單管放大電路CAA課程設(shè)計說明書

1、武漢理工大學(xué)電路caa課程設(shè)計說明書目錄摘要1 理論分析11.1 軟件選擇-pspice簡介11.1.1 pspice的起源與發(fā)展11.1.2 pspice仿真軟件的優(yōu)越性11.1.3 pspice的組成31.2 軟件使用pspice電路圖制作方法31.2.1 新建schematics31.2.2 放置電壓源31.2.3 放置三極管41.2.4移動元件旁邊的文字41.2.5 放置其它元件51.2.6連接元件51.2.7 移動元件51.2.8 刪除元件51.2.9 修改元件的屬性51.3 原理分析61.3.1 電路原理圖61.3.2 半導(dǎo)體三極管的放大作用61.3.3 靜態(tài)工作點分析71.3.4

2、交流掃描分析72 程序運行及其結(jié)果82.1 制作原理圖82.2 靜態(tài)工作點82.3 交流掃描93 圖表分析124 總結(jié)13心得體會15參考文獻(xiàn)161 理論分析1.1 軟件選擇-pspice簡介1.1.1 pspice的起源與發(fā)展用于模擬電路仿真的spice（simulation program with integrated circuit emphasis）軟件于1972年由美國加州大學(xué)伯克利分校的計算機(jī)輔助設(shè)計小組利用fortr an語言開發(fā)而成，主要用于大規(guī)模集成電路的計算機(jī)輔助設(shè)計。spice的正式版spice 2g在1975年正式推出，但是該程序的運行環(huán)境至少為小型機(jī)。1985年，加

3、州大學(xué)伯克利分校用c語言對spice軟件進(jìn)行了改寫， 并由microsim公司推出。1988年spice被定為美國國家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。與此同時，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采用自由格式語言的5.0版本自80年代以來在我國得到廣泛應(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，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 ps

4、pice release 10.5，與傳統(tǒng)的spice軟件相比，pspice 10.5在三大方面實現(xiàn)了重大變革：首先，在對模擬電路進(jìn)行直流、交流和瞬態(tài)等基本電路特性分析的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了蒙特卡羅分析、最壞情況分析以及優(yōu)化設(shè)計等較為復(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，它是工科類學(xué)生必會的分析與設(shè)計電路工具；在公司里，它是產(chǎn)品從設(shè)計、實驗到定型過程中不可缺少的設(shè)計工具。1.1.2 pspice仿真軟件的優(yōu)越性p

5、spice軟件具有強(qiáng)大的電路圖繪制功能、電路模擬仿真功能、圖形后處理功能和元器件符號制作功能，以圖形方式輸入，自動進(jìn)行電路檢查，生成圖表，模擬和計算電路。它的用途非常廣泛，不僅可以用于電路分析和優(yōu)化設(shè)計，還可用于電子線路、電路和信號與系統(tǒng)等課程的計算機(jī)輔助教學(xué)。與印制版設(shè)計軟件配合使用，還可實現(xiàn)電子設(shè)計自動化。被公認(rèn)是通用電路模擬程序中最優(yōu)秀的軟件，具有廣闊的應(yīng)用前景。這些特點使得pspice受到廣大電子設(shè)計工作者、科研人員和高校師生的熱烈歡迎，國內(nèi)許多高校已將其列入電子類本科生和碩士生的輔修課程。電路設(shè)計軟件有很多，它們各有特色。如protel和tango，它對單層/雙層電路板的原理圖及pc

6、b圖的開發(fā)設(shè)計很適合，而對于布線復(fù)雜，元件較多的四層及六層板來說orcad更有優(yōu)勢。但在電路系統(tǒng)仿真方面，pspice可以說獨具特色，是其他軟件無法比擬的，它是一個多功能的電路模擬試驗平臺，pspice軟件由于收斂性好，適于做系統(tǒng)及電路級仿真，具有快速、準(zhǔn)確的仿真能力。(1)圖形界面友好，易學(xué)易用，操作簡單由dos版本的pspice到windows版本的pspice，使得該軟件由原來單一的文本輸入方式而更新升級為輸入原理圖方式，使電路設(shè)計更加直觀形象。pspice 60以上版本全部采用菜單式結(jié)構(gòu)，只要熟悉windows操作系統(tǒng)就很容易學(xué)，利用鼠標(biāo)和熱鍵一起操作，既提高了工作效率，又縮短了設(shè)計周

