課程設(shè)計(jì)音頻功率放大器

1、目 錄摘要 1概述 12 pspice軟件簡(jiǎn)介 22.1 pspice 程序簡(jiǎn)介 2 2.2 pspice 功能簡(jiǎn)介 33 電路圖設(shè)計(jì) 53.1基爾霍夫定理簡(jiǎn)介 53.2節(jié)點(diǎn)電壓、支路電流電路 73.2.1設(shè)計(jì)原理圖 83.2.2參數(shù)說(shuō)明 83.2.3原理圖分析 84 仿真曲線104.1支路電流仿真曲線 104.2節(jié)點(diǎn)電壓仿真曲線 115 曲線分析 11 5.1支路電流仿真曲線分析 11 5.2節(jié)點(diǎn)電壓仿真曲線分析 126實(shí)驗(yàn)分析總結(jié) 127 課程設(shè)計(jì)心得 13 參考文獻(xiàn) 14 致謝 15摘 要在電路中任意選擇某一節(jié)點(diǎn)為參考節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)為獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的電壓成為節(jié)點(diǎn)電壓，節(jié)

2、點(diǎn)電壓的參考極性是以參考節(jié)點(diǎn)為負(fù)，其余獨(dú)立節(jié)點(diǎn)為正。由于任一支路都連接在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上，根據(jù)kvl，不難斷定支路電壓就是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓之差。如果每一個(gè)支路電流都可由支路電壓來(lái)表示，那么它也一定也可以用節(jié)點(diǎn)電壓來(lái)表示。最后由這些方程解出節(jié)點(diǎn)電壓，從而求出所需的電壓、電流。這就是節(jié)點(diǎn)電壓法。 對(duì)一個(gè)具有b條支路和n個(gè)節(jié)點(diǎn)的電路，當(dāng)以支路電壓和支路電流為電路變量列方程時(shí)，總共有2b個(gè)未知量。為了減少求解的方程數(shù)，可以利用元件的vcr將各之路電壓以支路電流表示，然后代入kvl方程，就得到以b個(gè)支路電流為未知量的b個(gè)kvl和kcl方程。這種方法稱為支路電流法。關(guān)鍵字：節(jié)點(diǎn)；電壓；回路方程；變量1 概 述 本次

3、課程設(shè)計(jì)主要目的是驗(yàn)證了節(jié)點(diǎn)電壓法和支路電流法，其中一并運(yùn)用了基爾霍夫定理列寫kcl和kvl方程。并運(yùn)用pspice仿真軟件運(yùn)行所仿真的電路原理圖，觀察并研究其各節(jié)電電壓和支路電流之間的關(guān)系。運(yùn)用節(jié)點(diǎn)電壓法求解電路的主要步驟是（1） 選擇參考節(jié)點(diǎn)，設(shè)定參考方向。（2）在具有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的電路中寫出其中（n-1）個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)的kcl方程。 （3）求節(jié)點(diǎn)電壓u。運(yùn)用支路電流法求解電路的主要步驟是（1）任意標(biāo)定各支路電流的參考方向和網(wǎng)孔繞行方向。  （2）用基爾霍夫電流定律列出節(jié)點(diǎn)電流方程。（3）用基爾霍夫電壓定律列出l=b-（n-1）個(gè)網(wǎng)孔方程。說(shuō)明：l指的是網(wǎng)孔數(shù)，b指是

4、支路數(shù)，n指的是節(jié)點(diǎn)數(shù)。  （4）代入已知數(shù)據(jù)求解方程組，確定各支路電流及方向。pspice仿真軟件的主要運(yùn)行步驟是（1） 畫出設(shè)計(jì)好的電路原理圖（2） 確定電路元件名稱及參數(shù)，標(biāo)出節(jié)點(diǎn)。（3）選擇掃描參數(shù)及各項(xiàng)電路指標(biāo)（4）繪出仿真電流電壓曲線。最后對(duì)曲線進(jìn)行分析，驗(yàn)證結(jié)論是否與理論值相符，存在的問(wèn)題及對(duì)問(wèn)題的解答。2 pspice軟件簡(jiǎn)介用于模擬電路仿真的spice（simulation program with integrated circuit emphasis）軟件于1972年由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)小組利用fortr an語(yǔ)言開發(fā)而成，主要用于

