第4章 proteus 模擬電路實驗與綜合設計

第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計第4章

模擬電路實驗與綜合設計第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計4.1模擬電路實驗4.1.1模擬電路常用器件與儀器4.1.2單管共射放大器及負反饋4.1.3射極跟隨器4.1.4差動放大器4.1.5低頻功率放大器4.1.6RC正弦波振蕩器4.2直流可調穩(wěn)壓電源的設計第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計在電子線路中，研究含有線性電阻、電容和電感元件的電路(有直流和交流穩(wěn)態(tài)及動態(tài)電路)，屬于基礎理論電路，相對比較容易理解；而研究以非線性元件二極管和三極管為核心的電路，因為交直流并存，元件的多種作用與工作電壓的變化密切相關，不便于初學者理解和掌握。模擬電路就是以三極管為核心，處理模擬信號的電路。初學者往往對模擬電子技術的學習感到困惑，概念多而抽象，學生在實驗室里做實驗的時間又有限，尤其是前幾章的內容，稀里糊涂就過去了，給后面的學習帶來不少困難。在這一章里，我們主要對模擬電路中的幾個典型實驗進行仿真和分析，然后給出兩個模擬電路設計的綜合實例，目的在于使讀者對這一部分的仿真元件及儀器有個基本的掌握，幫助大家更好地理解和學習模擬電子技術，借助軟件，反復學習和驗證，最終克服學習中的難關。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計

4.1模擬電路實驗

這一節(jié)，我們把模擬電子技術中的經典實驗詳細介紹給大家，使大家對Proteus中的模擬電子技術部分仿真元器件和虛擬儀器有較為詳細的了解，并能夠熟練掌握和使用。同時，可以使廣大電子技術初學者和愛好者能夠在不進實驗室的情況下順利完成實驗，測得實驗數(shù)據(jù)和獲得實驗波形，設計出自己想要的理想電路，實現(xiàn)預定的電路功能，從而減少元件的浪費，縮短設計周期，提高設計成功率。首先，來看一看Proteus中有哪些模擬電路中常用的仿真器件和虛擬儀器能夠供我們使用吧。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計4.1.1模擬電路常用器件與儀器

