EDA设计1实验报告.docx

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EDA设计1实验报告

南京理工大学

EDA设计（Ⅰ）

实验报告

作者:

刘剑

学号：

1004240219

学院（系）:

电子工程与光电技术学院

专业:

电子科学与技术

指导老师：

吴少琴

实验日期：

2012.9.10-2012.9.13

2012年9月

摘要

本文对模拟电路中四大部分作了一定的实验电路设计与分析．其中包括单级放大电路的设计与仿真，差动放大电路的设计与仿真，负反馈放大电路的设计与仿真，阶梯波发生电路的设计四大部分．本文主要讨论了模拟电路的设计思路和分析方法，并对电路的工作原理、性能特点、技术指标、影响电路的主要参数等方面进行了分析与讨论．利用计算机辅助设计工具（Multisim11）来进行电路的设计与调试，使我们一方面能对计算机辅助设计工具（Multisim11）有一定的了解和掌握其基本的使用方法，另一方面能够更深入地学习和掌握模拟电子线路的基本原理、性能特点及应用．

关键词单级放大　差动放大　负反馈　阶梯波　计算机辅助设计

目次

实验一…………………………………………………………………………………………1

一．实验目的……………………………………………………………………………………1

二．实验要求……………………………………………………………………………………1

三．实验原理……………………………………………………………………………………1　

四．实验步骤……………………………………………………………………………………1

1.静态分析…………………………………………………………………………………1

饱和失真……………………………………………………………………………2

截止失真……………………………………………………………………………3

2.动态分析…………………………………………………………………………………4

电路静态工作点……………………………………………………………………4

三检管输入，输出特性曲线和β，Rbe，Rce值………………………………6

输入电阻Ri和输出电阻Ro………………………………………………………9

频率特性……………………………………………………………………………11

五．实验总结……………………………………………………………………………………12

实验二…………………………………………………………………………………14

一．实验目的……………………………………………………………………………………14

二．实验要求……………………………………………………………………………………14

三．实验原理……………………………………………………………………………………14　

四．实验步骤…………………………………………………………………………14

1.设计差动放大电路………………………………………………………………………14

2.AVD，AVD1，AVC，AVC1值的计算…………………………………………………15

AVD的测量…………………………………………………………………………16

AVD1的测量………………………………………………………………………16

AVC的测量…………………………………………………………………………18

AVC1的测量…………………………………………………………………………19

五．实验总结……………………………………………………………………………………19

实验三………………………………………………………………………………20

一．实验目的……………………………………………………………………………………20

二．实验要求……………………………………………………………………………………20

三．实验原理……………………………………………………………………………………20　

四．实验步骤…………………………………………………………………………20

1.设计电容耦合两级电压放大电路…………………………………………………20

2.设计负反馈放大电路…………………………………………………………………22

3.负反馈引入前后输入输出电阻测量………………………………………………23

输入电阻…………………………………………………………………………23

输出电阻…………………………………………………………………………24

4.验证AF≈1/F…………………………………………………………………………25

5.频率特性和fL,fH值……………………………………………………………………26

开环电路频率特性和fL,fH值………………………………………………26

闭环电路频率特性和fL,fH值………………………………………………27

6.失真电压………………………………………………………………………………29

五．实验总结……………………………………………………………………………………32

实验四…………………………………………………………………………………32

一．实验目的……………………………………………………………………………………32

二．实验要求……………………………………………………………………………………32

三．实验原理……………………………………………………………………………………32　

四．实验步骤…………………………………………………………………………32

1.下降阶梯波发生器设计………………………………………………………………32

