電子電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)--儀器科學(xué)與光電工程

1、.電子電路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)儀器科學(xué)與光電工程131713堯爸爸2016.4.18:實(shí)驗(yàn)一：共射放大器分析與設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）進(jìn)一步了解Multisim的各項(xiàng)功能，熟練掌握其使用方法，為后續(xù)課程打好基礎(chǔ)。（2）通過使用Multisim來仿真電路，測試如圖1所示的單管共射放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)、電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻，并觀察靜態(tài)工作點(diǎn)的變化對輸出波形的影響。（3）加深對放大電路工作原理的理解和參數(shù)變化對輸出波形的影響。（4）觀察失真現(xiàn)象，了解其產(chǎn)生的原因。二、實(shí)驗(yàn)電路三、實(shí)驗(yàn)過程（1）請對該電路進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析,進(jìn)而判斷管子的工作狀態(tài)。操作步驟如下：Simulate-Analyses-DC

2、Operating Point圖 1直流工作點(diǎn)為Ib=6.215uA，Ic=966.535uA，Uce=6.766V圖 2由上V(1)為c極；V(4)為b極；V(2)為e極由此可得Ube=0.619V，Ucb=6.14710V說明發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，三極管工作在放大狀態(tài)。（2）請利用軟件提供的各種測量儀表測出該電路的輸入電阻。用萬用表測量輸入端的電壓和電流,電路圖接法如圖3所示（將萬用表選為交流電壓和交流電流檔）：圖 3測量結(jié)果為：圖 4經(jīng)計(jì)算得到，輸入電阻為3166（3）請利用軟件提供的各種測量儀表測出該電路的輸出電阻。這里注意一定要將輸出回路斷開，再接入萬用表，采用測量開路電壓和短路電

3、流的方法測量輸出電阻。否則測量的是最后負(fù)載電阻的阻值。用萬用表測量輸出端的電壓和電流，接法如圖如5所示（將萬用表先后選為交流電壓和交流電流檔）：圖 5測量結(jié)果為：圖 6經(jīng)計(jì)算得到，輸出電阻為2557.23（4）請利用軟件提供的各種測量儀表測出該電路的幅頻、相頻特性曲線。采用波特測試儀如下圖7搭接電路：圖 7該電路的幅頻、相頻特性曲線如圖8所示圖 8（5）請利用交流分析功能給出該電路的幅頻、相頻特性曲線。操作步驟如下：Simulate-Analyses-AC Operating，選擇分析點(diǎn)為輸出電壓，得到下圖9：圖 93dB帶寬是指示數(shù)為最大值的0.707時，對應(yīng)的fL和fH，圖中測得最大值為1

4、9.1037V，則3dB帶寬應(yīng)對應(yīng)縱軸為13.5063V，fH=283.1MHz，fL=79.4Hz（6）請分別在30Hz、1KHz、100KHz、4MHz和100MHz這5個頻點(diǎn)利用示波器測出輸入和輸出的關(guān)系，并仔細(xì)觀察放大倍數(shù)和相位差。（提示：在上述實(shí)驗(yàn)步驟中，建議使用普通的2N2222A三極管，并請注意信號源幅度和頻率的選取，否則將得不到正確的結(jié)果。）利用示波器分別得到在30Hz、1KHz、100KHZ、4MHz和100MHz五個頻點(diǎn)的輸入和輸出曲線如下（其中藍(lán)線表示輸入，紅線表示輸出）：圖10 頻率為30Hz時輸入輸出曲線圖12 頻率為1KHz時輸入輸出曲線圖 13 頻率為100KHz

5、時輸入輸出曲線圖 14 頻率為4MHz時輸入輸出曲線圖 15 頻率為100MHz時輸入輸出曲線通過測量列表如下（表1）：頻率輸入/mV輸出/mV放大倍數(shù)相位差30Hz14.13716.3891.16-32°1KHz14.13987.4866.19-173°100KHz13.94087.3096.26179°4MHz13.99561.4554.39134°100MHz13.8813.6160.2677°由（4）中的幅頻、相頻曲線可以測量得到在這五個頻點(diǎn)下的放大倍數(shù)和相位差如下表2所示：頻率放大倍數(shù)相位差30Hz1.19-34.13°1K