1.模擬電路常用器件模擬電路中常用的器件主要有三極管、二極管、電阻、電容、電感、變壓器、直流電源、信號源、集成運放等。下面我們來看這些元件如何拾取。(1)三極管如何在Proteus的浩瀚元件庫中找到自己想要的三極管元件呢？打開Proteus的元件拾取對話框，在類別“Category”中的“Transistors”子類就是三極管，單擊第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計“Transistors”，出現(xiàn)如圖4-1中所示的元件。這些元件和我們平時常用的國產三極管的型號不太一致，比如常用的國產高頻小功率管3DG6對應于2N5551，替換的原則是雙方的管型一致，另外參數(shù)也要一樣(當然根據(jù)設計需求允許有誤差)，元件替換對應也可以在網(wǎng)上查找。如果只是一般的原理仿真，可以直接輸入“NPN”或“PNP”來拾取通用元件即可。如果用到場效應管，則可以在對應的子類中查找。如圖4-1中右側所示。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計圖4-1三極管元件拾取對話框第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計(2)二極管二極管的種類很多，包括整流橋、整流二極管、肖特基二極管、開關二極管、隧道二極管、變容二極管和穩(wěn)壓二極管。打開Proteus的元件拾取對話框，選中“Category”中的“Diodes”，出現(xiàn)如圖4-2所示的對話框，一般來說，選取子類“Sub-category”中的“Generic”通用器件即可，圖4-2右邊給出通用器件的查尋結果，可以單擊來看看需要使用哪種元件。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計圖4-2二極管元件拾取對話框第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計(3)電阻電阻的分類為“Resistors”，子類有0.6W和2W金屬膜電阻、3W、7W和10W繞線電阻、通用電阻、熱電阻(NTC)、排阻(ResistorPacks)、可變電阻(Variables)及家用高壓系列加熱電阻絲。常用電阻可直接輸入通用電阻“RES”拾取即可，然后再修改參數(shù)。這里我們主要說一下比較常用的可變電阻。直接輸入“POT”或“POT-”可找到四個或三個相關元件?！癙OT”為一般滑動變阻器，觸頭不能拉動，需選中后打開元件屬性對話框，修改“STATE”來改變觸頭的位置，“STATE”的初始值為5，觸頭位于中間，改為10后，觸頭位于最上，如圖4-3所示。由于調整不方便，一般不使用此元件，而使用下面的幾個滑動變阻器。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計圖4-3滑動變阻器元件屬性對話框第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計“POT-HG”滑動變阻器的好處是可以直接用鼠標來改變觸頭位置，精確度和調整的最小單位為阻值的1%，比如一個1kΩ的電阻，精確到10Ω，而一個100kΩ的電阻只能精確到1kΩ，所以，當電阻較大時，考慮把它分成兩部分串聯(lián)，一部分為較大阻值的固定電阻，另一部分為較小阻值的滑動電阻，這樣比較科學?！癙OT-LIN”和“POT-LOG”滑動變阻器和“POT-HG”一樣可以通過鼠標來改變觸頭位置，但精確度和調整的最小單位均為阻值的10%。讀者可以根據(jù)需要和調整精度來選擇所需要的滑動變阻器。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計(4)電容模擬電路中常用的電容為極性電容，即電解電容。其實無極性電容和電解電容在使用時沒什么區(qū)別，只不過當電容值較大時，一般在1μF以上時，要做成電解電容。放大電路中的耦合電容一般為10~100μF，為電解電容，特別注意的是，電解電容的正極性端的直流電位一定要高于負極性端才能正常工作，否則會出現(xiàn)意外現(xiàn)象。常用的無極性電容的名稱為“CAP”，極性電容為“CAP-ELEC”，還有一個可動畫演示充放電電荷的電容為“CAPACITOR”。極性電容“CAP-ELEC”的原理圖符號正端不帶填充，負端方框中填充有斜紋。使用時可直接輸入名字拾取即可。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計(5)電感和變壓器電感和變壓器同屬電感“Inductors”這一分類，只不過在子類中，又分為通用電感、表面安裝技術(SMT)電感和變壓器。一般來說，使用電感時直接拾取“INDUCTOR”元件，使用變壓器時，要看原、副邊的抽頭數(shù)而定。打開元件拾取對話框，選取“Inductors”大類下的子類“Transformers”，如圖4-4所示，在右側顯示出變壓器可選元件。常用的是前四種，名稱前綴為“TRAN-”，也可以直接輸入這個前綴來搜尋變壓器。為了幫助大家記憶變壓器的名稱，以第一個變壓器“TRAN-1P2S”為例來說明它的含義。“TRAN”是變壓器的英文“TRANSFORMER”的縮寫，“P”是原邊“PRIMARY”的意思，“S”是副邊“SECONDORY”的意思。而后面三個變壓器都是飽和變壓器，第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計如“TRSAT2P2S2B”即SaturatedTransformerwithsecondaryandbiaswindings，意思是具有副邊和偏置線圈的飽和變壓器。圖4-4變壓器拾取對話框第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計變壓器在調用時，由于對稱按鈕可能處于選中狀態(tài)，原、副邊繞組的位置就顛倒了，使用時要注意，尤其是原邊和副邊繞組數(shù)目相同的變壓器，這涉及到原、副邊的匝比是升壓或降壓變壓器的問題。變壓器的匝比是通過改變原、副邊的電感值來實現(xiàn)的。打開“TRAN-2P2S”變壓器的元件屬性對話框，如圖4-5所示，原邊和副邊的電感值都是1H，即變比n為1:1。如果我們想使它成為n=10:1的降壓變壓器，可以改變原邊電感，也可改變副邊電感，還可以兩者同時改變，但要保證，即原、副邊電壓比值等于原邊電感與副邊電感的平方比。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計改變原、副邊的電感值分別為100H和1H(也可以為1H和0.01H)，即原副邊電壓比為10:1，此變壓器為降壓變壓器，如圖4-6所示。圖4-5變壓器屬性對話框第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計圖4-6修改變壓器變比變壓器變比設定后，在原邊加一個交流源“ALTERNATOR”，使它為幅值100V，頻率為50Hz，同時在原邊加一個交流電壓表，在副邊也加一交流電壓表，運行仿真，顯示原邊電壓有效值為70.7V，副邊電壓有效值為7.07V，變壓為10:1。如圖4-7所示。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計圖4-7變壓器變比仿真(6)交、直流電源直流電源通常有單電池“CELL”和電池組“BATTERY”兩種，可任意改變其值。單相交流電源為“ALTERNATOR”，可改變其幅值(半波峰值)和頻率。如圖4-8所示。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計圖4-8交、直流電源(7)集成運放打開元件拾取對話框，選取“OperationalAmplifiers”分類，顯示子類有“Dual”、“Deal”、“Octal”、“Quad”、“Single”、“Triple”，分別為雙運放(即一個集成芯片內所包含的兩個相同運放)、理想運放、八運放、四運放、單運放和三運放。我們常用的集成運放是通用的理想運算放大器，可直接選子類“Deal”中的“OP1P”。如果知道集成運放的名稱，也可直接查尋，比如對常用的四運放LM324直接輸入“LM324”即可。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計2.模擬電路仿真中的常用儀器模擬電路中常用的仿真儀器主要有交流電壓表、交流電流表、直流電壓表、直流電流表、信號發(fā)生器、示波器和揚聲器。單擊工具欄中的虛擬儀器圖標，如圖4-9所示，在對象選擇區(qū)出現(xiàn)所有的虛擬儀器名稱列表，其中“OSCILLOSCOPE”、“SIGNALGENERATOR”、“DCVOLTMETER”、“DCAMMETER”、“ACVOLTMETER”、“ACAMMETER”分別為示波器、信號發(fā)生器、直流電壓表、直流電流表、交流電壓表和交流電流表。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計交、直流電壓表和交、直流電流表的量程都可以設定，比如可以設定一個交流電壓表為毫伏表，如圖4-9所示，只需改變元件屬性中的“DisplayRange”為“Millivolts”即可。圖4-9交流毫伏表的量程設定信號發(fā)生器的用法在3.2.7節(jié)已經介紹，下面主要說明示波器和揚聲器的用法。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計(1)示波器Proteus的虛擬示波器能完成四個通道(A、B、C、D)的波形顯示與測量。待測的四個輸入信號分別與示波器的四個通道相接，信號的另一端應接地。在前面的例子中我們已經熟悉了示波器的原理圖符號，下面介紹仿真運行后示波器界面各部分旋鈕的功能。圖4-10是示波器仿真運行后的界面。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計圖4-10示波器運行仿真后的界面第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計以通道A為例，“Position”旋鈕用來調整波形的垂直位移，下面的旋鈕用來調整波形的幅度顯示比例，外面的黃色箭頭是粗調，里面的黃色小箭頭是細調，當讀刻度時，應把里層的箭頭順時針調到最右端。四個通道的對應旋鈕使用方法一樣。在“Horizontal”下方的兩個旋鈕分別用來調整波形的水平位移和掃描頻率。當用鼠標單擊黑色的波形顯示區(qū)域后，也可以通過滾動鼠標滑輪來調整掃描頻率。其他旋鈕可保持原位不動。在運行過程中如果關閉掉示波器，需要從主菜單【Debug】中選取最下面【VSMOscilloscope】來重現(xiàn)。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計(2)揚聲器揚聲器在模擬電路的仿真中也經常用到。可直接輸入“Speaker”來調用，兩個接線端不分正負，因為它接收的是交流模擬信號。要注意驅動信號的幅值和頻率應在揚聲器的工作電壓和頻率范圍之內，否則不會響。當揚聲器不會鳴響時，可能是因為信號種類不匹配(比如數(shù)字信號)或揚聲器的電壓設的太大而需要修改。揚聲器的屬性參數(shù)對話框如圖4-11所示。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計圖4-11揚聲器屬性參數(shù)對話框第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計在模擬電路中，單管共射放大器及負反饋是非常重要的內容，這兩個實驗通常合并在一塊電路板中來做。接下來我們討論單管共射放大器的靜態(tài)工作點及動態(tài)參數(shù)的調試與測量，最后來觀察兩級放大電路中負反饋帶來的影響。單管共射放大電路靜態(tài)工作點的調試單管共射放大器及負反饋實驗的電路如圖4-12所示。我們先考慮單管共射放大器部分，即前一級電路，如圖4-13所示。

