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负反馈放大电路的设计与仿真·
13
实验三
阶梯波发生器的设计与仿真·
20
实验要求：
1.给出单级放大电路原理图；
2.给出电路饱和失真、截止失真和最大不失真时的输出信号波形图，并给出三种状态下电路的静态工作点；
3.给出三极管的输入、输出特性曲线和β、rbe、rce值的实验图，给出测试结果；
4.给出测量输入、输出电阻和电压增益的实验图，给出测试结果并和理论计算值进行比较；
5.给出电路的幅频和相频特性曲线，并给出电路的fL和fH；
6.分析实验结果。
一、电路原理图
二、三种状态下的电路波形、静态工作点
a.饱和失真
当电位计为29%时，电路出现饱和失真，其波形和静态工作点如下图所示：
由波形可以看出饱和失真时的波形具有削底的现象，其静态工作点为：
IB=50.08160μA
IC=1.18089μA
UBE=U2-U4=0.64159V
UCE=U5-U4=0.08903V
因为UBE>
UCE满足饱和失真的条件，所以此时电路处于饱和失真。
b.截止失真
当电位计为90%时，电路出现截止失真，其波形和静态工作点如下图所示：
由波形可以看出截止失真时的波形具有削顶的现象，其静态工作点为：
IB=3.54457μA
IC=507.95075μA
UBE=U2-U4=0.60016V
UCE=U5-U4=6.91346V
因为UBE<
UCEUBC=U2-U5=-6.3133<
0集电结反偏，发射结虽不是反偏但是其正偏电压很小，满足截止失真的条件，所以此时电路处于截止失真。
c.电路最大不失真时
当电位计为53%时，电路处于最大不失真状态，其波形和静态工作点如下图所示：
最大不失真静态工作点为：
IB=7.55892μA
IC=915.08686μA
UBE=U2-U4=0.62533V
UCE=U5-U4=2.83547V
发射极正偏，集电极反偏，电路处于正常放大状态。
三、三极管的特性曲线
1三极管输入特性曲线的测量电路如下图所示：
利用直流扫描做出的特性曲线如下图所示：
由不失真时的静态工作点可知，把拉杆拉至UBE=0.62533V附近时，可算得rbe
rbe=dx/dy=4427Ω
2三极管输出特性曲线的测量电路如下图所示：
由不失真时的静态工作点可知，把拉杆拉至UCE=0.62533V附近时，可算得rce和β
由于IBQ=7.55892μA，故选择第四列数据作为基准计算β和rce
β=Δic/Δib=（934.6194μ–867.8640μ）/0.5μ=133
rce=13.4454m/1.0038μ=13395Ω在理论计算时不可将rce视为开路。
四、输入、输出电阻和电压增益
a.输入电阻的测量电路如下图所示：
根据测量的数据可得输入电阻Ri=7.071m/1.916μ=3690Ω
而理论值为Ri=Rb1//R5//rbe=3722Ω
其相对误差为E=0.86%
b.输出电阻的测量电路如下图所示：
根据测量的数据可得输出电阻Ro=3.766/706.559μ=5330Ω
而理论值为Ro=Rce//Rc=5008kΩ
其相对误差为E=6.43%
c.电压增益的测量电路如下图所示：
根据测量的数据可得电压增益Av=-561.169/7.071=-79.36
而理论值为Av=-β（Rc//RL）/rbe=-93.55
其相对误差为E=15.17%
五、幅频、相频特性曲线
利用交流分析可得电路的波特图，如下图所示：
由图中数据可以得出fL=154.0786Hz;
fH=2.4255MHz
六、实验结果的分析
利用multisim的实验仿真结果可以看出，本次的测量结果不是很理想，因为实验结果的误差挺大的，尤其是电压放大倍数的误差。
通过总结，发现误差的产生应该是由以下几个方面引起的。
1.静态工作点的选择不太合理。
由于本次实验中的Vcc=12V，而静态工作点中的UCE=2.83547V，约为Vcc的四分之一，略微倾向于饱和失真。
2.不失真波形是通过主观人为判断的，主观判断引起的误差不可避免。
1.给出引入电压串联负反馈的电路接线图；
2.给出两级放大电路的电路原理图；
3.给出负反馈接入前、后电路的放大倍数、输入电阻、输出电阻，并验证AF=1/F；
4.给出负反馈接入前、后电路的频率特性和fL、fH的值，以及输出开始出现失真时的输入信号幅度；
5.分析实验结果。
一、两级放大电路的电路原理图
二、引入电压串联负反馈的电路接线图
三、接入反馈之前
1.电压放大倍数的测量数据如下图所示：
由图中数据可算出电压放大倍数Av=101.969m/707.1μ=144.20
2.输入电阻的测量数据如下图所示：
由图中数据可算出输入电阻Ri=707.078μ/693.369n=1019.77Ω
3.输出电阻的测量数据如下图所示：
由图中数据可算出输出电阻Ro=2.683k/706.683m=3796.61Ω
4.波特图如图所示：
由图中数据可得：
fL=49.8346Hz
fH=145.2235kHz
5.输出开始出现失真时的输入信号幅度