5、大規(guī)模集成電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。spice的正式版spice 2g在1975年正式推出，但是該程序的運(yùn)行環(huán)境至少為小型機(jī)。1985年，加州大學(xué)伯克利分校用c語(yǔ)言對(duì)spice軟件進(jìn)行了改寫， 并由microsim公司推出。1988年spice被定為美國(guó)國(guó)家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，各種以spice為核心的商用模擬電路仿真軟件，在spice的基礎(chǔ)上做了大量實(shí)用化工作，從而使spice成為最為流行的電子電路仿真軟件。pspice采用自由格式語(yǔ)言的5.0版本自80年代以來(lái)在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，并且從6.0版本開始引入圖形界面。1998年著名的eda商業(yè)軟件開發(fā)商orcad公司與microsim公司正 式合并，

6、自此microsim公司的pspice產(chǎn)品正式并入orcad公司的商業(yè)eda系統(tǒng)中。不久之后，orcad公司已正式推出了orcad pspice release 10.5，與傳統(tǒng)的spice軟件相比，pspice 10.5在三大方面實(shí)現(xiàn)了重大變革：首先，在對(duì)模擬電路進(jìn)行直流、交流和瞬態(tài)等基本電路特性分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了蒙特卡羅分析、最壞情況分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等較為復(fù)雜的電路特性分析；第二，不但能夠?qū)δM電路進(jìn)行，而且能夠?qū)?shù)字電路、數(shù)/?；旌想娐愤M(jìn)行仿真；第三，集成度大大提高，電路圖繪制完成后可直接進(jìn)行電路仿真，并且可以隨時(shí)分析觀察仿真結(jié)果。pspice軟件的使用已經(jīng)非常流行。在大學(xué)里，它是工科

7、類學(xué)生必會(huì)的設(shè)計(jì)電路工具；在公司里，它是產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)到定型過(guò)程中不可少的設(shè)計(jì)工具。2.1 pspice程序簡(jiǎn)介 pspice是由spice發(fā)展而來(lái)的用于微機(jī)系列的通用電路分析程序。spice(simulation program with integrated circuit emphasis)是由美國(guó)加州大學(xué)伯克莉分校于1972年開發(fā)的電路仿真程序。隨后，版本不斷更新，功能不斷增強(qiáng)和完善。1988年spice被定為美國(guó)國(guó)家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前微機(jī)上廣泛使用的pspice是由美國(guó)microsim公司開發(fā)并于1984年1月首次推出的。spice有工業(yè)版（production version）和教學(xué)

8、版(evaluation version）之分，本書介紹1986年8月推出的pspice6.3版本（microsim evaluation version 6.3，即教學(xué)版，有時(shí)也稱為學(xué)生版）。它能進(jìn)行模擬電路分析、數(shù)字電路分析和模擬數(shù)字混合電路分析。 pspice6.3可以對(duì)眾多元器件構(gòu)成的電路進(jìn)行仿真分析，這些元器件以符號(hào)、模型和封裝三種形式分別存放在擴(kuò)展名為slb、lib和plb三種類型的庫(kù)文件中。*.slb庫(kù)中的元器件符號(hào)用于繪制電路圖；*.lib庫(kù)中的元器件模型用于電路仿真分析；*.plb庫(kù)中的元器件封裝形式用于繪制印刷電路板的版圖。在電路仿真分析中只用到前兩個(gè)庫(kù)。 