4.1.2單管共射放大器及負反饋

第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計圖4-12單管共射放大器及負反饋實驗電路圖第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計圖4-13單管共射放大器實驗電路圖第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計照圖4-12把整個電路圖連接好，兩級參數(shù)可取一樣。接上直流電源、信號發(fā)生器和示波器。下面調試第一級的靜態(tài)工作點，即找到一個合適的靜態(tài)工作點，然后再用直流表測量出來。把開關按圖示位置設定好，按仿真運行按鈕，把信號發(fā)生器的頻率調為1kHz，幅值盡可能大，直到觀察到示波器顯示的輸出波形出現(xiàn)雙頂失真為止，如圖4-14中的波形(a)所示?？纯催@個失真的波形是否上下對稱失真，如果不對稱，調整圖4-13中的滑動變阻器RV1來改變靜態(tài)工作點使波形看似對稱，如圖4-14中的波形(b)所示。因為眼睛看到的對稱失真并不一定是真的對稱，所以還需減小信號發(fā)生器的幅值，使波形一端的失真剛好消失，如圖4-14中的波第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計形(c)所示，這驗證了靜態(tài)工作點仍然不合適。進一步調整滑動變阻器，使波形兩端出現(xiàn)對稱失真，再減小信號發(fā)生器的幅值，使波形一頂失真消失，反復幾次，直到波形兩頂?shù)氖д鎰偤猛瑫r消失，如圖4-14中的波形(d)所示，這時的靜態(tài)工作點是最合適的，保持滑動變阻器的位置不要再動了。圖4-14單管共射放大器調試靜態(tài)工作點波形第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計調試的原理是來自于單管共射放大電路三極管的輸出特性，如圖4-15所示，為NPN雙極型三極管的輸出特性曲線，其中的斜線為交流負載線，靜態(tài)工作點應位于交流負載線的中點Q，交流信號在變化時才能得到最大不失真的輸出波形。如果靜態(tài)工作點位于交流負載線的Q＇點，則輸出波形如圖中的失真波，即集電極電流稍有增加，三極管便進入飽和區(qū)，產生飽和失真，使放大能力下降。一般來說，調整基極電阻，可方便地改變靜態(tài)工作點的值。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計圖4-15三極管的輸出特性與靜態(tài)工作點第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計上述的靜態(tài)工作點調整方法，就是故意讓輸出波形失真來看失真的對稱度，從而判斷靜態(tài)工作點是否位于交流負載線的中間，因為合適的靜態(tài)工作點并不意味著不會產生失真，只要輸入信號足夠大，就會產生失真，只不過是產生對稱的失真。通過反復調整輸入信號的幅值和基極電阻的大小，來觀察和改變靜態(tài)工作點，從而找到一個最佳靜態(tài)工作點，只有找到了最佳靜態(tài)工作點，接下來的動態(tài)參數(shù)測量才有意義。給定一塊電路板，不能盲目地去進行數(shù)據(jù)測量。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計雖然電容隔直，R6左邊的交流信號源的短路線可以省去，開路即可，但在沒有電容的直接耦合電路中卻不能開路，為了養(yǎng)成良好的習慣，建議使交流信號短接而不是開路。把三個直流電壓表和一個直流電流表(毫安表)連接，可測得如表4-1所示的數(shù)據(jù)。其中，IC的數(shù)據(jù)是約等。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計圖4-16靜態(tài)工作點的測量第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計注意，三個電壓表一定直接連接到三極管的三個極上，不能在電容C1前或電容C2后測量。表4-1中后兩列是計算值。3.單管共射放大電路動態(tài)參數(shù)的測量

