南理工EDA1实验报告

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业 南 京 理 工 大 学 EDA设计（）实验报告作 者:学 号：学院(系):电子工程与光电技术学院专 业:电子信息工程 指导老师： 实验日期： 2013年8.26 8.30 摘 要 本报告主要概述了有关模电方面的4个实验：单级放大电路的设计以及电路各参数的计算和分析差动放大电路的设计以及电路各参数的计算和分析多级放大电路的设计以及引入负反馈对电路各参数的影响阶梯波发生器电路的设计 文中对电路中各个参数对电路性能的影响做了详细的实验和数据分析，并和理论数据进行对比，帮助我

2、们更深刻的理解模拟电路中理论与实验的关系，指导我们更好的学习。 关键词 模拟电路设计 实验分析 理论对比 Abstract This report mainly describes 4 experiments of analog electronic circuit：Calculation and analysis of single stage amplifier circuit design and circuit parametersCalculation and analysis of the differential amplifier circuit design and circ

3、uit parametersDesign of multistage amplifier circuit and negative feedback effects on various parameters of the circuit.The design of wave generator circuit ladder The article on the various circuit parameters on circuit performance in detail the experiments and data analysis, and compare data and t

4、heory to help us gain a deeper understanding of analog circuits in the relationship between theory and experiment, to guide us to better learning. Keywords Analog Circuit Design Experimental analysis Theoretical comparison 目 录实验一1实验二14实验三21实验四29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整与测试方法。2、掌握放大电路的动态

5、参数的测试方法。3、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1mV），负载电阻20K，电压增益大于100。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。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。在此状态测试：电路静态工作点；三极管的输入电阻、输出电阻和电压增益；电路的输入电阻、输出电阻和电压增益；电路的频率响应和、值。三、实验原理当给放大电路的静态工作点太高时，会发生饱和失真；当静态工作点设置的太低时，容易发生截

6、止失真；只有静态工作点设置得合适，使三极管工作在放大区，才能保证三极管具有电流放大作用。当静态工作设计得合适时，三极管具有电流放大作用。通过适当的外接电路，可实现电压放大。表征放大电路放大特性的交流参数有电压放大倍数、输入电阻、输出电阻。由于电路中有电抗性元件存在，另外三极管的PN结中存在结电容，所以对于不同频率的输入交流信号，电路的电流放大倍数不同。电路的放大倍数与频率的关系称为频率特性，包括幅频特性和相频特性。四、实验步骤1、单级放大电路的实验原理图图1.1 单级放大电路的实验原理图元器件列表： V1 V2R2R3R4R5R6C1C2C3 1mV 10kHz 12V2.4K20K20K1.

7、5K变阻器10uF10uF10uF 图1.2 元器件列表2、各种工作状态下的输出波形和静态工作点值：1）当滑动变阻器接入阻值为24k 的时候，输出波形出现饱和失真：图1.3 输出电压饱和失真波形此时的静态工作点为：图1.4 饱和失真时静态工作点即： 2）当滑动变阻器接入值为435 k的时候，输出波形出现截止失真：图1.5 截止失真时输出波形此时，失真现象不是很明显，但由输出波形可以看出，并且此时 ， 接近12V，所以可以断定电路出现截止失真。 图1.6 测图1.7 截止失真测静态工作点即： 3）当滑动变阻器输入电阻为27k时，此时的输出波形为满足实验要求的不失真且信号幅度尽可能大时的输出信号波

8、形图。 图1.8 不失真且信号幅度尽可能大时的输出波形 图1.9 不失真且信号幅度尽可能大时静态工作点此时静态工作点：即： 3、三极管的测量（均为在原电路的静态工作点下）：三极管的输入特性曲线 图1.10 电路图 图1.11 输入特性曲线2）求的实验图和测试结果 局部放大图1.12 求图表3）三极管的输出特性曲线实验电路图:：图1.13 作输出特性曲线电路图 图1.14 输出特性曲线4）的计算： 图1.15 求5）的计算参照3）电路，将直流电流源读数设置成10.1129uA。采用直流扫描分析得; 图1.16 求4、测图量输入、输出电阻和电压增益：1）输入电阻测量： 实验电路图：图1.17 测输