方波电路设计…………………………………………………………………32

微分电路设计…………………………………………………………………34

限幅电路设计…………………………………………………………………35

积分电路设计…………………………………………………………………36

阶梯波电路设计………………………………………………………………37

2.上升阶梯波发生器设计………………………………………………………………38

3.电路图分析………………………………………………………………………………39

4.问题思考……………………………………………………………………………………41

五．实验总结……………………………………………………………………………………42

实验一　　　单级放大电路的设计与仿真

一．实验目的

1.掌握放大电路静态工作点的调整和测试方法．

2.掌握放大电路的动态参数的测试方法．

3.观察静态工作点的选择对输出波形及电压放大倍数的影响．

二．实验要求

1.设计一个分压偏置的单管电压放大电路，要求信号源频率10kHz（峰值1mV），负载电阻2.4kΩ，电压增益大于70．

2.调节电路静态工作点（调节偏置电阻），观察电路出现饱和失真和截止失真的输出信号波形，并测试静态工作点值．

（调节偏置电阻），使电路输出信号不失真，并且幅度最大．在此状态下测试：

1　电路静态工作点值和β，rbe　，rce　，值

2　三极管的输入，输出特性曲线

3　电路的输入电阻，输出电阻和电压增益

4　电路的频率响应曲线和fＬ　，fＨ　值

三．实验原理　

　　当三极管工作在放大区时对电流具有放大作用，只有给放大电路中的三极管提供合适的静态工作点才能保证三极管工作在放大区，如果静态工作点不合适，输出波形则会产生非线性失真－－饱和失真和截止失真，而不能正常放大．

当静态工作点设置在合适位置时，即保征三极管在交流信号的整个周期均工作在放大区时，三极管有电流放大特性，通过适当的外接电路，可实现电压放大．表征放大电路放大特性的交流参数有电压放大倍数，输入电阻，输出电阻．

由于电路中有电抗原件电容，另外三极管中的PN结有等效电容存在，因此，对于不同频率的输入交流信号，电路的电压放大倍数不同，电压放大倍数与频率的关系定义为频率特性，频率特性包括：

幅频特性－－即电压放大倍数的幅度与频率的关系，相频特性－－即电压放大倍数的相位与频率的关系．

四．实验步骤

1.静态分析

　　通过调节电位器ＲＷ改变静态工作点，显示截止失真和饱和失真的波形，并给出两种失真波形处的静态工作点，总结两种非线性失真的特点．

1　饱和失真

饱和失真原理图及波形图如下：

饱和失真现象分析及其特点

　　当调节ＲＷ　，使其值减小时（本文中ＲＷ值调为零，如上原理图），会使三极管静态工作点升高，逐渐接近三极管饱和区，通过管子的交流信号不能整周期全部通过，使信号值较低的部分进入三极管饱和区，在饱和区内不能起到信号放大作用，从而产生非线性失真．其特点为信号值较高的部分被正常放大，信号值较低的部分不能正常放大产生削底失真．

2　截止失真

截止失真原理图及波形如下：

截止失真现象分析及其特点

　　当调节ＲＷ　，使其值增大时（本文中ＲＷ值调为最大值，如上原理图），会使三极管静态工作点下降，逐渐接近三极管截止区，通过管子的交流信号不能整周期全部通过，使信号值较高的部分进入三极管截止区，在饱和区内不能起到信号放大作用，从而产生非线性失真．其特点为信号值较低的部分被正常放大，信号值较高的部分不能正常放大，理论上产生平顶失真，实际上输出信号非常小，几乎不产生放大作用，如上图所示．

2.动态分析

1　电路静态工作点

调节ＲＷ　，使三极管工作在放大区，并使其增益大于70（本实验中ＲＷ　调整到其总阻值的3％），其原理图如下：

通过上表可知：

Av＝54222/706.9=76.704

通过示波器也可得出：

Av＝74.990/1=74.990

两种算法近似相等且满足Av＞70．

求其静态工作点

放大电路静态工作点包括IB，IC，IE，VCE，由上表可知

IB=16.96120uA

IC=2.31355mA

IE=-2.33051mA

VCE=V（5）-V（6）=6.44751V-3.49575V=2.95176V

2　三检管输入，输出特性曲线和β，Rbe，Rce值

a.输出特性曲线及Rce

保持IB=16.96120uA不变，求出IC随VCE的变化曲线．

原理图，特性曲线及相并数据如下：

其输出特性曲线如上，通过数据可求得：

Rce=dx/dy=60289.4/11.4005=5288.312Ω

b.输入特性曲线及Rbe

保持VCE=2.95176V不变，求出IB随VBE的变化曲线．

原理图，特性曲线及相并数据如下：

其输入特性曲线如上，通过数据可求得：

Rbe=dx/dy=2689.1/1.4353=1873.546Ω

c.求传递系数β

电路正常工作时静态工作点数据：

IBQ=16.96120uA

ICQ=2.31355mA

β=ICQ/IBQ=2.31355mA/16.96120uA=136.4

3　输入电阻Ri和输出电阻Ro

a.输入电阻Ri和输出电阻Ro测量值计算

●输入电阻Ri

输入电阻Ri测量线路图及测量数据：

由上表计算可得：

Ri=999.889uV/596.776nA=1675.48Ω

●输出电阻Ro

输出电阻Ro测量线路图及测量数据：

由上表计算可得：

Ro=999.962uV/603.789nA=1656.19Ω

b.输入电阻Ri和输出电阻Ro及电压增益理论值计算:

Ri=Rb1//Rb2//Rbe=1632.72Ω

Ro=Rce//Rc=1650.811

Av=-β（Rce//Rc//RL）/Rbe=-71.23

c.理论值与实际值对比

Ri（Ω）

Ro（Ω）

Av

理论值

1675.48

1650.81

71.23

测量值

1632.72

1656.19

74.99

误差（％）

2.55

0.33

5.2

4　频率特性

通过软件求得频率特性曲线如下：

通过上表求得：

Y=（y1+y2）/2=（37.6405+37.7358）/2=37.68815dB

将光标定于3dB截止频率即34.68815dB可得下表：

由上表可得该实验电路频带宽度为：

F=dx=20.1779M

五．实验总结

本次实验使我掌握了单级放大电路设计的基本思路和动态电路分析方法．单级放大电路的设计过程中，静态工作点的选取非常重要，逐渐增大输入信号幅值，使饱和失真与截止失真册时刚刚出现时的静态工作点为最佳工作点．静态工作点要设置在三极管的放大区，不能过于接近饱和区和截止区，否则会出现饱和失真和截止失真．三极管的选取也十分重要，不同的三极管有不同的rbe和rce值，不同的rbe和rce值会影响电路的增益．不同的放大电路有不同的幅频和频特性，通过幅频特性图可以求出放大电路的上下限截止频率和频带宽度，以上参数在放大电路的设计中要特别注意．

实验二　差动放大电路的设计与仿真

一．实验目的

1.掌握带有恒流源的差动放大电路的静态工作点的调试方法．

2.掌握直流小信号双端输入状态下不同情况的电压增益．

二．实验原理

　　差动放大路是模拟集成电路中的重要单元电路，它是直接耦合多极放大电路中的第一极电路，它具有放大差模信号，抑制共模信号的良好特性，差模输入时，其输入电阻等于半边输入电阻的两倍．

带有恒流源的差动放大电路有极高的共模拟制比，单端输出时应采用这种差动放大电路．

三．实验要求

1.设计一个带有恒流源的斋戒动放大电路，要求空载时的AVD大于20．

2.给电路输入直流小信号，在信号双端输入状态下分别测出电路的AVD，AVD1，AVC，AVC1值．

四．实验步骤

1.设计差动放大电路

差动放大电路原理图及输出波形图如下：

如上图所示，输出信号峰值为851.403mV，因此可求出空载时的AVD

AVD=851.403mV/20mV=42.570>20

2.AVD，AVD1，AVC，AVC1值的计算

1　AVD的测量

直流小信号差模双端输入双端输出原理图及数据如下：

由以上数据可得：

AVD=-857.828mV/20mV=-42.8914

2　AVD1的测量

直流小信号差模双端输入单端输出原理图及数据如下：

由以上数据可得：

AVD1=（5.771V-6.2V）/20mV=-21.45

3　AVC的测量

直流小信号共模双端输入双端输出原理图及数据如下：

由以上数据可得：

AVC=-1.495pV/10mV=0

4　AVC1的测量

直流小信号共模双端输入单端输出原理图及数据如下：

由以上数据可得：

AVC1=-74.202uV/10mV=-7.4202e-03

五．实验总结

差动放大电路对直流和交流信号都能起到放大的作用，但对差模信号的放大作用明显高于共模信号．对于共模信号而言，无论直流信号还是交流信号，其双端输出时增益均为零，单端输出时增益不为零，但却十分微小．由于共模双端输出的电压增益为零，所以其共模拟制比无穷大．对于差模信号而言，电路对直流信号和交流信号的电压增益相同，且双端输出的电压增益是单端输出电压增益的2倍．