前面提到，靜態(tài)工作點的合適與否直接影響交流輸出信號的幅值。那么是不是第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計有了合適的靜態(tài)工作點后，輸出電壓與信號源的比就一定能夠得到最大值呢？不是的，影響放大倍數(shù)的還有放大電路的幾個動態(tài)參數(shù)：輸入電阻、輸出電阻和帶寬。首先來討論電壓放大倍數(shù)的測量。(1)電壓放大倍數(shù)電壓放大倍數(shù)有兩種含義，一種是輸出電壓對信號源的比值，即，另一種是輸出電壓對輸入電壓的比值，即。由于Proteus的虛擬信號源都是理想電壓源，沒有內阻，所以圖4-16所示的電路中用電阻R6(10kΩ)來模擬信號源內阻，當然與實際相比有些大了。真正分到放大電路中的信號電壓是R6的右端(即基極)到地之間第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計

的交流電壓，另外一部分電壓降落在R6上。在輸入端接信號發(fā)生器，在信號發(fā)生器上并聯(lián)一個交流毫伏表以測信號源電壓的有效值。調節(jié)信號發(fā)生器的幅值使交流毫伏表的讀數(shù)約為10mV，把示波器接在輸出端，觀察輸出波形，以不失真為準。斷開負載電阻使放大電路空載，在輸出端接交流電壓表。運行仿真，各表讀數(shù)如圖4-17所示?？捎嬎愫仙祥_關SW3加上負載后，輸出電壓的幅值會下降，請大家自己測量和計算并分析原因。

第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計圖4-17空載時電壓放大倍數(shù)的測量第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計由于是單管共射放大電路，所以輸出波形和輸入波形是倒相的，放大倍數(shù)應該是負值。示波器的輸入輸出波形如圖4-18所示。圖4-18輸入與輸出波形第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計(2)輸入電阻放大電路的輸入電阻是從放大電路輸入端看進去的無源網(wǎng)絡的等效電阻，計算此電阻要先畫出放大電路的微變等效電路，也可以直接通過實驗方法來測量，這樣更方便和快捷。其原理如下：如圖4-19所示，可以把放大電路的交流通路看成是二端口網(wǎng)絡，輸入端為含有內阻的信號源，輸出端接負載。其中，Ri為輸入電阻，Ro為輸出電阻。當電路設計好后，二端口的參數(shù)就確定不變了?？蛰d時，輸出電壓Uo與輸入電壓Ui的比值是定值，但由于二端口外的元件US、RS及RL是隨不同的用戶使用而定的，所以根據(jù)兩端串聯(lián)分壓原理，Ri與Ro會分別影響Ui與Uo的值，從而引起輸出電壓的變化而影響電壓放大倍數(shù)。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計在圖4-19中的輸入端，有，如果知道US、RS及Ui，就可以算出Ri，測量輸入電阻的原理就如此?；仡^看實驗圖4-17，US=10.3mV，Ui=4.07mV，RS=10kΩ，則可算出Ri=10.7kΩ?？梢姡斎腚娮柙酱?，放大電路分得的電壓就越大，輸出電壓就越大，當然這里模擬用的內阻RS有點過大。圖4-19輸入、輸出電阻測量原理圖第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計(3)輸出電阻根據(jù)圖4-19不難理解，如果把放大電路再看成一個電壓源，對負載供電，則輸出電阻Ro就是這個電壓源的內阻，Ro越小，負載上分得的電壓就越大，放大電路的性能就越好。因此有，其中為空載電壓。測量輸出電阻的實驗是，分別測出空載和帶負載情況下的輸出電壓、Uo及負載電阻RL，就可以算出Ro的值。(4)帶寬前面分別提到靜態(tài)工作點、交流輸入及輸出電阻會影響放大電路的電壓放大倍數(shù)，但當這些參數(shù)都設計合理后，是不是放大電路的性能就完美無缺了呢