当输入信号的幅度为3mV的时候，输出开始失真，而且为截止失真。
四、接入反馈之后
由图中数据可算出电压放大倍数AV=1.268m/707.087μ=1.79
2.验证AF=1/F
因为AF=XO/Xi而F=XF/XO所以只需验证XF=Xi即可验证AF=1/F
输入电压和反馈电压的测量数据如下图所示：
由图可知Ui=707.088μVUF=701.661μV
两者近似相等，所以AF=1/F
3.输入电阻的测量数据如下图所示：
由图中数据可算出输入电阻Ri=707.086μ/160.694n=4400Ω
4.输出电阻的测量数据如下图所示：
由图中数据可算出输出电阻RO=342.364/707.055m=484.21Ω
5.波特图如图所示：
fL=34.9309Hz
fH=95.1470MHz
6.输出开始出现失真时的输入信号幅度
当输入信号的幅度为295mV的时候，输出开始失真，而且为饱和失真。
五、实验结果的分析
对实验进行总结得到以下数据表：
Av
Ri
Ro
fL
fH
失真输入信号幅度
开环
144.20
1019.77Ω
3796.61Ω
49.8346Hz
145.2235kHz
3mV
闭环
1.79
4400Ω
484.21Ω
34.9309Hz
95.1407MHz
295mV
根据实验所验证的
可知放大倍数只取决于反馈网络，而本实验的反馈网络是由纯电阻构成，因而保障了良好的稳定性。
对比上面数据表的变化可以知道电压串联负反馈的引入使得输入电阻增大了，输出电阻减小，通频带变宽了，而电压增益变小了。
这是因为通频带与电压增益的乘积是一个常数，通频带变大，势必导致电压增益变小。
另外，失真的输入信号幅度增大了，说明电路可接受的输入信号幅度更大了，也就是说电路更加稳定了。
1.给出阶梯波发生器的实验原理图，图中器件均要有型号和参数值标注；
2.介绍电路的工作原理；
3.给出电路的分段测试波形和最终输出的阶梯波，并回答以下问题：
a.调节电路中那些元器件值可以改变阶梯波的周期？
b.调节电路中那些元器件值可以改变阶梯波的输出电压范围？
一、实验原理图
二、最终的阶梯波
由图可以看出，阶梯波的周期为20.000ms输出电压变化范围在10V以内，并且一个周期内的个数为5个，符合使用要求。
三、电路的工作原理
阶梯波发生器原理框图
采用运放电路实现方波发生器的设计。
首先，方波发生器产生方波信号，方波经过微分电路输出得到尖脉冲，尖脉冲经过限幅电路，利用二极管的单向导电性去掉了负脉冲，只留下了正脉冲。
正脉冲经过积分电路实现累加，得到一个往下的负阶梯。
一个尖脉冲对应一个阶梯，因为积分时间很短，积分电路的输出电压几乎是发生了突变，而尖脉冲过后的一小段时间里，由于没有输入，积分电路的输出也保持不变。
在下一个尖脉冲到来的时候，积分电路的输出电压在原来的基础上继续累积，发生突变，产生阶梯。
因此，积分电路把原来的尖脉冲积分累加成了阶梯的形式。
然而积分电路的输出电压不可能大于电路的电源电压，所以积分电路的输出最后会变成一条直线。
当积分电路的输出电压累加到比较电路的参考电压时，比较器会翻转，输出正电压，使震荡控制电路工作，方波停止。
与此同时，电子开关导通了，积分电路上面的电容开始放电，积分电路的输出端对地短路，恢复到开始状态。
这样，一次阶梯波的输出就完成了。
另外，在积分电路的输出由负跳变到零的过程中，比较器也发生翻转，其输出变为负值，如此一来，震荡控制电路不起作用，方波输出，同时电子开关断开，积分电路继续进行累加工作。
如此周而复始便可产生一系列的阶梯波。
四、分段测试波形
1.方波发生电路
稳压管D1、D2起限幅作用。
当电容C1上的电压等于
时，输出就发生翻转。
如果输出在某一时刻翻转为正（假设其为Vm，电容C1开始充电，充电充到
时，即达到比较电压，运放输出发生翻转，输出为-Vm，这时电容C1开始放电，放电放到电容上的电压等于
时，运放又发生翻转，输出电压为+Vm。
这样循环输出的电压，其方波波形如下图所示：
2.微分电路
电容C2两端的电压不能发生突变，故当方波发生器的输出电压发生突变时，电阻两端电压也发生突变，导致电容充电，电阻两端电压增大。
在方波电压没有突变的时间段里，电容放电，负载电阻两端电压减小，最终变为0然后又是方波电压的突变，如此循环形成的波形如下图所示：
3.限幅电路
利用二极管的单向导电性对微分电路输出的波形进行限幅，其波形如下图所示：
4.积分电路
积分电路波形如下图所示
5.比较电路
比较电路波形如下图所示：
五、实验问题的回答
a.调节电路中哪些元件的参数可以改变阶梯波的周期？
答：
阶梯波的周期T被R3与C1的乘积或者R1与R2的比值所决定，它们的关系式为：
b.调节电路中哪些元件可以改变阶梯波的输出电压范围？
调节电路中的R8C3可以改变阶梯波的输出电压范围，而且成反比关系。
参考文献
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模拟电子技术基础>
>
第五版清华大学电子学教研组编高等教育出版社
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