南京理工大学EDA设计一实验报告.docx
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南京理工大学EDA设计一实验报告
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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胆管电压放大电路，要求信号源频率10kHz（峰值1—10mV），负载电阻，电压增益大于80.
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，并测试对应的静态工作点值。
3.调节电路静态工作点（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：
电路静态工作点值
三极管的输入、输出特性曲线和、、的值
电路的输入电阻、输出电阻和电压增益
电路的频率响应特性曲线和、的值
三、实验原理图
如图1.1所示即为一个单机放大电路，电阻、和滑动变阻器组成分压偏置器，调节滑动变阻器的阻值就可以改变三极管的静态工作点。
图1.1单级放大电路原理图
四、实验过程及结果
1、电路的饱和失真和截止失真分析
（1）饱和失真
图1.2所示的是电路出现饱和失真时的波形。
图1.3是所对应的静态工作点值，结合图1.1可以计算出静态工作点的各个参数：
，
，，
图1.2饱和失真波形
图1.3饱和失真时的静态工作点值
（2）截止失真
如图1.4所示的是电路出现截止失真时的输出波形，虽然从波形上并未看出明显的失真。
但是注意到输出波形的幅值仅有左右，即此时电路不但没有放大输入信号，反而起到了缩小的作用，亦可以说明此时电路出现了截止失真。
图1.5所示的是电路处在截止失真状态下的静态工作点的值。
结合图1.1中的电路，可以计算出：
，，，
图1.4截止失真波形
图1.5截止失真时的静态工作点值
（3）最大不失真波形
调节滑动变阻器，并不断观察输出端示波器上的波形，在滑动变阻器划片位于53%的位置时可以得到最大不失真波形，如图1.6所示，观察到其幅值约为500mV。
图1.7所示的即为所对应的静态工作点，计算得：
，，，
图1.6最大不失真时的输出波形
图1.7出现最大不失真波形时的静态工作点
2、三极管特性测试
（1）输入特性曲线及的测量
在绘制三极管输入特性曲线，会用到Multisim的直流扫描分析，软件要求物理量、为直流源，故需要重新连接电路。
将处于最大不失真工作状态的三极管复制出来，按照其直流工作点赋予其、等效直流源电压值。
最终电路如图1.8所示。
图1.8绘制三极管输入特性曲线的实验线路图
将V1，V2均作为分析参数进行直流扫描，即可获得三极管在为不同取值时的输入特性曲线，如图1.9所示。
图1.9三极管的输入特性曲线
再次利用直流扫描分析，画出三极管在最大不失真状态，即时的输入特性曲线（如图1.10所示）。
由公式得，。
图1.10计算时所绘制的输入特性曲线
（2）输出特性曲线及的测量
与绘制输入特性曲线一样，绘制输出特性曲线时亦需要重新连接电路。
此时的两个直流源代表的物理量为和。
重新连接的电路图如下图1.11所示。
图1.11绘制三极管输出特性曲线的实验线路图
将I1、V1均作为分析参数进行直流扫描，即可获得三极管在为不同取值时的输入特性曲线，如图1.12所示。
图1.12三极管的输出特性曲线
再次利用直流扫描分析，画出三极管在最大不失真状态，即时的输出特性曲线（如图1.13所示）。
由公式得，。
由公式得，
。
图1.13计算时所绘制的输出特性曲线
3．电路基本参数测定
（1）电压放大倍数的测定
图1.14所示的是电压放大倍数的测量电路。