实验三　　负反馈放大电路的设计与仿真

一．实验目的

1.理解负反馈的概念

2.了解负反馈接入后对电路增益的影响

3.了解负反馈接入后对电路带宽的影响

4.探索负反馈对电路非线性失真的影响

二．实验原理

　　从输出端引回到输入端的信号与输入信号的相从小到大相反（即反馈信号削弱了输入信号）的反馈称为负反馈．电路中接入负反馈会改变电路的增益，输入电阻，输出电阻及通频带宽，本实验通过对电路引入负反馈前后各现象的比较来探索负反馈对电路的影响．

三．实验要求

1.设计一个电容耦合两级电压放大电路，要求信号源频率20kH（峰值1mV），负载电阻2.4kΩ,电压增益大于100.

2.给电路引入电压串联负反馈：

3.测试负反馈接入前后电路放大倍数，输入，输出电阻和频率特性．

4.改变输入信号幅度，观察负反馈对电路非线性失真的影响．

四．实验步骤

1.设计电容耦合两级电压放大电路

将两单级放放大电路串联，中间接入电容，使两级放大电路静态工作点相互独立，设定信号源频率20kH（峰值1mV），负载电阻2.4kΩ，再选定合适元件值使其增益大于100.这样就构成了电容耦合两级电压放大电路．其原理图及输出波形图如下：

如上图所示输出信号峰值250.185mV，故电路电压增益为：

Av=250.185mV/1mV=250.185>100

设计电路满足要求．

2.设计负反馈放大电路

从负载非地端引出导线，串联电阻，电容与第一级放大电路三极管发射极相联就构成了电压串联负反馈电路，原理图如下：

如上图所示，通过开关J1的开合来控制反馈网络的引入与断开．将开关闭合引入负反馈，保持输入信号不变，观察其输出信号波形如下：

如上图所示，接入负反馈后输出信号峰值为10.088mV，引入负反馈后电路增益为：

Av=10.088mV/1mV=10.088

与未引入负反馈相比，增益变小，　因此，负反馈使电路的增益变小．

3.负反馈引入前后输入输出电阻测量

1　输入电阻

原理图如下:

开关打开时，可求无负反馈电路的输入电阻，其测量数据如下：

因此求得无负反馈电路的输入电阻Ri为：

Ri=706.964uV/131.054nA=5.394kΩ

开关闭合时，可求负反馈电路的输入电阻，其测量数据如下：

因此求得负反馈电路的输入电阻R为：

Ri=707.079uV/103.833nA=6.809kΩ

2　输出电阻

原理图如下：

开关打开时，可求无负反馈电路的输出电阻，其测量数据如下：

因此求得无负反馈电路的输出电阻Ro为:

Ro=707.064uV/298.335nA=2.444kΩ

开关闭合时，可求负反馈电路的输出电阻，其测量数据如下：

因此求得负反馈电路的输出电阻Ro为:

Ro=707.08uV/4.983uA=0.142kΩ

4.验证AF≈1/F

要验证AF≈1/F，即验证AF≈Xo/Xf，又因AF=Xo/Xi，所以只要验证Xf≈Xi即可，即输入信号近似等于反馈信号．在原有电路图中添加两电压表．分别测量输入信号和反馈信号电压值即可，原理图如下：

如上图所示，输入电压0.707mV，输出电压0.695mV，两者近似相等，故AF≈1/F.