7、期。即使沒有參考書，用戶只要具備一定的英語基礎(chǔ)就可以通過實際操作很快掌握該軟件。(2)實用性強(qiáng)，仿真效果好在pspice中，對元件參數(shù)的修改很容易，它只需存一次盤、創(chuàng)建一次連接表，就可以實現(xiàn)一個復(fù)雜電路的仿真。如果用protel等軟件進(jìn)行參數(shù)修改仿真，則過程十分繁瑣。在改變一個參數(shù)時，哪怕是一個電阻阻值的大小都需要重新建立網(wǎng)絡(luò)表的連接，設(shè)置其他參數(shù)更為復(fù)雜。(3)功能強(qiáng)大，集成度高在pspice內(nèi)集成了許多仿真功能，如：直流分析、交流分析、噪聲分析、溫度分析等 ，用戶只需在所要觀察的節(jié)點放置電壓（電流）探針，就可以在仿真結(jié)果圖中觀察到其“電壓（或電流）-時間圖”。而且該軟件還集成了諸多數(shù)學(xué)運算

8、，不僅為用戶提供了加、減、乘、除等基本的數(shù)學(xué)運算，還提供了正弦、余弦、絕對值、對數(shù)、指數(shù)等基本的函數(shù)運算，這些都是其他軟件所無法比擬的。另外，用戶還可以對仿真結(jié)果窗口進(jìn)行編輯，如添加窗口、修改坐標(biāo)、疊加圖形等 ，還具有保存和打印圖形的功能，這些功能都給用戶提供了制作所需圖形的一種快捷、簡便的方法。因此，windows版本的pspice更優(yōu)于dos版本的pspice，它不但可以輸入原理圖方式，而且也可以輸入文本方式。無疑是廣大電子電路設(shè)計師的好幫手。1.1.3 pspice的組成pspice是計算機(jī)輔助分析設(shè)計中的電路模擬軟件。它主要用于所設(shè)計的電路硬件實現(xiàn)之前，先對電路進(jìn)行模擬分析，就如同對所

9、設(shè)計的電路用各種儀器進(jìn)行組裝、調(diào)試和測試一樣，這些工作完全由計算機(jī)來完成。用戶根據(jù)要求來設(shè)置不同的參數(shù)，計算機(jī)就像掃描儀一樣，分析電路的頻率響應(yīng)，像示波器一樣，測試電路的瞬態(tài)響應(yīng)，還可以對電路進(jìn)行交直流分析、噪聲分析、monte carlo統(tǒng)計分析、最壞情況分析等，使用戶的設(shè)計達(dá)到最優(yōu)效果。以往一個新產(chǎn)品的研制過程需要經(jīng)過工程估算，試驗板搭試、調(diào)整，印刷板排版與制作，裝配與調(diào)試，性能測試，測試指標(biāo)不合格，再從調(diào)整開始循環(huán)，直至指標(biāo)合格為止。這樣往往需要反復(fù)實驗和修改。而仿真技術(shù)可將“實驗”與“修改”合二為一。為確定元件參數(shù)提供了科學(xué)的依據(jù)。它的優(yōu)點主要有：(1)為電路設(shè)計人員節(jié)省了大量的時間。

10、(2)節(jié)省了各種儀器設(shè)備。(3)生產(chǎn)產(chǎn)品一致性好、可靠性高。(4)產(chǎn)品的更新率高、新產(chǎn)品投放市場快等。1.2 軟件使用pspice電路圖制作方法1.2.1 新建schematics運行開始所有程序designlab eval 8schematics，進(jìn)入電路編輯器。在該界面下繪制單管共射放大電路。1.2.2 放置電壓源（1） 在菜單“draw”中，選擇“get new part”，打開元器件瀏覽對話框。（2） 在元器件名稱框中，輸入vdc。（3） 用鼠標(biāo)點擊“please&close”。如果出現(xiàn)提示信息“part name “vdc”exists， but is not in the

11、current list。 do you want to place anyways”，表示當(dāng)前的列表中沒有vdc這個元件，但是它存在于某個元件庫中，選擇“確定”。（4）用鼠標(biāo)將vdc放置于合適的位置，再點擊左鍵。1.2.3 放置三極管（1）打開元件瀏覽器對話框，在元件名稱框中輸入“qbreakn”（該模型默認(rèn)電流放大系數(shù)為100），然后點擊“please&close”。（2）按鍵“ctrl+r”使圖像旋轉(zhuǎn)到合適的位子，然后就可以放置了。圖1-1 元器件瀏覽1.2.4移動元件旁邊的文字（1）單擊選中某字。（2）將文字拖動到某個合適的地方1.2.5 放置其它元件用類似的方法，放置電阻，電

