原理图图1.1 单级放大电路原理图（2） 电路工作在失真状态（1） 饱和失真调节偏置电阻得到电路饱和失真状态下的输出波形如下：图1.2 饱和失真输出波形 因为工作点设置不合理，没有在放大区而处在饱和区中，下边波形被削波，导致饱和失真。用直流工作点分析得到此状态下的静态工作点参数如下：图1.3 饱和失真时的静态工作点分析饱和失真的静态工作点为：Ib=7.90920uA，Ic=771.00174uA，VCEQ=V4-V7=4.29647-3.89129=0.40518V，VBEQ=V3-V7=4.51810-3.89129=0.62681V。此时VCEQVBEQ，所以满足三极管饱和失真条件，电路出现饱和失真，工作在饱和区。（2） 截止失真调节偏置电阻得到电路截止失真状态下的输出波形如下：图1.4 截止失真输出波形 因为工作点设置不合理，没有在放大区而处在截止区中，上边波形被削波，导致截止失真。用直流工作点分析得到此状态下的静态工作点参数如下：图1.5 截止失真时的静态工作点分析截止失真的静态工作点为：Ib=789.13801uA，Ic=104.61178uA，VCEQ=V4-V7=10.95388-0.52700=10.42688V，VBEQ=V3-V7=1.07656-0.52700=0.54956V。此时VBEQVCEQ，截止区内集电结反偏，发射结反偏或正偏电压非常小，可知满足截止失真条件，三极管工作在截至区。（3） 电路工作在不失真状态（1）调节偏置电阻得到电路在最大不失真状态下的输出波形如下：图1.6 最大不失真状态下的输出波形用直流工作点分析得到此状态下的静态工作点参数如下：图1.7 最大不失真状态下的静态工作点分析不失真状态下的静态工作点为：IBQ=4.53658uA，IcQ=546.54625uA，VCEQ=V4-V7=6.53460-2.75538=3.77922V，VBEQ=V3-V7=3.36376-2.75538=0.60838V。（2） 测试三极管在最大不失真状态下的、rbe、rce值。1） 求解： = IcQ/IBQ =546.54625/4.53658=120.482） 输入特性曲线及的测量将处于最大不失真工作状态的三极管复制出来，按照其直流工作点赋予其等效直流源电压值，电路图如下：图1.8 三极管输入特性曲线电路测试图运用直流扫描分析，得三极管输入特性曲线如下图：图1.9 三极管输入特性曲线由公式得 rbe=dx/dy=7.46k。3） 输出特性曲线及的测量取三极管，重新搭接电路，其中Ib取上述测出的IbQ的值，电路图如下：图1.10 三极管输出特性曲线电路测试图将Ib、Vce均作为分析参数进行直流扫描，即可获得三极管在为不同取值时的输入特性曲线：图1.11 三极管输出特性曲线再次利用直流扫描分析，画出三极管在最大不失真状态，即Ib=4.53658uA时的输出特性曲线如下：图1.12 Ib=IBQ时三极管输出特性曲线由公式得，rce=dx/dy=23.99k。（3） 电路基本参数的测定1） 电压放大倍数的测定电路图如下：图1.13 电压放大倍数测定电路电压增益测量值AV=Uo/Ui=247.15/3.535=69.9电压增益理论值Av=-(R3/RL/rce)/rbe= -71.78相对误差E=（71.78-69.9）/71.78=2.6%2） 输入电阻的测定电路图如下：图1.14 输入电阻测定电路输入电阻测量值：Ri=Ui/Ii= 4.92k输入电阻理论值：Ri=R4/R2/rbe=4.90k相对误差E=（4.92-4.90）/4.90=0.4%3） 输出电阻的测定电路图如下：图1.15 输出电阻测定电路输出电阻实验值：Ro=Uo/Io=7.06k输出电阻理论值：Ro=R3/rce=7.05相对误差E=（7.06-7.05）/7.05=0.1%4） 电路的幅频和相频特性图：对设计的单极放大电路做交流分析，得到幅频和相频特性曲线：图1.16 幅频相频特性曲线根据曲线可得：上下限频率 fL=263.5429Hz 、fH =2.8175MHz 带宽 BW=2.8173MHz四、实验小结通过本次单级放大电路的设计和仿真实验，我们掌握了multisim的基本操作，对单级放大电路有了更加深刻的理解，对三极管的小信号模型、性能参数，单级放大电路的各项性能指标有了感性的认识，这些都是在平时上课过程中学习不到的东西。在此过程中，我们掌握了放大电路静态工作点的分析、三极管输入输出曲线、放大电路幅频和相频特性曲线的绘制，以及电路参数的计算方法等等。由相对误差计算来看，本次实验基本成功。实验二 差动放大电路的设计与仿真一、实验目的1、掌握长尾式差动放大电路静态工作点的调试方法和电路参数测试。2、掌握长尾式差动放大电路差、共模增益的测试方法。二、实验要求1.设计一个长尾式差动放大电路，给定阻值为 100k的射极公共电阻，要求空载时的大于20。2.测试电路两个三极管的静态工作点值和在该静态工作点下的、值。3.