?第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計其實，前面提到的放大都是對某一固定頻率信號的幅值進行的放大，我們在做實驗的時候，通常把信號頻率調節(jié)到1kHz。如果保持信號的幅值不變而改變其頻率，會發(fā)現(xiàn)放大倍數(shù)在某些頻段會保持不變，而在另一些頻段則會突然下降，甚至為零。這就是我們所說的頻率響應，即頻率對放大倍數(shù)的影響。不同的放大電路的頻率響應是不一樣的，這主要是因為電路中的電容(耦合電容、旁路電容、極間電容等)的阻抗會隨頻率而改變，從而導致電路的輸入、輸出阻抗變化，影響輸出電壓的大小。在單管共射放大電路中，頻率過高和過低都會造成放大倍數(shù)的衰減，只有在中頻段，放大倍數(shù)才穩(wěn)定不變，這一段的頻率范圍稱為帶寬，通常用fBW來表示。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計測量單管共射放大電路帶寬的方法是，在放大電路輸入端先加一小信號，比如10mV、1kHz，用示波器觀察輸出電壓波形，要保證輸出波形不失真。調節(jié)示波器的掃描旋鈕，讓波形集中，調整示波器的垂直增益，使輸出波形正好占據(jù)10格，如圖4-20所示。圖4-20中頻段輸出波形的幅度第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計接下來減小信號發(fā)生器的頻率，調整示波器的掃描旋鈕，使波形在頻率較低的情形下仍能相對集中，以便觀察幅值所占的格數(shù)。繼續(xù)減小信號發(fā)生器的頻率值，直到輸出波形在示波器中所占的格數(shù)減為7格，如圖4-21所示，這時讀信號發(fā)生器的頻率為13Hz，即放大電路的下限轉折頻率fL。以同樣的方法讀出上限轉折頻率為400kHz，即fH。這個放大電路的帶寬fWH=fH－fL約為400kHz。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計根據(jù)單管共射放大倍數(shù)頻率響應的幅頻特性，如圖4-22所示，在中頻段，即13Hz~400kHz范圍內，放大倍數(shù)基本恒定，當頻率小于13Hz或大于400kHz時，放大倍數(shù)按每10倍頻程20分貝的速度上升或衰減。圖中顯示的是理想幅頻特性，其實，在轉折頻率處，中頻放大倍數(shù)要下降3dB，即是原來的0.707倍。圖4-21截止頻率時的輸出波形的幅度第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計在本實驗中，因為輸入信號未變，輸出電壓變?yōu)樵瓉淼?.7倍，即放大倍數(shù)變?yōu)樵瓉淼?.7倍。故改變信號頻率，使輸出電壓的幅值由原來的10格縮為7格時，即轉折頻率所對應的幅值，就測出了轉折頻率和帶寬。圖4-22單管共射放大電路的頻率響應第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計4.負反饋在單管共射放大電路實驗的一開始，我們給出的實驗電路板是一個含有負反饋的兩級放大電路，如圖4-12所示?？梢耘袛喑鲈撠摲答仦殡妷捍?lián)負反饋。因為電壓串聯(lián)負反饋能夠使放大電路的輸出電阻變小，輸入電阻增大，拓展了帶寬，從而改善了該兩級放大電路的動態(tài)性能，但是所有這些都是以犧牲放大倍數(shù)為代價的。本實驗我們先分別調試好兩級放大電路的靜態(tài)工作點，然后在斷開負反饋的情況下，按照前面介紹的方法，測試兩級放大電路的整體輸入電阻、輸出電阻、電壓放大倍數(shù)和帶寬。合上開關SW2，在接上負反饋的情況下，把以上四個參數(shù)再測量一遍，進行比較，找出它們之間的關系。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計為了節(jié)約時間，四個參數(shù)的測量應該這樣來做比較方便，比如測輸入電阻，一次把含有負反饋和不含負反饋兩種情況都測了。先把開關SW2撥到斷開位，讀輸入端信號電壓，然后再把開關SW2撥到閉合位，重讀一遍。其他參數(shù)依此類推。通過測量和比較，得出的結果是

第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計4.1.3射極跟隨器

共集電極放大電路又叫射極跟隨器，因為它的電壓從射極輸出且與輸入電壓大小幾乎相等，相位一致，就好像輸出電壓總是跟隨輸入電壓的變化一樣。射極跟隨器并不能放大電壓，它能夠放大電流，它的輸入電阻高，輸出電阻低，電路的動態(tài)性能比較好，適合做多級放大電路的初級和末級。但由于差動放大電路和功率放大電路的出現(xiàn)，在高性能運放的輸入級和輸出級一般不使用射極跟隨器。如圖4-23所示，是單管共集放大電路，在該實驗中，我們主要完成以下工作：第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計測量靜態(tài)工作點；測量動態(tài)參數(shù)；觀察輸入、輸出波形。圖4-23射極跟隨器實驗電路第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計1.靜態(tài)工作點的測試按照圖4-23的接線，先進行靜態(tài)工作點調試，由于射極跟隨器的電壓不能被放大，所以在調試靜態(tài)工作點時需要加比較高的輸入電壓才能觀察到失真的出現(xiàn)，一般從1V加起，逐漸加大。靜態(tài)工作點調整合適后，照圖4-24接線，測量靜態(tài)工作點。注意，測量靜態(tài)工作點所用的都是直流表，測量集電極電位的電壓表可省去，因為集電極直接接12V直流電源。電流表要在屬性對話框中改為毫安表，注意電流從正端流向負端。測得的數(shù)據(jù)如圖4-24中各電表所示，列于表4-2中。

第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計圖4-24射極跟隨器的靜態(tài)工作點測量電路第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計2.測量動態(tài)參數(shù)動態(tài)參數(shù)仍然是電壓放大倍數(shù)、輸入電阻、輸出電阻和帶寬。照圖4-23接線，運行仿真，把信號發(fā)生器的頻率調為1kHz，調節(jié)信號發(fā)生器的幅度使電路的輸入電壓為2V，讀得信號發(fā)生器的電壓有效值為2.02V，輸出電壓有效值為1.99V。于是可以算出各動態(tài)參數(shù)。電壓放大倍數(shù)表4-2射極跟隨器靜態(tài)工作點測量值第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計輸入電阻輸出電阻保持輸入信號不變，空載和接負載時分別測得輸出電壓，如圖4-25和圖4-26所示，可計算輸出電阻如下：第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計圖4-25射極跟隨器動態(tài)參數(shù)的測量第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計圖4-26射極跟隨器輸出電阻的測量第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計通過計算可以發(fā)現(xiàn)，此射極跟隨器的輸入電阻高達到200kΩ，輸出電阻低至27.4Ω，電壓放大倍數(shù)接近1但小于1。至于帶寬，讀者可以借鑒前面單管共射放大電路的方法自己來測算，下面來觀察輸入輸出電壓波形。3.觀察輸入輸出波形在以上各動態(tài)參數(shù)的測量過程中，前提是輸出電壓不失真，最好是把示波器接在輸出端，每測量或改變一個參數(shù)，都要觀察輸出電壓的波形，確保是在不失真狀態(tài)下。現(xiàn)在的主要目的是觀察、對比輸入輸出電壓波形，驗證輸出電壓是否與輸入電壓大小相等、方向相同。在輸入端加上使輸出不失真的合適輸入電第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計