由数据计算得
图1.14电压放大倍数测量电路
（2）输入电阻的测定
图1.15所示的是输入电阻测量电路。
由数据计算得
图1.15输入电阻测量电路
（3）输出电阻的测定
测量输出电阻时，需要将原输入信号置零，将原负载替换成一个交流电压源。
测量其输入输出端的电压与电流，测量电路如图1.16所示。
由数据计算得：
图1.16输出电阻的测量电路
（4）频率特性仿真
利用Multisim软件中的交流仿真分析，可以轻松的得到电路的幅频和相频特性曲线，如下图1.17所示。
从特性图上可以看出的最大值，即maxy为106.04。
由通频带定义，将标尺置于幅频特性曲线两侧处，即得到上下限频率。
由此可得，下限频率，上限频率，通频带为8348.04Hz。
图1.17幅频特性仿真
五、数据分析
对照上面实验原理图1.1，画出交流通路，进行理论分析，可得
放大倍数
输入电阻
输出电阻
误差分析
放大倍数的相对误差
输入电阻的相对误差
输入电阻的相对误差
由此可见，三个参数的误差均在4%以上，误差可以说是相当大。
六、实验感想
实验中主要存在的问题是最终的误差过大，个人认为原因在于我在连接电路时采用了大量的虚拟元件，导致模拟时最终结果失准。
实验过程中我还在调饱和失真波形时遇到了问题，在请教了老师之后，我明白是我电路设计的问题，集电极电阻过大，导致失真波形无法调出，这也说明了实验前预习的重要性，只有预习充分了，实验才能顺利。
这是我所做的第一个EDA设计实验，经过了一个暑假的休息，对于模电中的一些知识已经有点淡忘了。
同时我对Muitisim软件也不是特别熟悉，所以这个实验可以说是我在摸索中前行，不过上面的所有结果毕竟都是自己做出来的，这位我后面的三个实验打下了坚实的基础。
实验二差动放大电路的设计与仿真
一、实验目的
1.掌握两种差动放大电路（长尾差动放大电路和带有恒流源的差动放大电路）的静态工作点的调试方法
2.掌握两种差动放大电路的差模电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的测试方法。
了解差模电压放大倍数的频率特性，观察交流参数的特点；注意比较两种差动放大电路差模输入时的各自特点
3.掌握两种差动放大电路的共模电压放大倍数、输入电阻、输出电阻的测试方法。
了解共模电压放大倍数的频率特性，观察交流参数的特点；注意比较两种差动放大电路共模输入时的各自特点
二、实验要求
1.设计一个长尾式差动放大电路，要求空载时的大于20
2.测试电路每个三极管的静态工作点值和、、值
3.给电路输入小信号，在信号双端输入状态下分别测试电路的、、、值。
三、实验原理图
差分放大电路由左右两个对称的三极管放大电路组成，所选用的集电极电阻为，双端输入的信号源为10mV，而长尾上选用了的大电阻，以追求更高的共模抑制比。
下图2.1即为实验线路图（此图为双端差模输入双端输出的电路）
图2.1实验线路图（双端差模输入双端输出）
同时根据实验要求，此电路空载时的要大于20。
故在实验前需要测量空载时差模输入双端输出的电压增益，测量电路如图2.2所示。
由数据计算得：
，符合要求，可以继续进行下面的实验。
图2.2空载时的测量电路
四、实验过程及结果
1、电路的静态分析
差动放大电路的静态工作点仅由电路的直流通路决定，而输入信号均为10mV的交流信号，与电路的静态工作点无关。
故电路静态工作点的求解需要分为两种情况，双端输出与单端输出。
（1）双端输出的静态工作点值和、、值测定
由于差动放大电路左右完全对称，两个三极管的静态工作点完全相同，故进行静态分析时，只需要求解一个管子就可以了。
以差模输入双端输出为例，如图2.3所示。
使用Multisim软件的直流分析功能求解静态工作点。
图2.3差模输入双端输出的差动放大电路
