模电部分课程设计.doc

模拟电子技术的计算机仿真和分析基于Multisim 10.0的模电课程设计09级电气二班2组制作作者：张琛云、李琳琳、闪青、陶新冬、苏航、王冰牛松山、洪浩、周景、刘淼目 录第一章：对Multisim10.0的介绍21.1 EDA的简介21.2 Multisim概述21.3 Multisim 10.0 概述31.4 Multisim10.0的功能4第二章：对集成运放中的电流源的仿真72.1 集成运放电路概述72.2 对集成运放中基本电流源电路的仿真82.2.1 对镜像电流源电路的仿真82.2.2 对比例电流源电路的仿真92.2.3 对微电流源电路的仿真122.2.4 对多电流电路的仿真求解13第三章：对放大电路的频率响应的仿真163.1 频率响应概述163.2 分别用仿真软件测试高低通电路的幅频和相频特性163.3 用软件仿真得到电路的截止频率和波特图213.4 Mulisim对静态工作点稳定电路频率响应的研究24参 考 文 献27第一章：对Multisim10.0的介绍1.1 EDA的简介EDA就是“Electronic Design Automation”的缩写技术已经在电子设计领域得到广泛应用。发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。一台电子产品的设计过程，从概念的确立，到包括电路原理、PCB版图、单片机程序、机内结构、FPGA的构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计，再到PCB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在计算机上完成。EDA技术借助计算机存储量大、运行速度快的特点，可对设计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。EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术手段。美国NI公司（美国国家仪器公司）的Multisim 9软件就是这方面很好的一个工具。而且Multisim 9计算机仿真与虚拟仪器技术（LABVIEW 8）（也是美国NI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老大难问题。学员可以很好地、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仪表。极大地提高了学员的学习热情和积极性。真正的做到了变被动学习为主动学习。这些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员的教学也是一个很好的提高和促进。1.2 Multisim概述Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。NI公司推出的Multisim有9、10、11等版本。目前在各高校教学中普遍使用Multisim10.0，网上最为普遍的也是Multisim 10.0。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者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。NI Multisim软件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和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。 1.3 Multisim 10.0 概述IN公司对Mutisim 9进行了大量的改进继而推出性能更为强大的Multisim 10.0使得电路的设计和仿真更加便利。其主要的性能改进有以下几点1、通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路 2、通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为 3、借助高级电路分析, 理解基本设计特征 通过一个工具链, 无缝地集成电路设计和虚拟测试 一、Multisim10.0的主要组成部分：1构建仿真电路2 仿真电路环境 3 multimcu- 单片机仿真4 FPGA、PLD，CPLD等仿真 5 FPGA、PLD，CPLD等仿真 6 通信系统分析与设计的模块 7 PCB设计模块：直观、层板32层、快速自动布线、强制向量和密度直方8自动布线模块 二、仿真的内容：1 器件建模及仿真； 2 电路的构建及仿真； 3 系统的组成及仿真； 4 仪表仪器原理及制造仿真。 