9、入电阻由实验数据得: 理论计算得: 误差为：2）输出电阻测量：图1.17 测输出电阻由实验数据得： 理论计算得： 误差为： 3)电压增益测量有实验数据得： 理论计算得：误差为：5、电路的幅频和相频特性曲线： 1）幅频和相频特性曲线 从幅频特性上可看出，最大电压增益43.6dB，通频带为增益下降3dB时对应的频率之差，所以对应两个标尺所示的下限频率为1.5956kHz，上限频率为9.8325MHz所以， 五、实验数据分析和结论1.所求电路参数理论值和实验值总结为下表：参数 测量值 理论值 误差/% / 2.1215 _ _ _ _ _ _ _ _ _ / 35.71 _ _ _ _ _ _ _

10、_ 216.315 220 1.757 / 1.66 1.69 1.775/ 2.3586 2.2489 4.88 231.1 206 3.45注：“”表示未知2. 对静态工作点的分析1）出现饱和失真的原因：过小，过于靠近三极管饱和区。当输入的信号过大时，会使波形的下半部分被削平，从而出现了饱和失真。2）出现截止失真的原因：过大，过于靠近三极管的截止区。当输入的信号过大时，会使波形的上半部分被削平，从而出现截止失真。而时，当输入信号达到极值时，波形的顶端任然没有到饱和区和截止区，为合适的静态工作点。实际上,最佳静态工作点满足，而（由直流负载线得），将代入前式，得，而（由交流负载线得到静态工作点

11、在交流负载线上），所以，最大不失真输出的静态工作点为（只是利用直流负载线计算的一个估计值）。3. 输入输出电阻和电压增益的分析：本实验中输入电阻的误差为1.775%，输出电阻的误差为4.88%,电压增益的误差为3.45%，原因是：计算时使用的是三极管的中频段的小信号模型，而这个模型本来就是近似的模型，必然有误差。电源本身存在内阻，还有电阻的阻值的不稳定性。误差的值较小都在可以接受的范围之内，是因为本次实验使用的信号频率为10kHz，由频率特性曲线可知，是在通频段，与使用的模型吻合较好。4.相频曲线和幅频曲线的分析：相频特性曲线和我们通常画的相频特性曲线不太一样，但当我们仔细观察后不难发现实际上

12、是一样的，在相频特性曲线跳跃处的从接近-180一下子跳到了+180，实际上由于周期性-180和+180相位实际上是重合的，也就是说将后半部分向下平移360就和我们通常画的相频特性一样。从相频特性可看出，低频段由于旁路电容和耦合电容的影响，输出为超前相位，而高频段由于晶体管极间电容的影响，输出相位是滞后的。将旁路电容变大，重复交流分析。比较两个频率特性可知，当旁路电容增加时，幅频特性的下限截止频率降低，而上限截止频率几乎没变，通频带变宽了。实验二 差动放大电路的设计与仿真实验目的掌握差动放大电路（有恒流源的差动放大电路）的静态工作点的调试方法；掌握差动放大电路的差模电压放大倍数的测试方法；掌握差

13、动放大电路的共模电压放大倍数的测试方法；实验要求设计一个带恒流源的差动放大电路，要求空载时的大于20；给电路输入直流小信号，在信号双端输入状态下分别测试电路的，的值；三、实验原理差动放大电路是模拟集成电路中的重要的单元电路，它是直接耦合多级放大电路中的第一级电路，它具有放大差模信号、抑制共模信号的良好特性，差模输入时，其输入电阻等于半边电路输入电阻的两倍。差动放大电路分为两种：长尾差动放大电路和带有恒流源的差动放大电路，长尾电路的仿真结果简单，但是当单端输出时，对共模信号的抑制能力较差，共模抑制比低；带有恒流源的差动放大电路则有极高的共模抑制比，单端输出时采用这种差动放大电路。四、实验步骤 1

14、差动放大电路实验原理图 空载时的放大倍数： 恒流源采用了比例电流源 图2.1 图2.2万用表读数 图2.2 差动放大电路原理图2.求输入为直流小信号时，测试电路的差模电压增益1）双端输出时，求 图2.3 求的电路图 图2.4 图2.3静态工作点 2）单端输出时，求 图2.5 求时电路图 图2.6 图2.5静态工作点 图2.7 图2.5万用表读数3.求输入为直流小信号时，测试电路的共模电压增益双端输出时，求 图2.8 求 时电路图图2.9 图2.8静态工作点分析图2.10 图2.8去掉直流电源静态工作点分析2）单端输出时，求 图2.11 求时电路图 图2.12 去掉直流电源静态工作点分析 图2.

