电子电路设计实验--仪器科学与光电工程.docx

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除电子电路设计实验仪器科学与光电工程131713尧爸爸2016.4.18此文档仅供学习与交流实验一：共射放大器分析与设计一、实验目的（1）进一步了解Multisim的各项功能，熟练掌握其使用方法，为后续课程打好基础。（2）通过使用Multisim来仿真电路，测试如图1所示的单管共射放大电路的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻，并观察静态工作点的变化对输出波形的影响。（3）加深对放大电路工作原理的理解和参数变化对输出波形的影响。（4）观察失真现象，了解其产生的原因。二、实验电路三、实验过程（1）请对该电路进行直流工作点分析,进而判断管子的工作状态。操作步骤如下：Simulate-Analyses-DC Operating Point图 1直流工作点为Ib=6.215uA，Ic=966.535uA，Uce=6.766V图 2由上V(1)为c极；V(4)为b极；V(2)为e极由此可得Ube=0.619V，Ucb=6.14710V说明发射结正偏，集电结反偏，三极管工作在放大状态。（2）请利用软件提供的各种测量仪表测出该电路的输入电阻。用万用表测量输入端的电压和电流,电路图接法如图3所示（将万用表选为交流电压和交流电流档）：图 3测量结果为：图 4经计算得到，输入电阻为3166（3）请利用软件提供的各种测量仪表测出该电路的输出电阻。这里注意一定要将输出回路断开，再接入万用表，采用测量开路电压和短路电流的方法测量输出电阻。否则测量的是最后负载电阻的阻值。用万用表测量输出端的电压和电流，接法如图如5所示（将万用表先后选为交流电压和交流电流档）：图 5测量结果为：图 6经计算得到，输出电阻为2557.23（4）请利用软件提供的各种测量仪表测出该电路的幅频、相频特性曲线。采用波特测试仪如下图7搭接电路：图 7该电路的幅频、相频特性曲线如图8所示图 8（5）请利用交流分析功能给出该电路的幅频、相频特性曲线。操作步骤如下：Simulate-Analyses-AC Operating，选择分析点为输出电压，得到下图9：图 93dB带宽是指示数为最大值的0.707时，对应的fL和fH，图中测得最大值为19.1037V，则3dB带宽应对应纵轴为13.5063V，fH=283.1MHz，fL=79.4Hz（6）请分别在30Hz、1KHz、100KHz、4MHz和100MHz这5个频点利用示波器测出输入和输出的关系，并仔细观察放大倍数和相位差。（提示：在上述实验步骤中，建议使用普通的2N2222A三极管，并请注意信号源幅度和频率的选取，否则将得不到正确的结果。）利用示波器分别得到在30Hz、1KHz、100KHZ、4MHz和100MHz五个频点的输入和输出曲线如下（其中蓝线表示输入，红线表示输出）：图10 频率为30Hz时输入输出曲线图12 频率为1KHz时输入输出曲线图 13 频率为100KHz时输入输出曲线图 14 频率为4MHz时输入输出曲线图 15 频率为100MHz时输入输出曲线通过测量列表如下（表1）：频率输入/mV输出/mV放大倍数相位差30Hz14.13716.3891.16-321KHz14.13987.4866.19-173100KHz13.94087.3096.261794MHz13.99561.4554.39134100MHz13.8813.6160.2677由（4）中的幅频、相频曲线可以测量得到在这五个频点下的放大倍数和相位差如下表2所示：频率放大倍数相位差30Hz1.19-34.131KHz6.79-172.0100KHz6.83-178.624MHz4.79133.80100MHz0.2676.71对比表1和表2可知，在同一频率下，两者所得到的放大倍数和相位差相差不大，但不完全相同，造成偏差的原因有两点：在幅频、相频曲线测量中不能很精准地对牢所要测量的频率，有很小的偏差。实验使用示波器的过程中发现示波器的示数一直在跳变，虽然跳变不大，但仍会有误差存在。(7)试改变原电路中某些电阻的阻值，以达到改变静态工作点的目的。并分别使电路产生截止失真和饱和失真，给出这时的电路原理图及其元件值。试利用直流工作点分析来说明产生这种现象的原因。