三、仿真用到的器件：1、器件建模及仿真：可以建模及仿真的器件： 2、模拟器件（二极管，三极管，功率管等）； 3、数字器件（74系列，COMS系列，PLD，CPLD等）； 4、FPGA器件。 四、电路的构建及仿真：1、单元电路、功能电路、单片机硬件电路的构建及相应软件调试的仿真。2、系统的组成及仿真：Commsim是一个理想的通信系统的教学软件。他很适合用于如“型号与系统”、“通信工程”、“网络”等课程，难度适合从一般介绍到高级。使学生学的更快并且掌握的更多。Commsim含有200多个通用通信和数学模块，包含工业中的大部分编码器，调制器，滤波器，信号源，信道等，Commsim 中的模块和通常通信技术中的很一致，这可以确保你的学生学会当今所有最重要的通信技术。 要观察仿真的结果，操作者可以有多种选择：时域，频域，XY图，对数坐标，比特误码率，眼图和功率谱。 3、仪表仪器的原理及制造仿真：可以任意制造出属于自己的虚拟仪器、仪表，并在计算机仿真环境和实际环境中进行使用。 4、PCB的设计及制作：产品级版图的设计及制作。1.4 Multisim10.0的功能 一、对元器件的管理EDA软件所能提供的元器件的多少以及元器件模型的准确性都直接决定了该EDA软件的质量和易用性。Multisim为用户提供了丰富的元器件，并以开放的形式管理元器件，使得用户能够自己添加所需要的元器件。 Multisim以库的形式管理元器件，通过菜单Tools/ Database Management打开Database Management（数据库管理）窗口（如下图所示），对元器件库进行管理。 在Database Management窗口中的Daltabase列表中有两个数据库：Multisim Master和User。其中Multisim Master库中存放的是软件为用户提供的元器件，User是为用户自建元器件准备的数据库。用户对Multisim Master数据库中的元器件和表示方式没有编辑权。当选中Multisim Master时，窗口中对库的编辑按钮全部失效而据此用户可以通过选择User数据库，进而对自建元器件进行编辑管理。 在Multisim Master中有实际元器件和虚拟元器件，它们之间根本差别在于：一种是与实际元器件的型号、参数值以及封装都相对应的元器件，在设计中选用此类器件，不仅可以使设计仿真与实际情况有良好的对应性，还可以直接将设计导出到Ultiboard中进行PCB的设计。另一种器件的参数值是该类器件的典型值，不与实际器件对应，用户可以根据需要改变器件模型的参数值，只能用于仿真，这类器件称为虚拟器件。它们在工具栏和对话窗口中的表示方法也不同。在元器件工具栏中，虽然代表虚拟器件的按钮的图标与该类实际器件的图标形状相同，但虚拟器件的按钮有底色，而实际器件没有。并且相同类型的实际元器件和虚拟元器件的按钮并排排列，并非所有的是元器件都设有虚拟类的器件。 在元器件类型列标中，虚拟元器件类的后缀标有Virtual。 二、输入并编辑电路输入电路图是分析和设计工作的第一步，用户从元器件库中选择需要的元器件放置在电路图中并连接起来,为分析和仿真做准备。 1、设置Multisim的通用环境变量 为了适应不同的需求和用户习惯，用户可以用菜单Option/Preferences打开Preferences对话窗口，如下图所示。 通过该窗口的6个标签选项，用户可以就编辑界面颜色、电路尺寸、缩放比例、自动存储时间等内容作相应的设置。 以标签Workspace为例，当选中该标签时，Preferences对话框如下图所示： 在这个对话窗口中有3个分项： Show：可以设置是否显示网格，页边界以及标题框。 Sheet size：设置电路图页面大小。 Zoom level：设置缩放比例。 其余的标签选项在此不再详述。 2、取用元器件 取用元器件的方法有两种：从工具栏取用或从菜单取用。下面将以74LS00为例说明两种方法。 从工具栏取用：Design工具栏Multisim Master工具栏TTL工具栏;74LS按钮 从TTL工具栏中选择74LS按钮打开这类器件的Component Browser窗口，如下图所示。其中包含的字段有Database name（元器件数据库），Component Family（元器件类型列表），Component Name List（元器件名细表），Manufacture Names（生产厂家），Model Level-ID（模型层次）等内容。 从菜单取用：通过Place/ Place Component命令打开Component Browser窗口。