15、12 不去直流电源时静态工作点分析实验三 负反馈放大电路的设计与仿真一、实验目的了解多级放大电路的原理，以及静态工作点的调试方法。了解负反馈对多级放大电路的影响，并验证。掌握多级放大电路输入电阻、输出电阻、电压放大倍数和频率特性的测试方法。二、实验原理为了获得足够高的电压放大倍数， 可通过多个基本放大电路级联而成，构成多级放大电路，其最终的放大倍数是各级的放大倍数的乘积，但电路的输出波形容易出现失真现象。为了进一步提高多级放大电路性能，如稳定电压电压增益，展宽通频带宽，减小非线性失真， 改变输入、输出电阻等，可以引入负反馈电路。电路中引入电压串联负反馈可以增大输入电阻，减小输出电阻，同时能减小

16、非线性失真。在深度负反馈时，。虽然稳定性的提高了，但是电压增益却减小了。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(峰值1mv) ，负载电阻20k，电压增益大于1002.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。实验步骤1.阻容耦合两级电压放大电路的设计实验1单级放大电路设计的电路输出信号最大并且幅度最大的静态工作点值已经求出，所以直接采用两个实验一电路加以组合构成两级电压放大电路。 图3.1 阻容耦合两级电压放大电路电路图由电压表示数知：所以放大倍数：2.引入电压串联负

17、反馈电路的实验接线图 图3.2 引入电压串联负反馈电路的实验接线图 由电压表示数知： 所以放大倍数: 3计算输入电阻，输出电阻1）反馈接入前：a.求 图3.3 反馈接入前测电路图由电表示数知：所以输入电阻：b求 图3.4 反馈接入前测Ro电路图由电表示数知：所以输出电阻：2）反馈接入后：a.求 图3.5 反馈接入后测电路图由电表示数知：所以输入电阻：b求 图3.6 反馈接入后测Ro电路图由电表示数知：所以输出电阻：4.验证是否满足方法一：可得：故： 而 所以 电路达到了深度负反馈方法二：图3.7 验证的实验原理图 所以 电路达到了深度负反馈4负反馈接入前后电路的频率特性和，以及输出开始出现失真

18、时的输入信号幅度。1）频率特性和 A.反馈接入前： 图3.8 反馈接入前，幅频和相频特性曲线图从幅频特性上可看出，最大电压增益46.35dB，通频带为增益下降3dB时对应的频率之差，即： B反馈接入后：图3.9 反馈接入后，幅频和相频特性曲线图从幅频特性上可看出，最大电压增益46.35dB，通频带为增益下降3dB时对应的频率之差，即： 5输出开始出现失真时的输入信号幅度 A.反馈接入前：图3.10 反馈接入前，输出开始出现失真波形由3.7可知，=2mV时，误差超过5%，出现截止失真，B反馈接入后:图3.11 反馈接入后，输出开始出现失真波形由3.8可知，=10mV时，误差超过5%，出现饱和失真

19、。五、实验分析和结论比较有、无负反馈的电路参数，如下表：名称无负反馈有负反馈输入电阻/10.854581输出电阻/ 2.255k19.41欧姆电压增益20867.83频带宽度Hz805.824Hz-91.11kHz21.22Hz-6.42MHz结论：电压串联负反馈使得输入电阻升高，深度负反馈时输入电阻趋于无穷。电压串联负反馈能稳定输出电压。电压串联负反馈使得输出电阻减小，深度负反馈输出电阻趋于0。电压串联负反馈能展宽通频带。电压串联负反馈能减小非线性失真。实验四 阶梯波发生器的设计与仿真一、实验目的1、掌握阶梯波发生器的结构特点。2、掌握阶梯波发生器电路的工作原理。3、学习复杂的集成运算放大电

20、路的设计。二、实验原理要设计一个负阶梯波发生器，首先考虑利用放大器滞回比较器原理和稳压二极管的稳压原理产生一个方波，通过微分电路后，输出得到上、下都有的尖脉冲信号，利用二极管的单向导通性滤去负半轴的尖脉冲信号， 只留下所需的正脉冲，再经过积分电路，实现尖脉冲信号的累加而输出的一个负阶梯。对应一个尖脉冲就是一个阶梯（一个尖脉冲的积分时间就是一个阶梯波的下降时间，尖脉冲越尖，积分时间越短，则阶梯波的积分时间越短，阶梯波越陡），在没有尖脉冲时，积分器保持输出不变，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时，比较器翻转，比较