截止失真时的电路原理图如图16所示： 图 16截止失真波形如图17，从中可以看出波形的上半部分明显小于下半部分，即波形的顶部失真。图 17图 18从直流工作点中可以看出Ube=0.235VUbe，故此时的静态工作点位于截止区，即此时为截止失真。饱和失真时的电路原理图如19所示 图 19饱和失真波形如图20，从中可以看出波形的下半部分明显小于上半部分，即波形的底部失真。图 20图 21从图21中可以看出Ube=0.672VUon，且UceUbe，故此时的静态工作点位于饱和区，即此时为饱和失真。实验二：射级跟随器分析与设计一、实验目的通过使用Multisim来仿真电路，测试如图2所示的射随器电路的静态工作点、电压放大倍数、输入电阻和输出电阻，并观察静态工作点的变化对输入输出特性的影响。二、实验电路三、实验过程（1）对该电路进行直流工作点分析,进而判断管子的工作状态直流工作点如图1所示图1从图1中可以看出说明发射结正偏，集电结反偏，三极管工作在放大状态。（2）利用软件提供的各种测量仪表测出该电路的输入电阻电路图接法及测量结果如图2：图 2经过计算可得输入电阻为。（3）利用软件提供的各种测量仪表测出该电路的输出电阻通过测量输出端开路电压和短路电流可以测得输出电阻，电路图接法如图3所示（将万用表先后调为交流电压和交流电流档）：图 3测量结果如图4：图 4经过计算得输出电阻为。分析：由（2）、（3）可以知道射极跟随器电路的输入电阻大而输出电阻小，说明该电路从信号源获取信号的能力强且带载能力也很好。（4）利用软件提供的各种测量仪表测出该电路的幅频、相频特性曲线。图 5通过仿真软件中提供的波特图仪可以绘制出其幅相频特性如图5所示（5）利用交流分析功能给出该电路的幅频、相频特性曲线图 6通过交流分析功能也可以得到该电路的幅相频特性曲线，对比（4），可以知道在1Hz10 GHz的频率范围内，两者的结果一致。（6）用瞬态分析法分析其电压跟随器特性，随意改变负载电阻阻值，观察输出特性有何变化。图 7我们通过结合瞬态分析与参数扫描功能，绘制出了在负载电阻为不同阻值的情况下（从）输入输出特性曲线，从图7中可以看到，在不同阻值下的输入输出特性曲线几乎完全重合，因而说明射极跟随器电路的电压跟随特性十分出色。实验三：差动放大器分析与设计一、实验目的（1）通过使用Multisim来仿真电路，测试如图3所示的差分放大电路的静态工作点、差模电压放大倍数、输入电阻和输出电阻。（2）加深对差分放大电路工作原理的理解。（3）通过仿真，体会差分放大电路对温漂的抑制作用。二、实验电路三、实验过程（1）请对该电路进行直流工作点分析,进而判断电路的工作状态。分析其直流工作点如下图1所示：图 1从图中可以看出Q1、Q2、Q3的集电极电压大于基极电压，基极电压大于发射极电压，即集电结反偏，发射结正偏，Q1、Q2、Q3工作在放大区。Q4的集电极电压等于基极电压，基极电压大于发射极电压，也满足工作在放大区的条件。（2）请利用软件提供的电流表测出电流源提供给差放的静态工作电流。电流表在电路中的接法如下图2所示：图 2电流表的参数设置为电流档及直流档，如图3所示：图 3从图中可以看出电流源供给差放的静态工作电流为721.403uA。（3）请利用软件提供的各种测量仪表测出该电路的输入、输出电阻。输入电阻测量电路及结果为(为了更好地看出连接方式，将各导线加粗)：图 4经计算得输入电阻为36.94k。输出电阻测量电路为：图 5测量结果为：图 6经计算得输出电阻为1k。（4）请利用软件提供的各种测量仪表测出该电路的单端出差模放大倍数。图 7图 8测量差模放大倍数的方法如下：先测量输入电压，将万用表接在电源两头，如图7所示的接法，双击万用表设置万用表为电压档和交流档，运行电路稳定后读出万用表的示数，即输入电压为20mV，再测量单端输出电压，将万用表接在负载两端，接法如图8所示，万用表设置不变，读出输出电压为101.096mV。由此计算单端输入单端输出差模放大倍数为5.05。（5）请利用软件提供的各种测量仪表测出该电路的幅频、相频特性曲线。使用所提供的波特图仪测该电路的幅频、相频特性曲线，波特图仪的接法如图9所示，双击波特图仪进行相关设置，设置结果如图15所示。运行该电路，点击图10中的Save按钮，保存完毕后在工作栏中的Simulate下打开所保存的文档，打开结果如图11所示，即为该电路的幅频、相频特性曲线。图 9图 10图 11（6）请利用交流分析功能给出该电路的幅频、相频特性曲线。