5.频率特性和fL,fH值

1　开环电路频率特性和fL,fH值

　　开环反馈电路频率特性图如下：

通过上表求得：

Y=（y1+y2）/2=（36.5850+36.6972）/2=36.6411dB

将光标定于3dB截止频率即36.6411dB可得下表：

由上表可得开环电路频带宽度为：

F=dx=3.3540M

2　闭环电路频率特性和fL,fH值

闭环电路频率特性图如下：

通过上表求得：

Y=（y1+y2）/2=（18.4912+18.4853）/2=18.4882dB

将光标定于3dB截止频率即18.4882dB可得下表：

由上表可得开环电路频带宽度为：

F=dx=19.5270M

由以上计算结果可知：

闭环增益比开环增益低

闭环带宽比开环带宽宽

6.失真电压

逐渐增大输入信号电压，直到输出信号刚好失真为止，记录开环，闭环电路图及波形图．

开环电路图及波形图：

闭环电路图及波形图：

　由以上图表可知，开环时，输出信号刚好不失真的输入信号为5mV，闭环时，输出信号刚好不失真的输入信号为70mV．因此，负反馈电路可以改善放大器的非线性失真．

五．实验总结

　　电压串联负反馈引入电路后，会改娈电路的各种特性．对于输入输出电阻而言，输入电阻变大，输出电阻变小．因此在设计放大器时，需要放大器的输入电阻大，就要采用串联负反馈．同时电压串联负反馈可以改善电路的非线性失真，对于本实验而言，开闭环刚好不失真时的输入信号电压分别为5mV和70mV，失真得到了较大的改善．但是电压串联负反馈引入电路后，电压增益有所减降低．同时通过电路的频率特性曲线可知，通频带宽度增加．因此，设计电路时，可以以通过负反馈来展宽频带，但是频带的展宽是以降低增益为代价的，在设计公馈放大电路时要兼顾增益和带宽．

实验四　阶梯波发生电路的设计

一．实验目的

1.掌握阶梯波发生电路的工作原理

2.学习复杂的集成运算放大电路的设计

二．实验要求

　　采用运算放大器设计方波发生器，积分器，比较器，．方波发生器的周期约为8ms．

设计一个能够产生周期性阶梯波的电路．要求周期为40ms左右，电压变化范围为0-10V左右，阶梯个数为4个．

讨论电路中各元件参数对输出波形的影响　

三．实验原理

　　为了设计一个负阶梯发生器，首先考虑产生一个方波，其次，经过微分电路输出得到上，下都有的尖脉冲，然后经过限幅电路，只留下所需的正脉冲，再通过积分电路实现累加而输出一个负阶梯．对应一个尖脉冲就是一个阶梯，在没有尖脉冲时，积分器保持输出不变，在下一个尖脉冲到来时，积分器在原来的基础上进行积分，因此，积分器就起到了积分和累加的作用．当积分累加到比较器的比较电压时，比较器翻转，比较器输出正电压，使电子开关导通，积分电容放电，积分器输出对地短路，恢复到起始状态，完成一次阶梯波输出．积分器输出由负值向零跳变的过程中又使比较器发生翻转，比较器输出变为负值，电子开关断开，积分器进行积分累加，如此循环往复，就形成了一系列阶梯波．

4．实验步骤

1.下降阶梯波发生器设计

1　方波电路设计

设计一个方波发生器，设计电路图及输出波形如下：

由波形图可读出8.008ms，近似等于8ms．

2　微分电路设计

　　在方波发生器的输出端接电阻和电容就组成了微分电路．其原理图及输出波形如下：

3　限幅电路设计

　　设计限幅电路，将负半周的尖脉冲滤除掉．利用二极管的单向导电性来进行限幅．电路图及输出波形如下：

4　积分电路设计

　设计积分累加电路，用集成运放组成的积分累加电路实现积分累加．电路图及输出波形如下：

5　阶梯波电路设计

设计周期阶梯波，在前面的基础上加上电压比较器和开关控制电路，就组成了完整的阶梯波发生电路．电路图及输出波形如下：

由上图可知阶梯波六个完整周期持续的时间为241.970ms，所以方波的周期为40.33ms，近似等于40ms．电压变化范围9.786V，近似等于10V．符合设计要求．

2.上升阶梯波发生器设计

上升阶梯波电路设计思想类似于下降阶梯波，主要改动处有三点：

一是限幅电路中二极管反向，滤除正值波部分，保留负值波部分；二是比较器门限电压改为10V；三是场效管更改为P型．其他部分类似于下降阶梯波，此处不作缀述．其电路图及输出波形如下：

3.电路图分析

电路图如下（以上升阶梯波电路图为例）：

　　首先方波产发生电路由电容C，电阻R12，运算放大器，稳压二极管及其他辅助电阻构成．二极管不断充电放电达到比较器上下门限电压而产生方波．当二极管充电达到比较器上门限电压时，输出信号翻转变负，使电容放电并且反向充电，当电容反向充电电压达到比较器下门限电压时，比较器翻转变正，如此往复变化就得到了方波