壓，使輸出空載，把輸入、輸出分別接到示波器的A、B通道，調節(jié)示波器的掃描旋鈕和A、B通道的垂直位移及增益旋鈕，保持兩通道的增益一致，垂直位移稍有不同，否則兩波形將重疊。觀察到的波形如圖4-27所示。由此可驗證射極跟隨器名稱的由來。圖4-27射極跟隨器的輸入輸出波形第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計差動放大器用在多級放大電路的第一級，主要目的是減少零漂。與單管共射放大電路相比，差動放大器使用了雙倍的元件卻得到同樣的電壓放大倍數(shù)，但它卻具有相當高的共模抑制比，即對共模信號的放大倍數(shù)近似為零。差動放大器的實驗主要測電路的靜態(tài)工作點、單端和雙端輸出時的差模電壓放大倍數(shù)Ad、共模電壓放大倍數(shù)Ac及共模抑制比KCMRR。圖4-28是差動放大器的實驗電路，其中T3、R1、R2、RE3構成恒流源，T3的集電極電流為恒流源的輸出。兩位開關K用來選擇差動放大器射極接電阻還是接恒流源，當K撥到左邊，差動放大器接10k的射極電阻RE，撥到右邊接恒流源，4.1.4差動放大器

第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計共模抑制能力更強。RW是調零電阻，在仿真時，因為我們可以做到差動對管及相應的元件完全對稱，而在實際電路中卻不能，利用調零電阻RW來調節(jié)兩個共射放大電路的對稱性。開關SW1用來在測靜態(tài)工作點時短接信號源。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計圖4-28差動放大器實驗電路第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計1.電路調零在測各參數(shù)之前，先進行電路調零。如圖4-29所示，在T1、T2管兩集電極之間接一直流伏特表，閉合開關SW1，把開關K打在左側，這時電路中全部為直流電量。調節(jié)滑動變阻器RW，使電表的讀數(shù)接近零為止。調零完成，去掉電壓表，保持RW的觸頭位置不變。圖4-29調零電路第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計2.測量靜態(tài)工作點

在只有直流電源作用的情況下，測得電路中的基極電位、射極電位、集電極電位和集電極電流。照圖4-30連接電路，測得的數(shù)據(jù)如表4-3所示。圖4-30差動放大器的靜態(tài)工作點測量電路第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計3.單端輸出時的放大倍數(shù)和共模抑制比(1)單端輸出差模電壓放大倍數(shù)打開SW1，在差模輸入端接一信號源，并聯(lián)交流毫伏表，運行仿真，調節(jié)信號源的頻率為1kHz，調節(jié)信號源的幅值使交流毫伏表的讀數(shù)約為200mV。在T1管的集電極接一交流伏特表，如圖4-31所示。最好在T1管集電極接示波器，觀察輸出電壓波形不失真為準。表4-3差動放大器靜態(tài)工作點測量值第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計先把開關K撥到左側，測得T1管的集電極輸出電壓為7.79V；再把開關K撥到右側，測得T1管的集電極輸出電壓為6.55V?？捎嬎愠錾錁O分別接電阻和恒流源時的單端輸出差模電壓放大倍數(shù)為圖4-31差動放大器的單端輸出差模電壓放大倍數(shù)測量電路第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計(2)單端輸出共模電壓放大倍數(shù)如圖4-32所示，把T1、T2管的兩輸入端并聯(lián)，再接一頻率為1kHz、有效值約為100mV的共模輸入信號。圖4-32差動放大器的單端輸出共模電壓放大倍數(shù)測量電路第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計先把開關K撥到左側，測得T1管的集電極輸出電壓為6.38V；再把開關K撥到右側，測得T1管的集電極輸出電壓為4.71V。可分別計算出射極接電阻和恒流源時的單端輸出共模電壓放大倍數(shù)為計算結果表明，單端輸出時的共模電壓放大倍數(shù)小于差模電壓放大倍數(shù)，理想情況下，由于射極電阻較大，共模抑制能力強，共模電壓放大倍數(shù)應接近零，但這里無論接10kΩ的射極電阻還是接恒流源，共模電壓放大倍數(shù)都不夠理想，即共模電壓放大倍數(shù)并沒有降下來。但T1和T2管接射極電阻和接恒流源兩種情況下,由于射極電阻較大，共模抑制能力強，共模

第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計放大倍數(shù)應接近零，但這里無論接10kΩ的射極電阻還是接恒流源，共模電壓放大倍數(shù)都不夠理想，即共模電壓放大倍數(shù)并沒有降下來。但T1和T2管接射極電阻和接恒流源兩種情況下，第二種接法共模電壓放大倍數(shù)要小些，效果更好些。這只是測試電路，日常應用中的共模輸入電壓一般來自溫度或其他因素，非我們故意加之，而是系統(tǒng)輸入中所不能剔除的部分，通過差動電路來抑制。(3)單端輸出時的共模抑制比

把單端輸出時的差模電壓放大倍數(shù)比上共模電壓放大倍數(shù)，它們的絕對值即共模抑制比，能反映一個電路對共模信號的抑制能力，此值越大越好。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計可求得本實驗電路接射極接電阻和接電流源時的共模抑制比分別為4.雙端輸出時的放大倍數(shù)和共模抑制比按照前面介紹的差模輸入信號和共模輸入信號的接法，在輸入端分別接1kHz、有效值約為100mV的差模和共模輸入信號，在T1和T2管的集電極之間接一交流電壓表，測得雙端輸出時的差模輸出電壓和共模輸出電壓分別為7.26V和0V，如圖4-33所示。