下图2.4所示为双端输出的静态工作点，由数据计算得：
，
，，
图2.4双端输出的静态工作点值
测量双端输入时的，需要用到直流扫描分析功能，故仍需要重新连接电路，将和转变成直流源，如图2.5所示。
图2.5描绘双端输出时输入特性曲线的电路图
通过对图2.5中的电路进行直流扫描分析，画出在时的三极管输入特性曲线，如图2.6所示。
由公式得，
图2.6双端输出时的三极管输入特性曲线
同理，在测定时，也需要重新连接电路，将和转化为直流源，电路如图2.7所示。
图2.7描绘双端输出时输出特性曲线的电路图
对图2.7中的电路进行直流扫描分析，画出在时的三极管输出特性曲线，如图2.8所示。
由公式得，
。
图2.8双端输出时的三极管输出特性曲线
（2）单端输出的静态工作点值和、、值测定
单端输出时，由于负载接在一个三极管的集电极和地之间，导致左右直流通路不对称，两三极管静态工作点不同。
先只求负载一侧的三极管的静态工作点，不妨设负载接在左侧三极管的集电极与地之间，电路图如图2.9所示。
图2.9差模输入单端输出的实验线路图
下图2.10所示为双端输出的静态工作点，由数据计算得：
，
，，
图2.10单端输出时一管的静态工作点
与双端输出相同，测量仍需要重新连接电路，将和转变成直流源，如图2.11所示。
图2.11测量单端输出时输入特性曲线的线路图
对图2.11中的电路进行直流扫描分析，画出在时的三极管输入特性曲线，如图2.12所示。
由公式得，
图2.12单端输出时一管的输入特性曲线
同理，在测定时，也需要重新连接电路，将和转化为直流源，电路如图2.13所示。
图2.13描绘单端输出时的输出特性曲线电路图
对图2.13中的电路进行直流扫描分析，画出在时的三极管输出特性曲线，如图2.14所示。
由公式得，
。
图2.14单端输出一管的输出特性曲线
2.电路电压增益的测量
（1）差模输入双端输出的电压增益
测量电路如下图2.15所示，由数据计算得
图2.15差模输入双端输出电压增益的测量电路
（2）差模输入单端输出的电压增益
测量电路如下图2.16所示，由数据计算得
图2.16差模输入单端输出电压增益的测量电路
（3）共模输入单端输出的电压增益
测量电路如下图2.17所示，由数据计算得
图2.17共模输入双端输出电压增益的测量电路
（4）共模输入双端输出的电压增益
测量电路如下图2.18所示，由数据计算得
图2.18共模输入双段输出的电压增益
五、数据分析
对照实验原理电路图，画出等效电路，计算各种输入输出状态下电压增益的理论值：
差模输入双端输出的电压增益
差模输入单端输出的电压增益
共模输入单端输出的电压增益
共模输入双端输出的电压增益
从上述理论值的计算结果可以看出，差模输入电压增益实测值与理论值的误差非常大，而共模输入电路的电压增益实际测量值则非常准确。
六、实验感想
这次实验总体来说还算顺利，主要归功于我的思路比较清晰，这样做起实验来就比较流畅。
实验仿真中没有遇到太大的困难，但是在后期实验数据处理上遇到了一个问题，就是差模输入时的电压增益的实际测量值与理论值误差非常大。
于是我重新研究了仿真实验中的电路，以及实验的过程，发现问题出在的求解上。
实验中采用求输入特性曲线上静态工作点附近的斜率的方法来计算本身就存在很大的误差，而基极电流往往就很小，所以在取点的时候不容易取准，所以较大的误差就难以避免了。
实验三反馈放大电路的设计与仿真
一、实验目的
1.掌握多级阻容耦合放大电路静态工作点的调试
2.掌握各种反馈（电压、电流、串联、并联）的区别与接入方法
3.了解反馈对电路电压增益、输入输出电阻以及非线性失真的影响
二、实验要求
1．设计一个阻容耦合两级电压放大电路，要求信号源频率10kHz（峰值1mV）负载电阻，电压增益大于100。