6、Hz6.79-172.0°100KHz6.83-178.62°4MHz4.79133.80°100MHz0.2676.71°對比表1和表2可知，在同一頻率下，兩者所得到的放大倍數(shù)和相位差相差不大，但不完全相同，造成偏差的原因有兩點(diǎn)：在幅頻、相頻曲線測量中不能很精準(zhǔn)地對牢所要測量的頻率，有很小的偏差。實(shí)驗(yàn)使用示波器的過程中發(fā)現(xiàn)示波器的示數(shù)一直在跳變，雖然跳變不大，但仍會有誤差存在。(7)試改變原電路中某些電阻的阻值，以達(dá)到改變靜態(tài)工作點(diǎn)的目的。并分別使電路產(chǎn)生截止失真和飽和失真，給出這時的電路原理圖及其元件值。試?yán)弥绷鞴ぷ鼽c(diǎn)分析來說明產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。

7、截止失真時的電路原理圖如圖16所示： 圖 16截止失真波形如圖17，從中可以看出波形的上半部分明顯小于下半部分，即波形的頂部失真。圖 17圖 18從直流工作點(diǎn)中可以看出Ube=0.235V<0.619V（0.619V為原來工作在放大區(qū)時對應(yīng)的Uon），且Uce>Ube，故此時的靜態(tài)工作點(diǎn)位于截止區(qū)，即此時為截止失真。飽和失真時的電路原理圖如19所示 圖 19飽和失真波形如圖20，從中可以看出波形的下半部分明顯小于上半部分，即波形的底部失真。圖 20圖 21從圖21中可以看出Ube=0.672V>Uon，且Uce<Ube，故此時的靜態(tài)工作點(diǎn)位于飽和區(qū)，即此時為飽和失真。實(shí)

8、驗(yàn)二：射級跟隨器分析與設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^使用Multisim來仿真電路，測試如圖2所示的射隨器電路的靜態(tài)工作點(diǎn)、電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻，并觀察靜態(tài)工作點(diǎn)的變化對輸入輸出特性的影響。二、實(shí)驗(yàn)電路三、實(shí)驗(yàn)過程（1）對該電路進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析,進(jìn)而判斷管子的工作狀態(tài)直流工作點(diǎn)如圖1所示圖1從圖1中可以看出說明發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，三極管工作在放大狀態(tài)。（2）利用軟件提供的各種測量儀表測出該電路的輸入電阻電路圖接法及測量結(jié)果如圖2：圖 2經(jīng)過計(jì)算可得輸入電阻為。（3）利用軟件提供的各種測量儀表測出該電路的輸出電阻通過測量輸出端開路電壓和短路電流可以測得輸出電阻，電路圖接法如圖3所示（將萬

9、用表先后調(diào)為交流電壓和交流電流檔）：圖 3測量結(jié)果如圖4：圖 4經(jīng)過計(jì)算得輸出電阻為。分析：由（2）、（3）可以知道射極跟隨器電路的輸入電阻大而輸出電阻小，說明該電路從信號源獲取信號的能力強(qiáng)且?guī)лd能力也很好。（4）利用軟件提供的各種測量儀表測出該電路的幅頻、相頻特性曲線。圖 5通過仿真軟件中提供的波特圖儀可以繪制出其幅相頻特性如圖5所示（5）利用交流分析功能給出該電路的幅頻、相頻特性曲線圖 6通過交流分析功能也可以得到該電路的幅相頻特性曲線，對比（4），可以知道在1Hz10 GHz的頻率范圍內(nèi)，兩者的結(jié)果一致。（6）用瞬態(tài)分析法分析其電壓跟隨器特性，隨意改變負(fù)載電阻阻值，觀察輸出特性有何變化。

10、圖 7我們通過結(jié)合瞬態(tài)分析與參數(shù)掃描功能，繪制出了在負(fù)載電阻為不同阻值的情況下（從）輸入輸出特性曲線，從圖7中可以看到，在不同阻值下的輸入輸出特性曲線幾乎完全重合，因而說明射極跟隨器電路的電壓跟隨特性十分出色。實(shí)驗(yàn)三：差動放大器分析與設(shè)計(jì)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）通過使用Multisim來仿真電路，測試如圖3所示的差分放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)、差模電壓放大倍數(shù)、輸入電阻和輸出電阻。（2）加深對差分放大電路工作原理的理解。（3）通過仿真，體會差分放大電路對溫漂的抑制作用。二、實(shí)驗(yàn)電路三、實(shí)驗(yàn)過程（1）請對該電路進(jìn)行直流工作點(diǎn)分析,進(jìn)而判斷電路的工作狀態(tài)。分析其直流工作點(diǎn)如下圖1所示：圖 1從圖中可以看出Q1