空载下给电路分别输入差模和共模交流小信号，分别测试电路的双端输出的差模增益、单端输出的差模增益、双端输出的共模增益以及单端输出的共模增益值。 三、实验步骤（一）差动放大电路原理图图2.1差动放大电路原理图由数据计算得：Avd=284.762/10=28.520，电路符合要求。（二）静态工作点值和、值测定因为Q1和Q2完全对称，所以其b 、 rbe 、rce值完全相同，测试结果如下：图2.2 静态工作点分析由数据计算得：IB1=IB2=451.06691nA , IC1=IC2=56.89644uAVCEQ1=VCEQ2=V1-V3=V5-V3=11.677VVBEQ1=VBEQ2=V2-V3=V4-V3=530.49880mV测试三极管在此静态工作点下的、rbe、rce值。4） 求解： = IcQ/IBQ =56.89644/0.45107=126.145） 输入特性曲线及的测量将处于该静态工作点的三极管复制出来，按照其直流工作点赋予其等效直流源电压值，电路图如下：图2.3 三极管输入特性曲线电路测试图运用直流扫描分析，得三极管输入特性曲线如下图：图2.4 三极管输入特性曲线由公式得 rbe=dx/dy=75.7k。6） 输出特性曲线及的测量取三极管，重新搭接电路，其中Ib取上述测出的IbQ的值，电路图如下：图2.5 三极管输出特性曲线电路测试图将Ib、Vce均作为分析参数进行直流扫描，得出在Ib=IBQ时三极管的输出特性曲线：图2.6 Ib=IBQ时三极管输出特性曲线由公式得，rce=dx/dy=370.75k。（三）电路电压增益的测量（1） 双端输出差模增益益图2.7双端输出差模增益测量电路测量值 AVD=Uo/Ui=284.762/10=28.48理论值 AVD=-b（Rc/Rce）/Rbe=-24.99相对误差E=（28.48-24.99）/24.99=13.9%（2） 单端输出的差模增益图2.8 单端输出差模增益测量电路测量值 AVD1=Uo/Ui=142.383/10=14.24理论值 AVD1=-b（Rc/Rce）/2Rbe=-12.50相对误差E=（14.24-12.50）/12.50=13.9%（3） 双端输出的共模增益图2.9双端输出共模增益测量电路测量值 AVC=Uo/Ui0理论值 AVC=0相对误差E=0%（4） 单端输出的共模增益图2.10 单端输出共模增益测量电路测量值 AVC1=Uo/Ui=369.648/5000=0.0739理论值 AVC1=-b（Rc/Rce）/Rbe+2(1+)Ree=0.0713相对误差E=（0.0739-0.0713）/0.0713=3.6%4、 实验小结从上述计算结果可以看出，差模电压增益实测值与理论值的误差相对较大，而共模电压增益实际测量值与理论值的误差相对较小。实验误差产生的原因可能是在用斜率求解rbe、rce时取点不够精准，计算结果有所偏差。实验三 负反馈放大电路的设计与仿真一、实验目的1、掌握阻容耦合放大电路静态工作点的调试。2、了解负反馈对电路放大倍数、输入输出电阻和频率特性的影响。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(有效值1mv) ，负载电阻10k，电压增益在100-200倍之间。2.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。改变输入信号幅度，观察负反馈对电路非线性失真的影响。三、实验步骤（一）阻容耦合两级电压放大电路原理图（1）未引入反馈图3.1未引入负反馈原理图（2） 引入电压串联负反馈图3.2引入负反馈原理图（2） 负反馈接入前后放大倍数AV、输入电阻、输出电阻的测定（1） 电压放大倍数AV接入前：图3.3未引入负反馈电压放大倍数由测量数据计算得： Av=VO/Vi=174.715/0.999962=174.72接入后：图3.4引入负反馈电压放大倍数由测量数据计算得： Av=Vo/Vi=3.481/0.999962=3.48结论：引入电压串联负反馈，使电压放大倍数减小。（2） 输入电阻接入前：图3.5未引入负反馈输入电阻由测量数据计算得： Ri=Vi/Ii=999.962/0.169813=5.89k接入后：图3.6引入负反馈输入电阻由测量数据计算得： Ri=Vi/Ii=999.955/0.155946=6.41k结论：引入电压串联负反馈，使输入电阻增大。（3） 输出电阻接入前：图3.7未引入负反馈输出电阻由测量数据计算得： Ro=V0/Io=999.962/1.526=655.28接入后：图3.8引入负反馈输出电阻由测量数据计算得： Ro=Vo/Io=999.962/109.273=9.15结论：引入电压负反馈，使输出电阻减小。