2．给点了引入电压串联负反馈：
测试负反馈接入前后电路放大倍数、输入、输出电阻，并验证
改变输入信号幅度，观察负反馈对电路非线性失真的影响
三、实验原理图
如图3.1所示即为实验原理图，放大电路有两个阻容耦合的共射放大电路构成，因此具有较大的放大倍数。
反馈接在输出端与第一个三极管的发射级之间，因此为电压串联负反馈。
图3.1实验原理电路图
四、实验过程及结果
1.负反馈接入前后放大倍数、输入电阻、输出电阻的测定
（1）负反馈接入前（开环）
图3.2所示为负反馈接入前电压增益的测量电路。
由测量结果计算得：
图3.2开环电压增益测量电路
下图3.3为负反馈接入前输入电阻测量电路。
由测量数据计算得：
图3.3开环输入电阻的测量电路
如图3.4所示为负反馈接入前，电路输出电阻的测量电路。
由测量结果计算得：
图3.4开环输出电阻的测量电路
（2）负反馈接入后（闭环）
图3.5所示即为接入负反馈后电压放大倍数的测量电路。
由测量数据可以计算得：
。
注意到，反馈电阻，故反馈系数。
由此基本可以验证，在深度负反馈的条件下，电压放大倍数。
图3.5闭环电压增益测量电路
下图3.6所示为负反馈介入后输入电阻的测量电路。
由测量结果计算得：
图3.6闭环输入电阻测量电路
如下图3.7所示为负反馈接入后，输出电阻的测量电路。
由测量数据可以计算得：
图3.6闭环输出电阻侧脸电路
2．负反馈对电路非线性失真的影响
（1）负反馈接入前
如下图3.7所示为未接入负反馈时，输入信号为1mV是的输出波形。
从波形上可以看出，放大电路起到的放大的作用，且波形未出现失真。
图3.7开环时输入信号为1mV时的输出波形：
下图3.8为未接入负反馈时，输入信号为100mV是的输出波形。
从波形上可以看出，输出波形的正负半周都出现了失真。
图3.8开环时输入信号为100mV时的输出波形
结合图3.7和3.8可知，在输入信号为1mV与100mV之间某一值时，输出波形出现了失真。
经过不断的模拟仿真与调试，在输入信号为10mV时，输出波形开始出现非线性失真，如下图3.9所示。
观察此时的波形，可以发现正半周的顶部明显变平、变秃了。
图3.9开环时输入信号为10mV时的输出波形
（2）负反馈接入后
当接入负反馈后，电路的非线性失真减小。
当输入信号为100mV时，电路仍能够起到正常的放大作用，输出波形图如下图
3.10闭环时输入信号为100mV时的输出波形
经过不断的模拟、仿真与调试，发现在接入负反馈后，当输入信号为225mV时，电路的输出波形出现了失真，观察波形，可以看出输出波形正半周的顶部明显变平、变秃了，如下图3.11所示。
图3.11开环时输入信号为225mV时的输出波形
五、实验结论
本实验中引入的反馈为电压串联负反馈，从对比中很容易发现电压串联负反馈对电路的影响，以及所起到的作用。
首先，负反馈可以稳定电压放大倍数。
未引入电压串联负反馈时，电路的放大倍数不稳定，是由电路中的基极电阻、集电极电阻以及三极管各参数等多方面因素所决定的。
在引入深度负反馈后，电压放大倍数，在不改变反馈回路的情况下，电压放大倍数基本保持稳定。
其次，电压串联负反馈可以改变电路的输入和输出电阻。
将负反馈接入前后的测量数据易知，电压串联负反馈可以增大输入电阻，提高电路的最大不失真电压；减小输出电阻，提供更大的输出电流。
六、实验感想
负反馈放大电路的设计与仿真实验比较简单，实验中并没有太多复杂的计算与推到。
但是我从这次的实验中提升了概括能力，由表及里，抓住现象看本质，我想这才是我们做实验最终的目的吧！
实验四阶梯波发生器电路的设计
一、实验目的
1.掌握阶梯波发生器电路的结构特点
2.掌握阶梯波发生器电路的工作原理
3.学习复杂的集成运算放大电路的设计
二、实验要求