9、60;2.1.1 pspice6.3運(yùn)行環(huán)境 硬件環(huán)境：486以上的ibmpc機(jī)或兼容機(jī)，8m以上內(nèi)存，最好有80m以上硬盤空間（pspice6.3完全安裝將占用63m左右的空間），標(biāo)準(zhǔn)鍵盤及vga以上顯示適配器，鼠標(biāo)，cd-rom驅(qū)動(dòng)器（用于安裝pspice）。 軟件環(huán)境：windows3.x、windows95或windowsnt3.51以上。2.2 pspice功能簡(jiǎn)介2.2.1 暫態(tài)分析非線性暫態(tài)分析簡(jiǎn)稱為暫態(tài)分析。暫態(tài)分析計(jì)。算電路中電壓和電流隨時(shí)間的變化，即電路的時(shí)域分析。這種分析在輸入信號(hào)為時(shí)變信號(hào)時(shí)顯得尤為重要。時(shí)域分析是指在某一函數(shù)激勵(lì)下電路的時(shí)域響應(yīng)特性。通過(guò)時(shí)域分析，設(shè)計(jì)

10、者可以清楚地了解到電路中各點(diǎn)的電壓和電流波形以及它們的相位關(guān)系，從而知道電路在交流信號(hào)作用下的工作狀況，檢查它們是否滿足電路設(shè)計(jì)的要求。2.2.2 交流分析線性小信號(hào)交流分析簡(jiǎn)稱為交流分析。它是spice程序的主要分析功能。它是在交流小信號(hào)的條件下，對(duì)電路的非線性元件選擇合適的線性模型將電路在直流工作點(diǎn)附近線性化，然后在用戶指定的范圍內(nèi)對(duì)電路輸入一個(gè)掃頻信號(hào)，從而計(jì)算出電路的幅頻特性、相頻特性、輸入電阻、輸出電阻等。這種分析等效于電路的正弦穩(wěn)態(tài)分析即頻域分析。頻域分析用于分析電路的頻域響應(yīng)即頻率響應(yīng)特性。這種分析主要用于分析電路的幅頻特性和相頻特性。小信號(hào)轉(zhuǎn)移特性分析主要分析在小信號(hào)輸入的情況

11、下，電路的各種轉(zhuǎn)移函數(shù)，通常分析的是電路的電壓放大倍數(shù)。噪聲分析是電路設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。在模擬電路中，無(wú)源器件和有源器件均會(huì)產(chǎn)生噪聲，主要包括電阻上產(chǎn)生的熱噪聲，半導(dǎo)體器件產(chǎn)生的散粒噪聲和閃爍噪聲。在噪聲分析時(shí)，將元件的噪聲等效為一個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行交流分析。通過(guò)噪聲分析可以計(jì)算出各器件在某一輸出節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的總噪聲以及某一輸入節(jié)點(diǎn)的等效輸入噪聲。從而可以分析一個(gè)電路產(chǎn)生噪聲的主要來(lái)源，采取一定的電路設(shè)計(jì)措施來(lái)減小噪聲的影響。2.2.3 靈敏度分析靈敏度分析包括直流靈敏度分析和蒙特卡羅分析兩種。直流靈敏度分析業(yè)稱為靈敏度分析。它是在工作點(diǎn)附近將所有的元件線性化后，計(jì)算各元器件參數(shù)值變化時(shí)對(duì)電路性能影

12、響的敏感程度。通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行靈敏度分析，可以預(yù)先知道電路中的各個(gè)元件對(duì)電路的性能影響的重要程度。對(duì)于那些對(duì)電路性能有重要影響的元件，要在電路的生產(chǎn)或元件的選擇時(shí)給予特別的關(guān)注。2.2.4 統(tǒng)計(jì)分析統(tǒng)計(jì)分析主要包括蒙特卡羅分析和最壞情況分析。蒙特卡羅分析是在考慮到器件參數(shù)存在容差的情況下，分析電路在直流分析、交流分析或暫態(tài)分析時(shí)電路特性隨器件容差變化的情況。另一種統(tǒng)計(jì)分析是最壞情況分析，它不僅對(duì)各器件參數(shù)的變化逐一進(jìn)行分析，得到單一器件對(duì)電路性能的靈敏度分析，同時(shí)分析各器件容差對(duì)電路性能的最大影響量(最壞情況分析)，從而達(dá)到優(yōu)化電路的目的。pspice10.5個(gè)人認(rèn)為它最為突出之處，是改進(jìn)了其9