第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計(a)差模輸出(b)共模輸出圖4-33差動放大器的雙端輸出測量電路第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計

可算出雙端輸出時的差模電壓放大倍數(shù)、共模電壓放大倍數(shù)以及共模抑制比分別為可見，雙端輸出時的共模抑制能力最強。而我們平時所見的電路大部分在差動電路后面還要接單端輸入電路，故單端輸出應用比較多，這就要求射極電阻足夠大，最好接理想恒流源，它的電阻接近∞。

5.輸出波形的觀察在差模輸入時，如果輸入信號的正極性端接T1管的基極，由于共射電路的倒相性，單端輸出從T1管的集電極對地的輸出電壓是和輸入差模信號倒相的，相反，對于同樣的輸入信號，從T2管的集電極輸出電第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計

壓是和輸入電壓同相的，如圖4-34所示，分別是單端輸出時的兩個輸出電壓及差模輸入電壓，請大家判斷分別是哪個波形。雙端輸出時，如果選擇T1管的集電極為輸出電壓的正極性端，則輸出電壓與輸入電壓同相，否則反相。圖4-34單端輸出時的電壓波形第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計這里要討論的低頻功率放大器是一個OTL(無輸出變壓器)電路，5V單直流電源供電，輸出端接1000μF的大電容，通過充放電，做負電源使用，原理上和OCL電路還是一樣的。如圖4-35所示，電路中采用由R5、C3組成的自舉電路來抬高A點的電位。在本實驗中，我們主要調試和觀察交越失真波形、測量最大不失真輸出電壓及計算最大輸出效率。4.1.5低頻功率放大器

第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計圖4-35低頻功率放大器第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計1.觀察交越失真波形照圖4-35連接，并連接直流電壓表和直流毫安表。調節(jié)RV1，使A點的直流電位達到2.5V，調節(jié)RV2使毫安表的讀數(shù)在5~10mA之間。這時，兩個管子的VCE均為2.5V，電容C2通過直流電源、T1和8Ω揚聲器負載充電至2.5V。圖4-36輸出波形的交越失真現(xiàn)象第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計

圖4-35中的RV2和D1是專門用來消除輸出波形的交越失真的。但現(xiàn)在我們故意來調節(jié)RV2使Q2與Q3兩基極間電壓減小，從而在輸出波形中出現(xiàn)交越失真。首先對圖4-35做些改動，斷開C1與地之間的短路線，接交流信號發(fā)生器，在C2后接示波器。運行仿真，使信號發(fā)生器的頻率為1kHz，調節(jié)其幅值，觀察示波器上的波形使其不出現(xiàn)上下頂失真。接下來把RV2往下調，直到輸出波形出現(xiàn)交越失真為止，如圖4-36所示。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計2.最大不失真輸出電壓及輸出效率觀察了交越失真之后，繼續(xù)調節(jié)滑動變阻器RV2，使其值變大，直至交越失真消失為止。然后加大輸入信號的幅值，使輸出波形上下頂出現(xiàn)失真，然后調節(jié)RV1，使失真對稱，減小輸入信號幅值，觀察失真是否真的對稱，這樣反復調節(jié)RV1和減小輸入信號幅值，直到輸出波形上下頂?shù)牟ㄐ问д鎰倓偼瑫r消失為止。這時的靜態(tài)工作點是合適的。測量此時的輸出電壓有效值，即為最大輸出電壓。方法是在輸出端接一交流電壓表，讀出電壓表的讀數(shù)Uo=425mV。這個輸出電壓有點小的原因主要是兩個功放管性能不是太匹配。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計

輸出效率等于最大不失真輸出電壓時，負載功率與直流電源功率的比值。在圖4-35中，我們可以讀出直流電源的電流為7.79mA，電壓為5V，則功率PE為電路的效率η為第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計4.1.6RC正弦波振蕩器

正弦波振蕩器由四部分組成，分別是放大電路、選頻網(wǎng)絡、正反饋電路和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。正弦波振蕩電路的典型特征是無交流輸入信號，卻在輸出端產生了正弦波輸出信號。它的原理是，在直流電源閉合的一瞬間，頻率豐富的干擾信號串入振蕩電路的輸入端，經過放大后出現(xiàn)在電路的輸出端，但是由于幅值很小而頻率又雜，不是我們希望的輸出信號。此信號再經過選頻兼正反饋網(wǎng)絡，把某一頻率信號篩選出來(而其他信號被抑制)，再送回放大電路的輸入端，整個電路的回路增益應略大于1，這樣不斷的循環(huán)放大，得到失真的輸出信號，最后經穩(wěn)幅環(huán)節(jié)可輸出一個頻率固定、幅值穩(wěn)定的正弦波信號。正弦波振蕩器的結構框圖如圖4-37所示。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計