11、、Q2、Q3的集電極電壓大于基極電壓，基極電壓大于發(fā)射極電壓，即集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏，Q1、Q2、Q3工作在放大區(qū)。Q4的集電極電壓等于基極電壓，基極電壓大于發(fā)射極電壓，也滿足工作在放大區(qū)的條件。（2）請利用軟件提供的電流表測出電流源提供給差放的靜態(tài)工作電流。電流表在電路中的接法如下圖2所示：圖 2電流表的參數(shù)設(shè)置為電流檔及直流檔，如圖3所示：圖 3從圖中可以看出電流源供給差放的靜態(tài)工作電流為721.403uA。（3）請利用軟件提供的各種測量儀表測出該電路的輸入、輸出電阻。輸入電阻測量電路及結(jié)果為(為了更好地看出連接方式，將各導(dǎo)線加粗)：圖 4經(jīng)計(jì)算得輸入電阻為36.94k。輸出電阻測量電路

12、為：圖 5測量結(jié)果為：圖 6經(jīng)計(jì)算得輸出電阻為1k。（4）請利用軟件提供的各種測量儀表測出該電路的單端出差模放大倍數(shù)。圖 7圖 8測量差模放大倍數(shù)的方法如下：先測量輸入電壓，將萬用表接在電源兩頭，如圖7所示的接法，雙擊萬用表設(shè)置萬用表為電壓檔和交流檔，運(yùn)行電路穩(wěn)定后讀出萬用表的示數(shù)，即輸入電壓為20mV，再測量單端輸出電壓，將萬用表接在負(fù)載兩端，接法如圖8所示，萬用表設(shè)置不變，讀出輸出電壓為101.096mV。由此計(jì)算單端輸入單端輸出差模放大倍數(shù)為5.05。（5）請利用軟件提供的各種測量儀表測出該電路的幅頻、相頻特性曲線。使用所提供的波特圖儀測該電路的幅頻、相頻特性曲線，波特圖儀的接法如圖9所

13、示，雙擊波特圖儀進(jìn)行相關(guān)設(shè)置，設(shè)置結(jié)果如圖15所示。運(yùn)行該電路，點(diǎn)擊圖10中的Save按鈕，保存完畢后在工作欄中的Simulate下打開所保存的文檔，打開結(jié)果如圖11所示，即為該電路的幅頻、相頻特性曲線。圖 9圖 10圖 11（6）請利用交流分析功能給出該電路的幅頻、相頻特性曲線。先點(diǎn)擊Simulate下的AC analysis，如圖12所示，在彈出的窗口中設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，如圖13所示，其中輸出選擇V(8),設(shè)置好后點(diǎn)擊按鈕即可得到該電路的幅頻、相頻特性曲線如圖14所示：圖 12圖13圖 14（7）請利用溫度掃描功能給出工作溫度從0變化到100時，輸出波形的變化。圖 15（溫度掃描的橫坐標(biāo)是運(yùn)行

14、時間）(8)根據(jù)前面得到的靜態(tài)工作點(diǎn)，請?jiān)O(shè)計(jì)一單管共射電路，使其工作點(diǎn)和原圖電路的靜態(tài)工作點(diǎn)一樣。利用溫度掃描功能，給出單管共射電路工作溫度從0變化到100時，輸出波形的變化，比較單管共射電路與共射差分電路的區(qū)別。所設(shè)計(jì)的單管共射放大電路如圖16所示：圖 16其靜態(tài)工作點(diǎn)如圖17所示：圖 17原圖所示差動放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)如圖18所示：圖 18比較上述兩圖可知所設(shè)計(jì)的單管共射電路的靜態(tài)工作點(diǎn)與差動放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)基本一致。利用溫度掃描功能，給出單管共射電路的工作溫度從0變化到100時，輸出波形變化如圖19所示：圖19對比圖15的差動放大器的工作溫度從0變化到100時，輸出波形的變化可以看出