（4）验证AF=1/kf图3.9验证AF=1/kf线路图由数据可得：ViVf 因为Kf=Vf/Vo ， AF=Vo/Vi 所以AF=1/kf（3） 负反馈接入前后电路的幅频特性分析接入前的幅频特性曲线：图3.10未引入负反馈幅频特性fL=333.5975Hz ， fH=204.3611kHz带宽BW=204.0275kHz接入后的幅频特性曲线：图3.11引入负反馈幅频特性fL=31.6598Hz ， fH=14.8561MHz带宽BW=14.8561MHz结论：引入电压串联负反馈可以扩展宽频带。（4） 负反馈对电路非线性失真的影响（1） 接入负反馈前当信号源幅度为1mV时，可以被不失真放大，输出波形如下：图3.12信号源幅度为1mV调节信号源幅度至5mV时，输出波形开始失真，输出波形如下：图3.13信号源幅度为5mV当信号源幅度为10mV时，输出波形明显失真：图3.14信号源幅度为10mV（2） 接入负反馈后当信号源幅度为1mV时，可以被不失真放大，输出波形如下：图3.15信号源幅度为1mV调节信号源幅度为10mV，输出波形仍为正常放大状态：图3.16信号源幅度为10mV当信号源幅度为400mV时，波形开始出现失真：图3.17信号源幅度为400mV当信号源幅度为500mV时，波形出现明显失真：图3.18信号源幅度为500mV结论：引入电压串联负反馈，可以减小非线性失真。四、实验小结由本实验得出的结论是，如果对电路引入电压串联负反馈1、 可以减小电压放大倍数、增大输入电阻、减小输出电阻； 2、减小其下限频率，增大其上限频率，从而使其通频带变宽；3、增大电路不失真放大的最大信号幅度，减小非线性失真。实验四 阶梯波发生器电路的设计一、实验目的1、掌握阶梯波发生器电路的工作原理。2、掌握分段调试的方法和技巧。3、学习复杂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60ms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（一）阶梯波发生器原理框图：图4.1阶梯波发生器原理框图为了设计一个阶梯波发生器，首先考虑由一个方波电路产生方波，其次，经过微分电路输出得到上、下都有的尖脉冲，然后经过限幅电路，只留下所需的正脉冲，再通过积分电路后，因脉冲作用时间很短，积分器输出就是一个负阶梯。对应一个尖脉冲就是一个阶梯，在没有尖脉冲时，积分器的输出不变，在下一个尖脉冲到来时，积分器在原来的基础上进行积分，因此，积分器就起到了积分和累加的作用。当积分累加到比较器的比较电压，比较器翻转，比较器输出正值电压，使振荡控制电路起作用，方波停振。同时，这正值电压使电子开关导通，使积分电容放电，积分器输出对地短路，恢复到起始状态，完成一次阶梯波输出。积分器输出由负值向零跳变的过程，又使比较器发生翻转，比较器输出变为负值，这样振荡控制电路不起作用，方波输出，同时使电子开关截止，积分器进行积分累加，如此循环往复，就形成了一系列阶梯波。1、 方波发生器首先使用一个运放构成滞回比较器，其上下门限电压为。再由和Rf发生多谐震荡信号，可以求得周期T=2C1Rfln（1+2R1/R2）。可以调整和Rf的电容或电阻值来改变方波的周期。电路图如下：图4.2方波发生器输出波形为：图4.3方波发生电路输出波形2、微分电路微分电路由电容和电阻R4构成。由方波发生器产生的方波信号，经过微分电路变为了一个个向上或向下的脉冲波形。电路图如下：图4.4微分电路线路图输出波形为：图4.5微分电路输出波形3、 限幅电路 限幅电路由一个二极管构成，所利用的就是二极管的单向导电性。经过限幅电路，我们将上一步微分电路所得的尖脉冲波形的负半周滤掉，得到单边尖脉冲波形。电路接线图如下：图4.6限幅电路线路图输出波形为：图4.7限幅电路输出波形4、 积分累加电路积分电路可将前一步所得到的尖脉冲信号进行积分，得到一级级下降的阶梯信号。电路连线图如下：图4.8积分累加电路线路图输出波形如图：图4.9积分累加电路输出波形5、电压比较器和控制开关由于要求不断产生阶梯个数为5个的阶梯波，所以需要在积分电路输出端电压下降到某一值时使其发生跳变，这一功能可以用比较器和电子开关来实现。电路原理图如下：图4.10阶梯波发生电路输出波形为：图4.11阶梯波发生电路输出波形（2） 确定影响阶梯波电压范围和周期的元器件（1） 改变参数至：C1=50nF，得到波形：图4.12 C1=50nF时波形此时周期T30ms，说明阶梯波的周期与C1成正比。（2） 改变参数至：Rf=142k，得到波形：图4.13 Rf=142k时波形此时周期T120ms，说明阶梯波周期与Rf成正比。（3） 改变参数至：R1=60k、R2=30k，得到波形：图4.14 R1=60k、R2=30k时波形此时波形未发生变化。（4） 改变参数至：R1=60k、R2=40k，得到波形：图4.15 R1=60k、R2=40k时波形此时周期T73ms，说明阶梯波的周期与R1/R2有关。（5） 改变参数至：C3=30nF，得到波形：图4.16 C3=30nF时波形此时周期、阶梯个数发生变化。（6） 改变参数至：R5=15k，得到波形：图4.17 R5=15k时波形此时周期不变但电压输出范围变小，说明电压输出范围