12、容，地，一級輸入端的交流信號源等。1.2.6連接元件（1）在菜單“draw”中選擇“wire”，光標(biāo)變成倩碧的形狀。（2）從一個元件的尾部開始單擊鼠標(biāo)左鍵，然后連接元件的端點，單擊左鍵，就可以講兩端連接起來，點擊右鍵表示這根導(dǎo)線結(jié)束。（3）用類似的方法，按照電路原理圖，將所有的元件連接起來。1.2.7 移動元件用鼠標(biāo)左鍵單擊選中某個元件，然后拖動到合適的位置單擊左鍵放置。1.2.8 刪除元件用鼠標(biāo)左鍵單擊選中某個元件，然后按del鍵即可刪除該元件。1.2.9 修改元件的屬性圖1-2 修改元件屬性（1）雙擊圖中vdc元件旁邊的0v標(biāo)志，出現(xiàn)圖3對話框。在對話框中，將0v改為需要的電壓。（2）用同

13、樣的方法修改電阻電容值。（3）將畫好的電路保存，然后進(jìn)行課設(shè)實驗。1.3 原理分析1.3.1 電路原理圖圖1-3 單管共射放大電路1.3.2 半導(dǎo)體三極管的放大作用三極管的最基本的作用是把微弱的電信號加以放大，三極管的放大電路如圖7-5所示。因發(fā)射極是基極回路和集電極回路的公共端，所以此電路又叫共射極放大電路。如果 =20a， =1.2ma，則有： =（0.02+1.2）ma= 1.22ma,電流放大倍數(shù) =60。若調(diào)節(jié)電阻 ，使電流 增加10a，則相應(yīng)地增加了 =0.0160ma=0.6ma。由此可見，當(dāng)基極有微小的變化時，集電極會有很大的變化，這說明三極管有電流放大作用。圖1-4 三極管放

14、大示意圖1.3.3 靜態(tài)工作點分析分析放大電路靜態(tài)的方法通常有估算法和圖解法兩種。1. 用估算法確定。靜態(tài)工作點為，其中，。2. 用圖解法確定。所謂圖解法，就是利用晶體管的特性曲線，用作圖的方法來分析放大電路的靜態(tài)工作點，觀察輸出信號的電壓變化情況。晶體管是一種非線性元件，其集電極電流與集電極發(fā)射極間的電壓之間不是線性關(guān)系。可利用晶體管的輸出特性曲線，采用作圖的方法求放大電路的靜態(tài)值，此靜態(tài)值表現(xiàn)為輸出特性曲線上的一個點，稱為放大電路的靜態(tài)工作點。通過圖解法能夠直觀地分析并了解到靜態(tài)工作點對放大電路工作的影響。1.3.4交流掃描分析放大電路加入輸入信號的工作狀態(tài)即為動態(tài)。在分析放大電路的動態(tài)工

15、作狀態(tài)時，應(yīng)用交流通路。從圖可以看出電路帶上負(fù)載，輸出電壓是集電極電流流過并聯(lián)電阻所產(chǎn)生的電壓，即當(dāng)確定后輸出電壓決定于；交流負(fù)載線的斜率是-要確定這條線必須有一點，即是靜態(tài)工作q點，所以交流負(fù)載線是輸出特性上過q點，且斜率為的直線。交流負(fù)載線的物理意義是：放大器動態(tài)時工作點移動的軌跡。2 程序運行及其結(jié)果2.1 制作原理圖圖2-1 電路原理圖2.2 靜態(tài)工作點靜態(tài)工作點分析步驟：（1）用capture軟件畫好電路圖。（2）建立模擬類型分組。建立模擬類型分組是為了便于管理。在capture的原理圖編輯窗口（schematic1：page下單擊pspice/new simulation prof

16、ire命令。在name欄鍵入模擬類型組的名稱。（3）設(shè)置分析類型與參數(shù)。完成類型模擬分組dc，單擊creat按鈕，在出現(xiàn)對話框中的analysis type選中bias point。在option欄中選general settings。在output file options欄中選include detailed項。（4）正弦信號源的設(shè)定。它共有6個參數(shù)需要設(shè)置。（5）bjt晶體管的值設(shè)為100.單擊三極管使之激活，即可更改。（6）運行pspice。圖2-2 靜態(tài)工作點分析結(jié)果圖2-3 輸入正弦信號源波形2.3 交流掃描交流掃描步驟：（1）用capture軟件畫好電路圖。信號源選用，交流電壓源