21、器输出正电压，使振荡控制电路起作用，方波停振。同时这个正电压使电子开关导通，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，又使比较器发生反转，比较器输出变为负值，这样震荡控制电路不起作用，方波输出，同时使电子开关断开，积分器进行积分累加，如此循环往复，就形成一系列阶梯波。原理框图如下图所示。三、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40ms左右，输出电压范围10V，阶梯个数4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

22、调节，直至输出合适的阶梯波。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。四、实验步骤1设计方波发生器图4.1 方波发生器原理电路图 稳压二极管D1、D2使运算放大器输出电压限幅，R4与二者相连成为限流电路，使方波的幅度一定。当运算放大器输入端为正值（）时，运算放大器的同相输入端的电压为：此时输出电压通过Rf向电容充电，当电容上的电压等于运算放大器的同相输入端的电压时，运算放大器翻转，此时运算放大器的输出电压变为负值。运算放大器的同相输入端电压为：这是电容通过R4放电，当电容上的电压等于运算放大器的同相电压端时，运算放大器又翻转，输出电压又变成了正值，这时又给电

23、容充电。如此不断地循环下去，运算放大器输出端的电压就是一个方波。分析其充放电过程，可得周期的计算式如下：适当选择元器件数值调试，得到如上电路图。测量出一个方波时间间隔为7.91ms，则方波周期约为7.91ms。波形如下：图4.2 方波发生器输出波形2设计微分电路在方波发生器的输出端串联一个电阻和电容 ，可得到微分电路，适当调整元器件数值，得到下图所示电路图。注：电容决定周期，控制电阻决定幅值和周期。电容决定微分的程度，即决定将来积分的幅值。图4.3 方波发生器+ 微分电路图图4.4 微分电路输出的尖脉冲波形 3设计限幅电路在微分电路的基础上串上单向导通的二极管和电阻，利用二极管的单向导电性滤去

24、负半周的尖脉冲信号，只留下正半周的信号。适当调整元器件数值，电路如图所示： 图4.5 方波发生器+微分+限幅电路图图4.6 限幅电路输出的单边尖脉冲波形4积分累加电路利用集成运算放大器构成的积分器实现积分积分电路，在前一步电路的基础上连接积分累加电路。图4.7 方波发生器+微分+限幅+积分累加电路图一般的积分电路有如下公式：因为积分电路的输入端是尖脉冲，因此积分电路的积分时间很短。使输出端Vo几乎是发生突变，尖脉冲过后，积分器输出端电压保持不变，下一个尖脉冲来临时，Vo再有一个突变，则积分电路的输出电压Vo为阶梯波。由此原理可以得出一个结论，就是积分越快，得到的阶梯波坡度越大，形状越抖:即可以

25、通过减小公式中的R与C来使波形更加美观。图4.8 接入积分累加电路后输出的波形5设计周期阶梯波一般的阶梯波作扫描电路时，要生成周期性变化的阶梯波，U3组成的比较器以及场效应管组成的控制开关的作用就是使阶梯波反复循环产生。U3的同相输入端接一个负的参考电压-VR 。在阶梯波产生过程中，使比较器的输出电压为负值，此时二极管D4导通，使场效应管栅极电压为负值，而且这个负电压使场效应管处于夹断状态。这时N沟道结型场效应管不能导通，因此对积分电路没有影响。当积分器的输出端电位不断降低时，即阶梯的个数不断增加时，一旦U3的反相输入端和同相输入端的电位相同时，U3发生翻转，输出端电压变为正值。这时二极管D4

26、截止，场效应管的栅极电位为零电位，使场效应管导通，电容C3很快通过场效应管放电。在上一步的基础上加上电压比较器和开关控制电路，就组成阶梯波发生电路(中间要调试个别阻值）。图4.9 阶梯波发生电路图图4.10 输出的阶梯波形示波器测得阶梯波周期为T=59.958/3=39.74ms，电压范围为9.978V误差分析：a)对阶梯波的周期的误差进行分析本次实验中根据输出的波形图测量出阶梯波的周期为39.74ms而实验要求阶梯波的周期为40ms，其误差率为产生以上误差的有很多原因，其中主要原因是：阶梯波的周期主要是由方波发生器确定的方波电路中对周期起作用的主要是电阻R电容C共同决定的并且与他们的值成正比