根據(jù)正弦波振蕩電路選頻網(wǎng)絡的結構來區(qū)分和命名正弦波振蕩電路，RC電路有RC串并聯(lián)振蕩電路、三節(jié)RC移相式振蕩電路和雙星型振蕩電路；LC電路有變壓器反饋式振蕩電路、電容三點式和電感三點式振蕩電路以及石英晶體振蕩電路等。本實驗介紹RC串并聯(lián)振蕩電路，如圖4-38所示。這個電路共由三部分組成：T1、T2組成的兩級共射放大電路，R1、C1、R2、C2組成的串并聯(lián)選頻兼正反饋網(wǎng)絡以及RW和RF組成的電壓串聯(lián)負反饋穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。圖4-37正弦波振蕩器的結構框圖第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計先把滑動變阻器RW調到最上邊，使引入負反饋最弱，放大電路的放大倍數(shù)最大。合上開關SW1，觀察示波器的波形如圖4-39左圖所示，出現(xiàn)失真波形。慢慢向下調節(jié)RW，加大負反饋作用，輸出波形逐漸化成圖4-39右圖所示的正弦波。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計圖4-38RC串并聯(lián)正弦波振蕩電路第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計電路的頻率由R1(R2)和C1(C2)決定，即可以讀出示波器的掃描旋鈕刻度為0.1ms/格，一個正弦波周期所占的格數(shù)約為10格，算出周期為1ms，即頻率為周期的倒數(shù)1kHz，這與通過參數(shù)計算的結果基本一致。圖4-39正弦波振蕩電路的輸出波形第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計4.2直流可調穩(wěn)壓電源的設計

利用Proteus來設計綜合模擬電路非常方便，它有豐富的元件庫及仿真儀器，能夠節(jié)約時間和元件成本，縮短設計周期，調試方便，并且設計的一次成功率高。本節(jié)我們一起來設計一個模擬電子技術中常用的電路，通過例子對Proteus各種功能的綜合應用更加得心應手。直流穩(wěn)壓電源是大家頗為熟悉的電路了，這里我們設計一個可調直流穩(wěn)壓電源，具體要求如下：第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計輸出電壓在1.25V~37V可調；最大輸出電流為1.5A；電壓調整精度達0.1%。1.題目分析直流穩(wěn)壓電源的作用是通過把50Hz的交流電變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓從而使電路變成恒定的直流電壓，供給負載，如圖4-40所示。設計出的直流穩(wěn)壓電源應不以電網(wǎng)電壓的波動和負載的變換而改變。圖4-40直流穩(wěn)壓電源的組成第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計直流穩(wěn)壓電源的種類有很多，常用的是串聯(lián)型直流穩(wěn)壓電源，而由于集成技術的發(fā)展，集成穩(wěn)壓器件方便而可靠，逐漸代替了串聯(lián)直型直流穩(wěn)壓電源中的調整管及相關電路。主要的集成穩(wěn)壓器件有：固定式穩(wěn)壓器件W78XX和W79XX；可調式穩(wěn)壓器件W117、W217和W317。W78XX穩(wěn)壓器件用來穩(wěn)定正電壓，而W79XX穩(wěn)壓器件用來穩(wěn)定負電壓。它們的輸出電壓各有7個等級，W78XX輸出電壓有5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V。如W7805輸出+5V直流電壓，W7809輸出+9V直流電壓。輸出電流有三個等級，分別為1.5A、0.5A(M)和0.1A(L)。如W7805最大輸出電流為1.5A，W78M05最大輸出電流為0.5A，W78L05最大輸出電流為0.1A。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計可調式穩(wěn)壓器件LM117/LM317是美國國家半導體公司的三端可調正穩(wěn)壓器集成電路。LM117/LM317的輸出電壓范圍是1.25V至37V，負載電流最大為1.5A。它的使用非常簡單，僅需兩個外接電阻來設置輸出電壓。此外，它的線性調整率和負載調整率也比標準的固定穩(wěn)壓器好。LM117/LM317內置有過載保護、安全區(qū)保護等多種保護電路。調整端使用濾波電容能得到比標準三端穩(wěn)壓器高得多的紋波抑制比。LM117/LM317有許多特殊的用法，比如把調整端懸浮到一個較高的電壓上，可以用來調節(jié)高達數(shù)百伏的電壓，只要輸入輸出電壓差不超過LM117/LM317的極限就行，當然還要避免輸出端短路。還可以把調整端接到一個可編程電壓上，實現(xiàn)可編程的電源輸出。可調整輸出電壓低到1.2V，保證1.5A輸出電流，典第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計

型線性調整率0.01%，典型負載調整率0.1%，80dB紋波抑制比，輸出短路保護，過流、過熱保護，調整管安全工作區(qū)保護，標準三端晶體管封裝。

LM117/LM317在1.25V至37V之間連續(xù)可調。調整端的電流可忽略不計，因而有

其中，UREF是集是穩(wěn)壓器件的輸出電壓，為1.25V。如圖4-41所示，改變R2的值，UO的值即可改變。當R2短路時，UO最小，為UREF即1.25V；當R2大于零時，UO都大于UREF，最大可達37V。第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計集成穩(wěn)壓器件的封裝如圖4-42所示。圖4-41集成可調直流穩(wěn)壓器件的接法第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計圖4-42集成直流穩(wěn)壓器件的封裝第4章proteus模擬電路實驗與綜合設計2.電路設計根據(jù)以上分析，我們來設計一個由集成穩(wěn)壓器件構成的直流可調穩(wěn)壓電源。按照圖4-40所示的直流穩(wěn)壓電源的組成，來分步設計變壓、整流、濾波和穩(wěn)壓幾部分電路。(1)變壓電路直流電源通常從市電取電，把220V、50Hz的單相交流電先降壓，變成所需的交流電，然后再整流。根據(jù)橋式整流