13、.2版本，使繪制電路，以及仿真算法更加優(yōu)化，更加節(jié)省時(shí)間（以前進(jìn)行1s的仿真如果取點(diǎn)ms級(jí)，那將是非?？植赖氖虑椋?，而且蒙特卡羅分析和最壞情況分析有助于我們模擬在不同溫度和環(huán)境，以及元件損壞的情況下電路的實(shí)現(xiàn)過(guò)程及結(jié)果，那么我們就知道電路的弱點(diǎn)，以及電路中的最重要元件，就可以相應(yīng)的對(duì)其采取保護(hù)、散熱等措施。3 電路原理3.1基爾霍夫定理簡(jiǎn)介基爾霍夫定律是求解復(fù)雜電路的電學(xué)基本定律。從19世紀(jì)40年代，由于電氣技術(shù)發(fā)展的十分迅速，電路變得愈來(lái)愈復(fù)雜。某些電路呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)形狀，并且網(wǎng)絡(luò)中還存在一些由3條或3條以上支路形成的交點(diǎn)(節(jié)點(diǎn))。這種復(fù)雜電路不是串、并聯(lián)電路的公式所能解決的，剛從德國(guó)哥尼斯堡大

14、學(xué)畢業(yè)，年僅21歲的基爾霍夫在他的第1篇論文中提出了適用于這種網(wǎng)絡(luò)狀電路計(jì)算的兩個(gè)定律，即著名的基爾霍夫定律。該定律能夠迅速地求解任何復(fù)雜電路，從而成功地解決了這個(gè)阻礙電氣技術(shù)發(fā)展的難題?；鶢柣舴蚨山⒃陔姾墒睾愣?、歐姆定律及電壓環(huán)路定理的基礎(chǔ)之上，在穩(wěn)恒電流條件下嚴(yán)格成立。當(dāng)基爾霍夫第一、第二方程組聯(lián)合使用時(shí)，可正確迅速地計(jì)算出電路中各支路的電流值。由于似穩(wěn)電流(低頻交流電)具有的電磁波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于電路的尺度，所以它在電路中每一瞬間的電流與電壓均能在足夠好的程度上滿足基爾霍夫定律。因此，基爾霍夫定律的應(yīng)用范圍亦可擴(kuò)展到交流電路之中。3.1.1基爾霍夫第一定律第一定律又稱基爾霍夫電流定律，簡(jiǎn)記

15、為kcl，是電流的連續(xù)性在集總參數(shù)電路上的體現(xiàn)，其物理背景是電荷守恒公理。基爾霍夫電流定律是確定電路中任意節(jié)點(diǎn)處各支路電流之間關(guān)系的定律，因此又稱為節(jié)點(diǎn)電流定律，它的內(nèi)容為：在任一瞬時(shí)，流向某一結(jié)點(diǎn)的電流之和恒等于由該結(jié)點(diǎn)流出的電流之和，即： 在直流的情況下，則有 圖3-1-1-1 kcl的應(yīng)用圖3-1-1-1kcl的應(yīng)用所示為某電路中的節(jié)點(diǎn)，連接在節(jié)點(diǎn)的支路共有五條，在所選定的參考方向下有： kcl定律不僅適用于電路中的節(jié)點(diǎn)，還可以推廣應(yīng)用于電路中的任一假設(shè)的封閉面。即在任一瞬間，通過(guò)電路中任一假設(shè)封閉面的電流代數(shù)和為零。 圖3-1-1-2 kcl的推廣圖3-1-1-2 kcl的推廣所示為某