27、，所以调节两个的值就可以了。但是软件给的电阻与电容的值都不是连续的所以产生了误差，产生的误差在误差允许的范围内。所以在本次实验中对周期的调整蛮成功的。b)对阶梯波的电压范围的误差进行分析本次实验中根据输出的波形图测量出阶梯波的电压范围为9.978v，而实验要求阶梯波的电压范围为10V，其误差率为产生以上误差的有也有很多原因，其中主要原因是：阶梯波的电压范围主要有积分电路确定的而在积分电路中决定电压范围的是电阻R电容C决定的，并且与他们的值成反比。其产生的主要误差与上面的差不多都是由于软件给的元器件实的值不是连续变化的所以很难调到与要求的值一样。6、确定哪些元器件值可以改变阶梯波的周期、输出电压

28、范围、阶梯个数1）C1 C1与周期正相关对输出电压范围没有影响。下图为C1减小为40nF时的波形，可见周期仅为30.885ms左右。 图4.11 改变C1后输出波形2）C2C2与周期负相关，可以改变阶梯数，对输出电压范围没有影响。图4.12为把C2用40nF代替（减小）时的波形，周期为47.458ms左右，同时阶梯个数增加了。 图4.12 改变C2后输出波形 图4.13 改变C3后输出波形3）C3C3与周期正相关并同时改变阶梯数。图4.13为C3增大为40nF时的波形，周期为55.744ms左右。4）R1R1与周期正相关对输出电压范围没有影响。下图为R1减小到135k时的波形，周期37ms左右

29、。 图4.14 改变R1后输出波形5）R2R2与周期负相关。图4.15为R2减小到20k时的波形，周期为53ms左右。6）R3R3与周期正相关对输出电压范围没有影响。图4.16为R3减小到7.5k时的波形，周期仅为31ms左右图4.15 改变R2后输出波形图4.16 改变R3后输出波形7）R4R4与周期正相关并同时改变阶梯数，对输出电压范围没有影响。图4.17为R4增大到6k时的波形，周期为49ms左右图4.17 改变R4后输出波形8）R5与周期负相关并同时改变阶梯数，对输出电压范围没有影响。当R5增大到5 k时，阶梯波的周期和台阶数都减小。图4.18 改变R5后输出波形9）R6与周期负相关并

30、同时改变阶梯数对输出电压范围没有影响。当R6减小到1.5 k时，阶梯波的周期和台阶数都增大 图4.19 改变R6后输出波形10）R7与周期正相关。图4.20为R7减小到5k时的波形，对输出电压范围没有影响，周期为31ms左右。图4.20 改变R7后输出波形11）R8与周期正相关并同时改变阶梯数对输出电压范围有影响。图4.21为R8减小到0.2k时的波形，周期为31ms左右。图4.21 改变R8后输出波形12）R9与周期正相关，对输出电压有一定的影响，成正相关。图4.22为R9减小到0.5k时的波形，周期为32ms左右，输出电压范围减小。图4.22 改变R9后输出波形13）R10与周期负相关，与

31、阶梯数负相关，对输出电压范围有影响。图4.23为R10增大到2k时的波形，周期为31ms左右。图4.23 改变R10后输出波形总结一下：元器件名称对周期影响对输出电压范围影响对阶梯数影响C1正相关无无C2负相关无改变阶梯数C3正相关无改变阶梯数R1正相关无无R2正相关无无R3正相关无无R4正相关无改变阶梯数R5负相关无改变阶梯数R6负相关无改变阶梯数R7正相关无改变阶梯数R8负相关有影响改变阶梯数R9正相关有影响改变阶梯数R10负相关有影响改变阶梯数注：未涉及到的元器件对周期和输出电压范围都没有影响。以上所指的元器件数值的改变都是在小范围内，否则会引起波形的较大失真。六、对实验的思考1. 设计

32、上升波形的周期阶梯波方法一：在下降波形周期阶梯波后加反相器，如下图 图4.24 反相器电路图 图4.25 上升波形的周期阶梯波方法二: 基于下降阶梯波类似的原理，只要使积分器输入端为负，输出端则为正值，因此滤波器滤掉正向电压即可。即使二极管D3反向。再使迟滞比较器的参考电压改为10V（可使电源V5反向）。同样，电子开关的设计也应使相关的器件反向（D4反向，N沟道结型场效应管换成P沟道结型场效应管型）即可得到上述波形。电路图如图4.26，波形图如图4.27： 图4.26 上升波形的周期阶梯波实验原理图 图4.27 上升波形的周期阶梯波实验感悟至此，所有的实验内容都做完了。回顾这几天的工作，可谓收获颇丰。一开始，只以为EDA实验就是搭几个