该窗口与上图一样。 选中相应的元器件 在Component Family Name中选择74LS系列，在Component Name List中选择74LS00。单击OK按钮就可以选中74LS00，出现如下备选窗口。7400是四/二输入与非门，在窗口种的Section A/B/C/D分别代表其中的一个与非门，用鼠标选中其中的一个放置在电路图编辑窗口中，如左图所示。器件在电路图中显示的图形符号，用户可以在上面的Component Browser中的Symbol选项框中预览到。当器件放置到电路编辑窗口中后，用户就可以进行移动、复制、粘贴等编辑工作了，在此不再详述。 3、将元器件连接成电路 在将电路需要的元器件放置在电路编辑窗口后，用鼠标就可以方便地将器件连接起来。方法是：用鼠标单击连线的起点并拖动鼠标至连线的终点。在Multisim中连线的起点和终点不能悬空。 三、虚拟仪器及其使用对电路进行仿真运行，通过对运行结果的分析，判断设计是否正确合理，是EDA软件的一项主要功能。为此，Multisim为用户提供了类型丰富的虚拟仪器，可以从Design工具栏;Instruments工具栏，或用菜单命令（Simulation/ instrument）选用这11种仪表，如下图所示。在选用后，各种虚拟仪表都以面板的方式显示在电路中。 下面将11种虚拟仪器的名称及总结如下表： Multimeter （万用表） Function Generator （波形发生器） Wattermeter （瓦特表） Oscilloscape （示波器 ）Bode Plotter （波特图图示仪） Word Generator （字元发生器） Logic Analyzer （逻辑分析仪） Logic Converter （逻辑转换仪 ）Distortion Analyzer （失真度分析仪） Spectrum Analyzer （频谱仪） Network Analyzer （网络分析仪） 在电路中选用了相应的虚拟仪器后，将需要观测的电路点与虚拟仪器面板上的观测口相连，可以用虚拟示波器同时观测电路中两点的波形。 双击虚拟仪器就会出现仪器面板，面板为用户提供观测窗口和参数设定按钮。双击图中的示波器，就会出现示波器的面板。通过Simulation工具栏启动电路仿真，示波器面板的窗口中就会出现被观测点的波形，和各种仿真结果。第二章：对集成运放中的电流源的仿真2.1 集成运放电路概述一、集成运放的电路结构特点 1直接耦合方式，充分利用管子性能良好的一致性采用差分放大电路和电流源电路。2用复杂电路实现高性能的放大电路，因为电路复杂并不增加制作工序。3用有源元件替代无源元件，如用晶体管取代难于制作的大电阻。4采用复合管。二、集成运放电路的组成及各部分的作用集成运放电路方框图偏置电路：为各级放大电路设置合适静态工作点。采用电流源电路。输入级：前置级，多采用差分放大电路。要求Ri大，Ad大， Ac小，输入端耐压高。中间级：主放大级，多采用共射放大电路。要求有足够的放大能力。输出级：功率级，多采用准互补输出级。要求Ro小，最大不失真输出电压尽可能大。三、集成运放的电压传输特性下图就是运放电路的符号以及电压传输特性图由图可知电压传输特性 ： 在线性区：UoAod(UpUn)， Aod是开环差模放大倍数。 由于Aod高达几十万倍，所以集成运放工作在线性区时的最大输入电压(UpUn)的数值仅为几十一百多V。当其大于此值时，集成运放的输出不是UOM , 就是UOM，即集成运放工作在非线性区。集成运放的符号和电压传输特性2.2 对集成运放中基本电流源电路的仿真集成运放电路中的晶体管和场效应管，除了作为放大管外，还构成电流源电路，为各级提供合适的静态电流源。其构成的基本电流源有镜像电流源、比例电流源、微电流源。本节将对这三种电流源的电路结构进行仿真验证。2.2.1 对镜像电流源电路的仿真 由晶体管构成的镜像电流源如图2.所示：图 2. 镜像电流源图中管子特性完全相同，因为的O管压降UCEO与其间电压BEO相等，从而保证O工作在放大状态，而不可能进入饱和状态,故集电极电流ICOO*IBO。图中O和1的间电压相等，故他们的基极电流IBOIB1IB。而由于电流放大系数O1，故集电极电流ICOIc1IcIb可见，由于电路的这种特殊接法，使C1和ICO呈镜像关系，故称此电路为镜像电流源IC1为输出电流仿真：设，则仿真电路图及结果如图2.2所示。图 2.2 仿真电路及结果由万用表得出：Ir14.297 ，Ic14.197，在误差允许的范围内，IrIc，所以试验成功，定理成立。该电流源可以为各级电路提供稳定电流。 