17、vac，幅值是0.1v。（2）設(shè)置分析類型與參數(shù)。模擬類型組用ac，在analysis type欄中選ac sweep/noise。在options選general settings，在ac sweep/noise中設(shè)置start填入1k在end填入10m在points/decade欄填入4，即在該頻率范圍內(nèi)每10倍頻間隔計算4個點。（3）運行pspice并查看分析結(jié)果。在probe窗口中，執(zhí)行trace/add trances命令，在add trances對話框中，用光標(biāo)點中v(1)，單擊ok，即顯示單端輸出的頻率特性曲線。在下端的trances expression文本中鍵入v（1，2）單

18、擊ok即顯示雙端輸出的頻率特性曲線。（4）查看雙端輸出是電壓增益的波特圖。在probe窗口中，執(zhí)行trace/add trances命令，在下端的trances expression文本中鍵入db（v（1）/v（vs：+），即顯示電壓增益的幅頻特性曲線。即將增益v（1）/v（vs：+）轉(zhuǎn)換成分貝表示,即顯示電壓增益的相頻特性曲線。圖2-4 交流分析參數(shù)設(shè)置圖2-5 幅頻特性曲線圖2-6 相頻特性曲線3 圖表分析1、根據(jù)圖2-2分析知道靜態(tài)工作點q的計算符合公式。仿真結(jié)果和理論值有一定的誤差，但總的來說仿真結(jié)果和理論計算值差不多。靜態(tài)分析時，應(yīng)注意直流通路（原則是大電容開路，大電感短路，直流電源

19、不變信號源短路但，保留內(nèi)阻）然后利用公式計算單光共射極放大電路。對放大電路的要求，應(yīng)輸出電壓盡可能大，但它受到三極管的非線性的限制。當(dāng)信號過大或工作點選取不合適，輸出電壓波形將產(chǎn)生失真。2、根據(jù)圖形得知交流輸入電壓時，輸出電壓大放大頻率響應(yīng)幅頻特性曲線知，電路圖為單擊放大器的高頻響應(yīng)。頻率大于一定數(shù)值時，交流信號輸入時可能不會有輸出電壓，是較高頻率信號濾過.。并可以看出，頻率在300hz到10mhz之間是，放大倍數(shù)最大，低于30khz或者高于10mhz，放大倍數(shù)都有所下降。4 總結(jié)在對靜態(tài)工作點的設(shè)定時，要注意使基極偏置電路中流動的電流在10倍基極電流左右，不然會出現(xiàn)實際參數(shù)與設(shè)計參數(shù)有很大的

20、出入。靜態(tài)工作點不穩(wěn)定的原因主要是溫度變化造成三極管參數(shù)變化，使靜態(tài)工作點移動?？刹捎梅謮菏狡梅糯箅娐?。本次實驗使得我能夠熟練運用pspice軟件創(chuàng)建電路、模擬電路、顯示或繪制結(jié)果，并對單管放大電路有了更深入的理解。非線性直流分析功能簡稱直流分析。它是計算直流電壓源或直流電流源作用于電路時電路的工作狀態(tài)。對電路進(jìn)行的直流分析主要包括直流工作點分析、直流掃描分析和轉(zhuǎn)移函數(shù)分析。直流工作點是電路正常工作的基礎(chǔ)。通過對電路進(jìn)行直流工作點的分析，可以知道電路中各元件的電壓和電流，從而知道電路是否正常工作以及工作的狀態(tài)。一般在對電路進(jìn)行仿真的過程中，首先要對電路的靜態(tài)工作點進(jìn)行分析和計算。直流掃描分析主要是將電路中的直流電源、工作溫度、元件參數(shù)作為掃描變量，讓這些參量以特定的規(guī)律進(jìn)行掃描，從而獲取這些參量變化對電路各種性能參數(shù)的影響。直流掃描分析主要是為了獲得直流大信號暫態(tài)特性。與直流掃描分析相類似的還有溫度分析。在這種分析過程中，將電路的溫度作為掃描變量進(jìn)行分析。因為電路的主要器件的特性都是與溫度有關(guān)的，所以這就為分析電路在環(huán)境變化是的工作情況提供了一種非常有用的工具。特別重