16、電路中的一部分，選擇封閉面如圖中虛線所示，在所選定的參考方向下有:3.1.2 基爾霍夫第二定律第二定律又稱基爾霍夫電壓定律，簡(jiǎn)記為kvl，是電場(chǎng)為位場(chǎng)時(shí)電位的單值性在集總參數(shù)電路上的體現(xiàn)，其物理背景是能量守恒公理?；鶢柣舴螂妷憾墒谴_定電路中任意回路內(nèi)各電壓之間關(guān)系的定律，因此又稱為回路電壓定律，它的內(nèi)容為：在任一瞬間，沿電路中的任一回路繞行一周，在該回路上電動(dòng)勢(shì)之和恒等于各電阻上的電壓降之和，即： 在直流的情況下，則有 : 3-1-2-1 kvl的應(yīng)用圖3-1-2-1 kvl的應(yīng)用所示為某電路中的一個(gè)回路abcda，各支路的電壓在所選擇的參考方向下為u1、u2、u3、u4，因此，在選定的回路

17、“繞行方向”下有：u1+u2=u3+u4。 kvl定律不僅適用于電路中的具體回路，還可以推廣應(yīng)用于電路中的任一假想的回路。即在任一瞬間，沿回路繞行方向，電路中假想的回路中各段電壓的代數(shù)和為零。 圖3-1-2-2 kvl的推廣圖3-1-2-2kvl的推廣所示為某電路中的一部分，路徑a、f 、c 、b 并未構(gòu)成回路，選定圖中所示的回路“繞行方向”，對(duì)假象的回路afcba列寫kvl方程有：u4+uab=u5，則：uab=u5-u4。由此可見：電路中a、b兩點(diǎn)的電壓uab，等于以a為原點(diǎn)、以b為終點(diǎn)，沿任一路徑繞行方向上各段電壓的代數(shù)和。其中，a、b可以是某一元件或一條支路的兩端，也可以是電路中的任意

18、兩點(diǎn)。3.2 電路原理設(shè)計(jì)3.2.1設(shè)計(jì)原理圖圖3-2-1 節(jié)點(diǎn)電路3.2.3原理圖分析：在電路中任意選擇某一節(jié)點(diǎn)為參考節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)為獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的電壓成為節(jié)點(diǎn)電壓，節(jié)點(diǎn)電壓的參考極性是以參考節(jié)點(diǎn)為負(fù)，其余獨(dú)立節(jié)點(diǎn)為正。由于任一支路都連接在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上，根據(jù)kvl，不難斷定支路電壓就是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓之差。如果每一個(gè)支路電流都可由支路電壓來(lái)表示，那么它也一定也可以用節(jié)點(diǎn)電壓來(lái)表示。在具有n個(gè)節(jié)點(diǎn)的電路中寫出其中（n-1）個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)的kcl方程，就得到變量為（n-1）個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓的共（n-1）個(gè)獨(dú)立方程，稱為節(jié)點(diǎn)電壓方程，最后由這些方程解出節(jié)點(diǎn)電壓，從而求出所需的電壓、電流。這就是

19、節(jié)點(diǎn)電壓法。 對(duì)一個(gè)具有b條支路和n個(gè)節(jié)點(diǎn)的電路，當(dāng)以支路電壓和支路電流為電路變量列方程時(shí)，總共有2b個(gè)未知量。為了減少求解的方程數(shù)，可以利用元件的vcr將各之路電壓以支路電流表示，然后代入kvl方程，就得到以b個(gè)支路電流為未知量的b個(gè)kvl和kcl方程。這種方法稱為支路電流法。方法一：利用支路電流法解題的步驟：（1）任意標(biāo)定各支路電流的參考方向和網(wǎng)孔繞行方向。（2）用基爾霍夫電流定律列出節(jié)點(diǎn)電流方程。有n個(gè)節(jié)點(diǎn)，就可以列出n-1個(gè)獨(dú)立電流方程。（3）用基爾霍夫電壓定律列出l=b-（n-1）個(gè)網(wǎng)孔方程。說(shuō)明：l指的是網(wǎng)孔數(shù)，b指是支路數(shù)，n指的是節(jié)點(diǎn)數(shù)。（4）代入已知數(shù)據(jù)求解方程組，確定各支路