图2.1所示电路中，电阻Reo和Re1均为负反馈电阻，具有对电路起温度补偿作用，当温度升高时，Ic0增大，对应Ir上升，致使R两端电压上升，由于分压作用吗，致使B点电位下降，所以Ib减小，致使Ic1减小，近而使Ic1保持稳定。温度降低时，过程相反。故该电路可以为其他各级电路提供稳定的直流电流。 2.2.2 对比例电流源电路的仿真由晶体管构成的比例电流源如图2.3所示：比例电流源电路改变了镜像电流源中TC1=Ir的关系，而使IC1可以大于Ir或小于Ir，与Ir成比例关系，从而克服了镜像电路的上述缺点。从电路图可知UBEO+IEQRe0=UBE1+IE1Re1根据晶体管发射结电压与发射极电流的近 似关系可得 UBEUTlnIEIS由于T0与T1的特性完全相同，所以图 2.3 比例电流源UBE0-UBE1UTlnIE0IE1带入可得IE1Re1IE0Re0+UTlnIE0IE1当2时，IC0IE0IR，IC1IE1所以IC1Re0Re1IR+UTRe1lnIRIC1在一定的取值范围内，若上式的对数项可以忽略，则IC1Re0Re1IR可见，只要改变Reo和Re1的阻值，就可以改变Ic1和Ir的比例关系。基准电流IRVCC-UBE0R+Re0与典型的静态工作点稳定电路一样，Reo和Re1是电流负反馈电阻，因此，与镜像电流源比较，比例电流源的输出电流IC1具有更高的温度稳定性。仿真：比例电流源仿真电路图如下（设R1=1K，Re0=1K，Re1=2K，R4=2K,Vcc=12V） 其仿真电路图如图2.4所示图 2.4 比例电流源仿真电路图仿真所得，各万用表的视数如图2.5所示，所以可知IR=5.675mA，IEO=59.508 mA，IC1=2.801 mA，IE1=29.31 mA则I1I4=I2I3可知IC1和IR是成比例关系的，只要改变Reo和Re1的阻值，就可以改变电流的比例关系。图2.3所示电路中，电阻Reo和Re1均为负反馈电阻，具有对电路起温度补偿作用，当温度升高时，ICO增大，对应IR上升，致使R两端电压上升，由于分压作用吗，致使B点电位下降，所以Ib减小，致使IC1减小，近而使IC1保持稳定。温度降低时，过程相反。故该电路可以为其他各级电路提供稳定的直流电流。图 2.5 仿真结果 2.2.3 对微电流源电路的仿真由晶体管构成的镜像电流源如图2.6所示：集成运放输入级放大管的集电极静态电流很小，往往只有几十个微安，甚至更小。为了只采用阻值较小的电阻，而又获得较小的输出电流I,可以将比例电流源中的Reo的阻值减小到零，便得到如图所示的微电流源电路。显然，当1时，T1管集电极电流Re式中只有几十毫伏，甚至更小，因此，只要几千欧的基极电阻，就得到几十微安的电流。图中T1与T0特性完全相同，根据式图 2.6 镜像电流源IC1UTRelnIRIC1可得在已知Re的情况下，上式对Ic1而言是超越方程，可以通过图解法或累试法解出Ic1。式中基准电流在设计电路时，首先应确定Ir和Ic1的数值，然后求出R和Re的数值。例如，若 VCC=15 V,IR=1 mA,UBE0=0.7 V,UT=26 mV,IC1=20 uA,则根据式可得R=14.3 k，根据公式可得Re=5.09 k仿真电路图如图2.7图 2.7 微电流源仿真电路 图 2.8 仿真结果如图2.8所示即为仿真后电流表的示数。由仿真结果可知该电路确实可以提供大小仅为几十微安的直流电流。即该电路可作为微电流源使用。2.2.4 对多电流电路的仿真求解例题1：多路电流源电路如图2.9所示，已知所有晶体管特性均相同，UBE均为0.7V。试求IC1、IC2各为多少？图 2.9（一）解：由电路KVL定律：VCC=IR+UBE3+UBEO代入数据得：15=IR136+20.7即 IR=(15-1.4)/136=0.1mA又因为 ICOIR所以 IC1=IC2IR=100uA图 2.10 仿真电路（二）仿真：模拟电路如图2.10：利用电路仿真结果可求得：IC1的值如图2.11 a所示，IC2的值如图2.11 b所示ba 图 2.11 仿真结果由仿真结果与常规计算结果对比可知，采用电路仿真软件可准确的计算出该集成运放电路的各项数据，仿真成功。第三章：对放大电路的频率响应的仿真3.1 频率响应概述 在放大电路中，由于电抗元件（如电容、电感线圈等）及半导体管极间电容的存在，当输入信号的频率过低或过高时，不但放大倍数的数值会变小，而且还将产生超前或滞后的相移，说明放大倍数是信号频率的函数，这种函数关系称为频率响应或频率特性。“通频带”是描述电路对不同频率信号适应能力的动态参数，任何具体的放大电路都有确定的同频带。因此，在设计电路时，必须首先了解信号的频率范围，以便使所设计的电路具有适应于该信号频率的通频带；在使用电路前也应该了解其通频带，以便确定电路的适用范围。