1.设计一个能产生周期性阶梯波的电路，要求阶梯波周期在30ms左右，输出电压范围12V，阶梯数6个。
、
2.对电路进行分段测试和调节，直至输出合适的阶梯波。
3.改变电路元器件参数，观察输出波形的变化，确定影响阶梯波电压范围和周期的元器件。
三、电路原理框图
图4.1阶梯波发生器原理框图
为了设计一个负阶梯波发生器，首先考虑由一个方波电路产生方波，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，再通过积分电路后，因脉冲作用时间很短，积分器输出就是一个负阶梯。
对应一个尖脉冲就是一个阶梯，在没有尖脉冲时，积分器的输出不变，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，比较器翻转，比较器输出正值电压，使振荡控制电路起作用，方波停振。
同时，这正值电压使电子开关导通，使积分电容放电，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，又使比较器发生翻转，比较器输出变为负值，这样振荡控制电路不起作用，方波输出，同时使电子开关截止，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，如上图4.1所示，即为阶梯波发生器原理框图。
四、实验过程与仿真结果
1.方波发生器
下图4.2所示电路为方波发生器，首先使用一个运放构成滞回比较器，其上下门限电压为。
再由和发生多谐震荡信号，由滞回比较器的特性曲线（图4.3）可得运放输出的波形为方波，并可以求得周期。
可以调整和的电容或电阻值来改变方波的周期。
方波的周期即为后面阶梯波每一级之间的时间间隔，因此，调整准方波的周期对于整个阶梯波发生器电路来说是非常重要的。
图4.2方波发生器电路图
下图4.4所示为方波发生器的输出波形。
A通道输入的为方波信号，B通道输入的为多谐震荡信号。
从图中可以读出方波的周期为4.847ms。
图4.4方波发生器的输出波形
2.微分电路
微分电路由电容和电阻构成。
由方波发生器产生的方波信号，经过微分电路变为了一个个向上或向下的脉冲波形。
将微分电路接在方波发生器后得到了如图4.5的电路图。
其输出波形如图4.6所示。
图4.5方波发生器+微分电路原理图
图4.6微分电路的输出波形
3.限幅电路
限幅电路由一个二极管构成，所利用的就是二极管的单向导电性。
经过限幅电路，我们将上一步微分电路所得的尖脉冲波形的负半周滤掉，得到单边尖脉冲波形。
如果不滤去负半周的尖脉冲信号，我们后面所得到的波形将仍然是一个方波，而无法得到阶梯波。
将限幅电路接在微分电路后得到了如图4.7所示的电路图。
其输出的波形如图4.8所示。
图4.7方波发生器+微分+限幅电路原理图
图4.8限幅电路输出波形（单边尖脉冲）
4.积分电路
积分电路可将前一步所得到的尖脉冲信号进行积分，得到一级级下降的阶梯信号。
可以说积分电路是阶梯波发生器的核心组成部分。
积分电路的原理公式
可见阶梯波每一级下降的高度与和成反比，由此可以通过调节和的数值来调整阶梯波每一级高度，最终使得每一级的高度为2V左右。
将积分电路接在限幅电路后面，可以得到如图4.9的电路图，其输出的波形如图4.10所示。
图4.9方波发生器+微分+限幅+积分电路原理图
图4.10积分电路输出波形
5.比较器及电子开关电路
由于要求不断产生阶梯个数为6个的阶梯波，所以需要在积分电路输出端电压下降到某一值时使其发生跳变，这一功能可以用比较器和电子开关来实现。
运放741的输出电压约为14V，调整电阻的值即可调整运放U3正向输入端的电位。
计算过程如下：
对U3的正向输入端应用KCL
带入数据，即