先点击Simulate下的AC analysis，如图12所示，在弹出的窗口中设置相应参数，如图13所示，其中输出选择V(8),设置好后点击按钮即可得到该电路的幅频、相频特性曲线如图14所示：图 12图13图 14（7）请利用温度扫描功能给出工作温度从0变化到100时，输出波形的变化。图 15（温度扫描的横坐标是运行时间）(8)根据前面得到的静态工作点，请设计一单管共射电路，使其工作点和原图电路的静态工作点一样。利用温度扫描功能，给出单管共射电路工作温度从0变化到100时，输出波形的变化，比较单管共射电路与共射差分电路的区别。所设计的单管共射放大电路如图16所示：图 16其静态工作点如图17所示：图 17原图所示差动放大电路的静态工作点如图18所示：图 18比较上述两图可知所设计的单管共射电路的静态工作点与差动放大器的静态工作点基本一致。利用温度扫描功能，给出单管共射电路的工作温度从0变化到100时，输出波形变化如图19所示：图19对比图15的差动放大器的工作温度从0变化到100时，输出波形的变化可以看出，单管共射电路在温度不同时，所输出波形产生漂移；而差动放大器在不同温度下，其输出波形基本一致，只有略微的漂移。由此可看出，差分放大电路对温漂具有很好的抑制作用。实验四：集成运算放大器应用一、实验目的1. 了解集成运放的内部结构及各部分功能、特点；2. 了解集成运放主要参数的定义，以及它们对运放性能的影响。3. 掌握集成运算放大器的正确使用方法；4. 掌握用集成运算放大器构成各种基本运算电路的方法；5. 掌握根据具体要求设计集成运算放大电路的方法，并会计算相应的元件参数；6. 学习使用示波器DC、AC输入方式观察波形的方法，掌握输出波形的测量绘制方法。二、实验电路 实验过程（1）按上图搭建运放电路，观测放大倍数，并通过调节反馈电阻R5来实现改变放大器的增益。放大倍数的测量应选用示波器，其一个通道接在输入电压处，另一个通道接在输出电压处（示波器接法如第二部分实验电路所示）实验结果如图1、2、3所示，其中图2是原电路图的结果，图1和图3是改变电阻R5之后的结果，（图中红色线为输入电压，绿色线为输出电压）。图 1 R5为，R7为图 2 R5为，R7为图 3 R5为，R7为分析如下： R5为，R7为可见即放大器增益为 R5为，R7为可见即放大器增益为-1 R5为，R7为可见即放大器增益为由此可见放大器增益为=（2）调整运放的直流工作点，分析输出直流信号的幅度与参考电压的关系。实验结果如下表1所示：表1图 4 直流信号的幅度与参考电压的关系图中R4和R3串联分压，为参考电压，显然直流信号幅度与参考电压成正比，经过推导，与的关系为：结合我们实验所选电阻可得近似表达式为，符合实验结果（3）对电路进行温度扫描，分析其温度漂移特性如何。直接采用软件提供的温度仿真功能即可实现。图 5 温度漂移特性实验结果显示，其他条件相同时，不同温度对应的电压几乎完全相同，说明电路温度漂移极小，可以忽略。（4）应用AD817搭建积分器，微分器，射随器电路。积分器电路如图6所示图 6 积分器输入输出波形如图7所示图 7 积分器波形图其中绿线（A）为输入，红线（B）为输出，输入为方波信号，输出为三角波信号（示波器档位都设置为交流档）。该积分电路输出与输入的关系为：（为初始值，一般取0V）微分器电路如图8所示图 8 微分器输入输出波形如图9所示图 9微分器波形图其中绿线（A）为输入，红线（B）为输出，输入为方波信号，输出为脉冲函数，输出对应的冲击刚好与输入的边沿符号相反。该微分电路输出与输入的关系为：射随器电路如图10所示图 10 射随器输入输出波形如图11所示图 11 射随器波形图其中绿线（A）为输入，红线（B）为输出，输入为正弦函数，输出为一样的正弦函数。该射随电路的输入输出关系为：（图中由于纵坐标比例的不同，故看起来是二倍的关系，实际是相等的）（5）应用AD817搭建减法器，要求有两路信号输入，经过相减后输出，并写出减法器输出电压的表达公式。所设计的减法器如图12所示图 12 减法器该减法器输出电压的表达公式为：四、实验思考题：（1）大信号放大的特性与小信号放大特性的区别？大信号功率放大器在性能上主要要求是安全、高效率和在允许范围内不失真地输出所需信号功率，来获得大的信号功率，放大管就必须大信号运行。小信号放大器在性能上主要关注输入电阻、输出电阻、增益、频率响应和非