放大电路对信号频率的适应程度，即信号频率对放大倍数的影响。由于放大电路中耦合电容、旁路电容、半导体器件极间电容的存在，使放大倍数为频率的函数。在使用一个放大电路时应了解其信号频率的适用范围，在设计放大电路时，应满足信号频率的范围要求。在放大电路中，由于耦合电容的存在，对信号构成了高通电路，即对于频率足够高的信号电容相当于短路，信号几乎毫无损失的通过，而当信号频率低到一定的程度时，电容的阻抗不可忽略，信号将在其上产生压降，从而导致放大倍数的数值减小且产生相移。与耦合电容相反，由于半导体极管间电容的存在，对信号构成了低通电路，即对于频率足够低的信号相当于开路，对电路不产生影响，而当信号频率高到一定的程度时，极间电容将分流，从而导致放大倍数的数值减小且产生相移。3.2 分别用仿真软件测试高低通电路的幅频和相频特性1. 高通电路 信号频率越高，输出电压越接近输入电压。图 3.1高通电路及其频率响应如图3.2所示ffL时放大倍数约为1图 3.2可得:（2） （1）因式（1）表明的幅值与频率的函数关系，故称之为的幅频特性；因式（2）表明的相位与频率的函数关系，故称之为的相频特性。由上式可知，当ffL时，1，0；当f=fL时，0.707，=45；当ffL时，f/fL1, f/fL,表明也f每下降10倍，下降10倍；当f趋近于零时，也趋近于零，趋于+90。由此可见，对于高通电路，频率越低，衰减越大，相移越大；只有当信号频率远高于fL时，才约等于。称fL为下限截止频率，简称下限频率，在该频率下，的幅值下降约70.7，相移恰为+45。2. 低通电路信号频率越低，输出电压越接近输入电压图 3.3低通电路及其频率响应如3.3所示图 3.4可得:（2） （1）上式(1)是的幅频特性，(2)是相频特性。对上式进行分析，当ffH时，f/fH1, f/fL,表明也f每升高10倍，下降10倍；当f趋近于无穷时，趋近于零，趋于-90。由此可见，对于低通电路，频率越高，衰减越大，相移越大；只有当信号频率远低于fH时，才约等于。称fL为上限截止频率，简称上限频率，在该频率下，的幅值下降到约70.7，相移为-45。仿真：高通电路的仿真电路图如图3.5所示图 3.5 高通电路的仿真电路仿真所得高通电路的幅频特性和相频特性分别如图3.6 a和图3.6 b所示：ab图 3.6 高通电路的幅频特性和相频特性(a) 幅频特性 (b)相频特性低通电路的仿真电路图如图3.7所示：图 3.7 低通电路的仿真电路仿真所得高通电路的幅频特性和相频特性分别如图3.8 a和图3.8 b所示：ab图 3.8低通电路的幅频特性和相频特性(a) 幅频特性 (b)相频特性分析：此仿真结果很好的验证了放大电路的频率特性：在放大电路中，由于电抗元件及半导体管极间电容的存在，当输入信号的频率过高或过低时，不但放大倍数的数值会减小，而且还将产生超前或滞后的相移。在选通器电路中，只有中频段的信号才能不衰减的通过。3.3 用软件仿真得到电路的截止频率和波特图一、例题2在图3.9所示电路中，已知Vcc=15V，Rs=1k，Rb=20k，Rc=RL=5k，C=5uf;晶体管的UBEQ=0.7v，rbb=100，B=100，fB=0.5MHz，Cob=5pF。试估计电路的截止频率fH和fL，并画出Aus的波特图。图 3.9V11 Vrms 6kHz R11kR220kR35kR45kC15uFVCC15VQ1ZTX32515420（一）解:（1） 求解Q点IBQ=Vcc-UBEQRb-UBEQRs=15-0.720-071mA=0.015 mAICQ=BIBQ=(1000.015)Ma=1.5mAUceq=Vcc-IcqRc=15-1.55V=7.5 V可见，放大电路的Q点合适。（2） 求解混合模型中的参数rbe=1+BUtIbq=UtIbq=260.0151733C=12rbefB-Cu12rbefB-Cob=（1012217335105-5）pF178pFgm=IEQUT0.0577 SK=UceUbe=-gm(Rc/RL) -144C=C+1-KCu178+1445pF=898pF(3) 求解fH和fLfH=12rberbb+RsRbC 因为RsRb，所以fH=12rberbb+RsC 121733（100+1000）1733+（100+1000）89810-12Hz263000Hz=263kHzfH=12（Rc+RL）C=12(5103+5103)510-6Hz3.2Hz(4) 画出Aus的波特图根据上述的计算结果可得到Aus=AusmjffL1+jffL（1+jffH）-85（jf3.2）1+jf3.2（1+jf263103）所以有201g|Ausm|38.6dB，Aus的波特图由仿真得到的结果给