20、電流及方向。利用以上步驟，設(shè)電壓源v1的電壓為u1。可通過(guò)支路電流法分別算得流過(guò)的電流為流過(guò)的電流為流過(guò)的電流為 流過(guò)的電流為流過(guò)電壓源的電流為。同樣可以推得各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓的大?。浩渲羞x取n0的電壓為參考地點(diǎn)，其電壓值始終為0，從而可以推得節(jié)點(diǎn)n1的電壓值為,節(jié)點(diǎn)n2的電壓值為方法二：利用節(jié)點(diǎn)電壓法解題步驟：（1）選擇參考節(jié)點(diǎn)，設(shè)定參考方向（2）求節(jié)點(diǎn)電壓u（3）求支路電流通過(guò)此方法同樣可以分別算得流過(guò)的電流為流過(guò)的電流為流過(guò)的電流為流過(guò)的電流為流過(guò)電壓源的電流為。同樣也可以推得各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓的大?。浩渲羞x取n0的電壓為參考地點(diǎn)，其電壓值始終為0，從而可以推得節(jié)點(diǎn)n1的電壓值為,節(jié)點(diǎn)n2的電壓值為

21、。由這些電流電壓的表達(dá)式可以看出，各電壓電流隨的變化都是直線變化的，所以可以推測(cè)仿真出來(lái)的圖像是線性的關(guān)系。4 仿真曲線 4.1支路電流仿真曲線圖4-1-1 r1,r2,r3,r4的電流圖4-1-2 r2,r3,r4的電流圖4-1-1中從上到下依次是r2,r4,r3,r1的電流隨電壓源的變化曲線，圖4-1-2從上到下依次是r2,r4,r3.從圖中可以看出，r3與r4的電流和等于r2的電流。這與理論分析中基爾霍夫電流定律相符合的。顯然有然而r3,r4的電流值卻是隨的增加而反向增大，這是因?yàn)樵韴D（圖3-2-1）中的r1,r3,r4的管腳（pspice中默認(rèn)是從1流向2）與實(shí)際電流的流向是相反的，

22、所以仿真出來(lái)的結(jié)果是個(gè)負(fù)值。 4.2 節(jié)點(diǎn)電壓仿真曲線圖4-2 n1,n2,no節(jié)點(diǎn)電壓圖4-2中從上到下依次是n1,n2,n0節(jié)點(diǎn)電壓隨的變化而變化，其中n0是一條恒為0的直線，節(jié)點(diǎn)n1就是電源電壓，節(jié)點(diǎn)n2的電壓為0.25，這些都是與理論分析完全相符合。5 曲線分析5.1支路電流仿真曲線分析圖4-1-1中從上到下依次是的電流隨電壓源的變化曲線，圖4-1-2從上到下依次是從圖中可以看出，的電流都是隨的增加而增加，并且r2的變化速度更加快。這與理論分析中 是現(xiàn)符合的，顯然有然而r3,r4,r1的電流值卻是隨的增加而反向增大，這是因?yàn)樵韴D中的的管腳（pspice中默認(rèn)是從1流向2）與實(shí)際電流的流向是相反的，所以仿真出來(lái)的結(jié)果是個(gè)負(fù)值。不難發(fā)現(xiàn)其斜率的大小也是與理論分析中的分析結(jié)果是相同的。5.2 節(jié)點(diǎn)電壓仿真曲線分析圖4-2中從上到下依次是n1,n2,n0節(jié)點(diǎn)電壓隨的變化而變化，其中n0是一條恒為0的直線，節(jié)點(diǎn)n1就是電源電壓，節(jié)點(diǎn)n2的電壓為0.25，這些都是與理論分析完全相符合。6 實(shí)驗(yàn)分析總結(jié)在電路中任意選擇某一節(jié)點(diǎn)為參考節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)為獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)與參考節(jié)點(diǎn)之間的電壓成為節(jié)點(diǎn)電壓，節(jié)點(diǎn)電壓的參考極性是以參考節(jié)點(diǎn)