15、，單管共射電路在溫度不同時，所輸出波形產(chǎn)生漂移；而差動放大器在不同溫度下，其輸出波形基本一致，只有略微的漂移。由此可看出，差分放大電路對溫漂具有很好的抑制作用。實(shí)驗(yàn)四：集成運(yùn)算放大器應(yīng)用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解集成運(yùn)放的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各部分功能、特點(diǎn)；2. 了解集成運(yùn)放主要參數(shù)的定義，以及它們對運(yùn)放性能的影響。3. 掌握集成運(yùn)算放大器的正確使用方法；4. 掌握用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成各種基本運(yùn)算電路的方法；5. 掌握根據(jù)具體要求設(shè)計(jì)集成運(yùn)算放大電路的方法，并會計(jì)算相應(yīng)的元件參數(shù)；6. 學(xué)習(xí)使用示波器DC、AC輸入方式觀察波形的方法，掌握輸出波形的測量繪制方法。二、實(shí)驗(yàn)電路 實(shí)驗(yàn)過程（1）按上圖搭建運(yùn)放電

16、路，觀測放大倍數(shù)，并通過調(diào)節(jié)反饋電阻R5來實(shí)現(xiàn)改變放大器的增益。放大倍數(shù)的測量應(yīng)選用示波器，其一個通道接在輸入電壓處，另一個通道接在輸出電壓處（示波器接法如第二部分實(shí)驗(yàn)電路所示）實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1、2、3所示，其中圖2是原電路圖的結(jié)果，圖1和圖3是改變電阻R5之后的結(jié)果，（圖中紅色線為輸入電壓，綠色線為輸出電壓）。圖 1 R5為，R7為圖 2 R5為，R7為圖 3 R5為，R7為分析如下： R5為，R7為可見即放大器增益為 R5為，R7為可見即放大器增益為-1 R5為，R7為可見即放大器增益為由此可見放大器增益為=（2）調(diào)整運(yùn)放的直流工作點(diǎn)，分析輸出直流信號的幅度與參考電壓的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表1

17、所示：表1圖 4 直流信號的幅度與參考電壓的關(guān)系圖中R4和R3串聯(lián)分壓，為參考電壓，顯然直流信號幅度與參考電壓成正比，經(jīng)過推導(dǎo)，與的關(guān)系為：結(jié)合我們實(shí)驗(yàn)所選電阻可得近似表達(dá)式為，符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果（3）對電路進(jìn)行溫度掃描，分析其溫度漂移特性如何。直接采用軟件提供的溫度仿真功能即可實(shí)現(xiàn)。圖 5 溫度漂移特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，其他條件相同時，不同溫度對應(yīng)的電壓幾乎完全相同，說明電路溫度漂移極小，可以忽略。（4）應(yīng)用AD817搭建積分器，微分器，射隨器電路。積分器電路如圖6所示圖 6 積分器輸入輸出波形如圖7所示圖 7 積分器波形圖其中綠線（A）為輸入，紅線（B）為輸出，輸入為方波信號，輸出為三角波信號（示波

18、器檔位都設(shè)置為交流檔）。該積分電路輸出與輸入的關(guān)系為：（為初始值，一般取0V）微分器電路如圖8所示圖 8 微分器輸入輸出波形如圖9所示圖 9微分器波形圖其中綠線（A）為輸入，紅線（B）為輸出，輸入為方波信號，輸出為脈沖函數(shù)，輸出對應(yīng)的沖擊剛好與輸入的邊沿符號相反。該微分電路輸出與輸入的關(guān)系為：射隨器電路如圖10所示圖 10 射隨器輸入輸出波形如圖11所示圖 11 射隨器波形圖其中綠線（A）為輸入，紅線（B）為輸出，輸入為正弦函數(shù)，輸出為一樣的正弦函數(shù)。該射隨電路的輸入輸出關(guān)系為：（圖中由于縱坐標(biāo)比例的不同，故看起來是二倍的關(guān)系，實(shí)際是相等的）（5）應(yīng)用AD817搭建減法器，要求有兩路信號輸入，經(jīng)過相減后輸出，并寫出減法器輸出電壓的表達(dá)公式。所設(shè)計(jì)的減法器如圖12所示圖 12 減法器該減法器輸出電壓的表達(dá)公式為：四、實(shí)驗(yàn)思考題：（1）大信號放大的特性與小信號放大特性的區(qū)別？大信號功率放大器在性能上主要要求是安全、高效率和在允許范圍內(nèi)不失真地輸出所需信號功率，來獲得大的信號功率，放大管就必須大信號運(yùn)行。小信號放大器在性能上主要關(guān)注輸入電阻、輸出電阻、增益