U3正向输入端的电位即为阶梯波发生跳变时的电压值，结合调节微分电路的和的值，便可以使阶梯波的输出电压范围为12V，阶梯个数为六个。
最终得到如图4.11的阶梯波发生器的总电路图。
图4.11阶梯波发生器总电路图
最终输出的阶梯波波形如下图4.12所示。
从图上可以读出阶梯波的周期为30.612ms，震幅约为11.805V，符合要求。
图4.12最终输出的阶梯波波形
五、实验思考题
1.调节电路中哪些元器件值可以改变阶梯波的周期？
阶梯波是由单边正尖脉冲通过积分累加得到，而单边正尖脉冲又是通过方波经过微分、限幅达到的，所以阶梯波的周期取决于方波发生器所发出的方波的周期。
前面给出了方波周期的公式
因此，改变、、和的值均可以改变阶梯波的周期。
当然，改变阶梯波的输出电压范围和阶梯个数也是会改变阶梯波的周期的。
2.调节电路中哪些元器件值可以改变阶梯波的输出电压范围？
输出电压的范围是由比较器控制的，取决于比较器U3正向输入端所输入的参考电压。
当U3的反向输入端电位高于正向输入端时，U3输出低电平-14V，此时二极管D4导通，结型N沟道场效应管截止，积分电路正常工作。
当U3的反向输入端电位低于正向输入端时，U3输出高电平14V，D4截止，场效应管导通，电容C3放电，因此阶梯波发生器输出端电位重新回到0，完成一个周期的变化。
而比较器U3正向输入端所输入的参考电压可以通过计算获得，过程如下：
对U3的正向输入端应用KCL
其中为比较器U3的输出端电压。
故U3正向输入端输入的参考电压为
不难看出，改变、、的组织均能改变阶梯波的输出电压范围。
3.调节电路中哪些元器件值可以改变阶梯波的阶梯个数？
当阶梯波的输出电压范围一定时，阶梯波每一级高度越高，阶梯个数越少；反之，则阶梯个数越过。
所以调整阶梯个数的根本在于调节阶梯的高度。
阶梯的高度是由积分电路决定的，由积分电路的公式
可知，阶梯的高度与阶梯波的高度与和成反比，所以可以通过调节和，来实现对阶梯个数的调节。
当然，改变阶梯波的输出电压范围也会改变阶梯波的阶梯个数。
六、实验感想
阶梯波发生器电路比较复杂，在设计时采用了模块化、结构化的设计思想，使得我在设计电路时思路比较清晰，设计出的电路也便于理解。
同时在电路调试过程中，出现了问题也便于对电路进行检查。
写在后面的话对此次EDA设计的感想
问题与解决
这次是我第一次做EDA实验，对于EDA和Multisim软件的某些功能还是有点生疏。
因此在实验过程中，时常会遇到一些技术上的问题，比如某些实验要求的波形出不来，线路的参数不符合要求等，我都会尽力去检查线路，争取找到问题所在，实在有问题的时候还是要请教其他的同学和老师。
不过，最终我的问题都得到了解决，总体来说，实验还是进行得比较顺利的。
通过此次EDA设计的实验，我明白了一个道理，想要在实验中少出问题，课前的预习工作就必须做得扎实。
收获与感受
经过了一个暑假的休息放松，我已经渐渐淡忘了模电的相关知识。
但是经历了EDA设计的四次实验我不但重新掌握了这些知识，而且印象还更加深刻了。
这次的EDA设计时对以前所学知识的一次升华。
比如，我以前只学过运算电路，但是此次实验要求我们利用各种运算电路组成一个阶梯波发生器，而且阶梯波的电压输出范围和周期还是有严格要求的，需要我们自己去调试。
总之，在实验中我锻炼了自己实践的能力，提升了自己的理论水平。
期望与要求
通过此次实验，我清楚地认识到了自己能力上的不足，以及现在所学的知识与实际的差距。
作为一名工科学生，尤其是将来从事电气方面的学生，EDA是将来一定会常常使用到的。
所以我在将来的学习过程中，一定要更加努力，学号Multisim软件的使用，为将来的学习和工作打下坚实的基础。
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